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太阳能空调技术进展与太阳能建筑 -------------------------------------------------------------------------------- 2004-04-28 一、引言 　　我国太阳能热水器的保有量已超过2000万平方米，年产量达300万平方米，是世界上生产太阳能热水器最多的国家。 但以人均占有量计算，仍处于落后地位，所以这个市场的潜力还非常大。 　　太阳能热水器产生热水主要用于日常生活和采暖。但是当夏天太阳辐射越强、天气越热的时候，人们更需要的是空调降温。这种情况在我国南方每年大约有6-8个月时间，在北方也有4-6个月。 利用太...全部

  太阳能空调技术进展与太阳能建筑 -------------------------------------------------------------------------------- 2004-04-28 一、引言 　　我国太阳能热水器的保有量已超过2000万平方米，年产量达300万平方米，是世界上生产太阳能热水器最多的国家。
  但以人均占有量计算，仍处于落后地位，所以这个市场的潜力还非常大。 　　太阳能热水器产生热水主要用于日常生活和采暖。但是当夏天太阳辐射越强、天气越热的时候，人们更需要的是空调降温。这种情况在我国南方每年大约有6-8个月时间，在北方也有4-6个月。
  利用太阳能热水器产生的热水制冷供空调，使太阳能和太阳能热水器全年充分利用，是最合理的方案。 　 “九五”期间，“太阳能空调”列入科技攻关计划，成功地建成了两座有一定规模的实用性太阳能空调系统，分别是：中科院广州能源所在广东省江门市建成的100kw太阳能空调系统，采用高效平板太阳能集热器、低温运行的两级吸收式制冷机；和北京市太阳能研究所在山东省乳山市建成的100kw太阳能空调系统，采用热管式真空管集热器、中温运行的单级吸收式制冷机。
   　 “九五”太阳能空调计划的成功，为太阳能空调应用的可行性和实用性作出了很好的示范，其意义在于： 　　 ◆ 解决太阳能利用的合理性问题--空调的需求与太阳辐射能的提供正好一致，充分利用了夏天的太阳能。
   　　 ◆ 解决实用性问题--通过技术突破，利用普通的太阳能集热器实现制冷空调。 　　 ◆ 解决市场问题--以巨大的太阳能热水器市场为依托，开辟太阳能热水器一个新的应用领域，反过来又可以促进太阳能热水器市场的进一步发展。
   　　 ◆ 解决环境保护问题--使用清洁能源。 二、太阳能空调技术现状分析 　　从太阳能系统和制冷热源工作温度的高低来分，目前国内外太阳能空调系统大致可以分为三类 　　我们简单地称之为高温型、中温型和低温型三种类型。
  国外实用性系统多为中温型，也有高温型的实验装置，国内目前只有后两种。从表1可以看出： 　　 ◆ 随着工作温度的升高，制冷机COP相应提高，但太阳能集热系统的日效率要降低，太阳能制冷总效率相差不大。
   　　 ◆ 从适配的集热器方面看，高温型的太阳能空调系统需要聚光型或者是特定的太阳能集热器，造价很高，不利于推广和普及。中、低温型太阳能空调系统采用常规的太阳能集热器就能满足要求，有利于太阳能空调的推广应用。
   　　 ◆ 从系统方面看，超过100℃的运行，如果采用水作为介质，系统处于受压状态，随之会产生一系列的问题：如储热问题、压力容器问题等等。后两种类型则不存在这些问题。 　　总的来说，高温型太阳能空调系统，对于解决某些科学技术的问题是有意义的，但由于造价很高，在实用性和普及推广方面是不利的。
  中温和低温型太阳能空调系统各有长短，前者制冷系数稍高，但需要采用价格较高的热管式真空管集热器；后者能适应普通的太阳能热水器，更有利于推广应用，缺点是制冷系数相对偏低。最佳的方案是两者结合，同时能适应中、低温度范围（65-95℃），温度稍高时，制冷机单级运行，温度稍低时，制冷机两级运行。
   三、创新的高效率太阳能空调系统 　　l、传统的太阳能空调系统 　　前面讨论的主要是针对制冷机与集热器的匹配及其效率问题，作为一个系统，系统的总效率是一个重要的问题。传统的太阳能空调系统由太阳能集热系统附加一台吸收式制冷机组成（如图1所示），图中，Qg为输入制冷机发生器的能量（太阳能系统输出能量）；Qa为冷却水从吸收器带走的能量；Qc为冷却水从冷凝器带走的能量；Qe为蒸发器制冷能量（从环境输人能量）；Qs为太阳能集热面积上的太阳辐射能。
  很明显： 　　从表1可以看出，ηc约为0．24-0．30，再加上有限的产热（在太阳辐射不太强的时候产生热水），系统总的效率不超过40％。大量的热通过冷却塔放回环境当中（Qa＋Qc）。冷却水的循环、冷却还要付出水泵和风扇的功耗，是十分可惜的。
  因此，传统的太阳能空调系统在供冷时总效率很低。 　　2、新概念的太阳能冷-热并供系统 　　从图1可以看出，Qa和Qc为热损失，是影响太阳能空调系统效率的主要因素。提高系统效率，应当在不影响制冷COPc的前提下，充分利用Qa和Qc。
  为此，基于热泵原理，提出了太阳能制冷-产热并供系统新概念。系统如图2所示。与图1比较，最明显的区别是取消了冷却塔，冷却水变成了热水输出，制冷机也由原来的整机式变成了分体式，发生器结合于太阳能集热系统，蒸发器则相当于空调室内机，太阳能空调系统成为一个整体，而不是传统的由太阳能集热系统附加一台吸收式制冷机组成太阳能空调系统的概念。
   　　如图2所示，系统的能量平衡如下， 　 　　设计运行工况是这样的：当太阳能系统集热温度为90℃ ，制冷温度为9℃ ，输出热水温度为45℃ 时，COPc=0。6，COPh=1。6，ηs=0。
  4，所以，ηc=0。24,ηh=0。64,ηt=0。88，系统总效率达到88％。如果制冷温度不要求太低，例如设定为12℃ ，在同样的条件下，COPc可达0．65，系统总效率达90％。 　 　　3、技术特点 　　◆ 新概念的太阳能冷-热并供系统利用了热泵的原理，但是需要技术上的支持才能实现。
  我们知道，溴化锂吸收式制冷机冷却水温度一般为31℃ 输人，36℃ 输出，36℃ 的热水对用户来说是用不上的；而对于吸收式热泵来说，低温端（冷冻水）的输入温度又不能太低。在不同的运行工况下，对应的温度和压力是不同的。
  为了同时实现制冷和产热，需要以热力学循环理论为基础，对溴化锂吸收式制冷机进行全面的技术改造。 　　◆ 改变了太阳能空调系统由太阳能集热系统附加一台吸收式制冷机组成的传统概念，制冷机在结构上进行了改造，由原来的整机式变成了分体式。
  把发生器放在太阳能集热系统中，直接利用太阳能热水，既减少了热损失，又节省了热水泵及其功耗。蒸发器则相当于空调室内机，安装更方便、更灵活，小型的甚至可以放在室内。 　　◆ 传统的溴化锂吸收式制冷机小型化比较困难，本方案由于技术上和结构上的创新，可以生产小功率的太阳能制冷机。
   　　◆ 减少了设备及泵耗。系统省去了制冷热源水泵、冷却循环水泵和冷却塔风机及其功耗，还省去了冷却塔设备，降低了系统的造价和运行成本。 　　◆ 制冷和热水同时提供，系统总效率可高达88％。
  冬季单纯供热运行时，在太阳辐射较强的情况下，利用制冷机作热泵运行，可以增加产热20—30％。 　　4、10kw示范系统 　　一座10kw新型太阳能空调系统正在建造当中，主要技术指标如下： 　　◆ 高效太阳能集热器（专利技术） 　　◆ 太阳能集热面积：60m2 　　◆ 制冷功率：10kw 　　◆ 制冷热源温度：90℃ 　　◆ 热水输出温度：45℃ 　　5、太阳能热水系统、太阳能空调系统与新型太阳能冷-热并供系统比较　　 四、太阳能空调与太阳能建筑 　　随着经济发展，采暖、空调和生活用热的需求越来越大，是一般民用建筑物用能的主要部分。
  因此，建筑节能是国民经济的一个重大问题。 　　利用太阳能供电、供热、供冷、照明，建成太阳能综合利用建筑物，是国际太阳能学术界的热门研究课题，是太阳能利用一个新的发展方向。美国、德国、日本、意大利等国家都已建成这种全部依靠太阳能的示范建筑物。
   　　太阳能建筑的发展大体可分为三个阶段：第 阶段为被动式大阳房，它是一种完全通过建筑物结构、朝向、布置以及相关材料的应用进行集取、储存和分配太阳能的建筑。第二阶段为主动式太阳房，它是一种以太阳能集热器与风机、泵、散热器等组成的太阳能采暖系统或者与吸收式制冷机组成的太阳能空调及供热系统的建筑。
  第三阶段是加上太阳电池应用，为建筑物提供采暖、空调、照明和用电，完全能满足这些要求的）称为“零能房屋”。 　　我国太阳能建筑的研究和应用还停留在第一阶段。太阳能空调及供热系统的成功，为第二阶段的主动式太阳房创造了条件。
  随着太阳电池不断提高效率、降低成本，利用光伏技术解决建筑物用电问题是切实可行的。美国、欧洲不日本分别推出了“屋顶光伏计划”，美国计划至2010年安装1000－3000MW，日本的目标是7600MW，太阳电池与建筑结合是一个必然的趋势。
   　　因此，在我国发展第三阶段的太阳能建筑时机已经成熟。中科院广州能源所依靠其本身的技术，在本所实验大楼建一座全部依靠太阳能供电、供热和供冷的示范性太阳能建筑。其中，应用全新概念的太阳能冷-热并供技术门（10KW示范系统），太阳能利用总效率高达80％以上。
  此外，还采用多种新型的节能功能材料及相关的技术。 基本参数： 　　◆ 太阳房建筑面积：50m2 　　◆ 园林面积：400m2 　　◆ 单晶硅太阳电池：1000W 　　◆ 太阳能制冷功率：10kw 　　◆ 太阳能集热面积：60m2 技术集成： 　　◆ 新概念的太阳能冷-热并供系统 　　◆ 太阳电池独立电源 　　◆ 可控变色玻璃、低发射夹层玻璃 　　◆ 透明隔热材料、热反射涂层 　　◆ 储能材料和技术 　　◆ 辐射致冷和被动降温技术 　　◆ 光伏、光热组件与建筑一体化技术 　　◆ 导光、聚光材料和技术 五、结语 　　“九五”太阳能空调计划取得了圆满的成功，在此基础上提出的太阳能冷-热并供系统新概念，在耦合制冷-产热热力学循环、制冷机结构及相关技术、太阳能集热器等方面均有所创新。
  新型的太阳能冷-热并供系统同时提供空调和热水，系统总效率可高达88％，冬季单纯供热运行时，利用制冷机作热泵运行，可以增加产热20-30％；系统减少了设备及泵耗，降低了造价和运行成本。 　　在我国发展第三阶段的太阳能建筑时机已经成熟。
  中科院广州能源所依靠其本身的技术，在本所实验大楼正在建一座全部依靠太阳能供电、供热和供冷的示范性太阳能建筑，应用创新的太阳能冷一热并供系统以及采用多种新型的节能功能材料和相关的技术。 太阳能空调的研究与发展 季戬洪 马伟斌 江晴 中国科学院广州能源研究所510070 一、引言 顾名思义，太阳能空调是以太阳能作为制冷空调的能源。
  利用太阳能制冷可以有两条途径，一是利用光伏技术产生电力，以电力推动常规的压缩式制冷机制冷；二是进行光-热转换，用热作为能源制冷。前者系统比较简单，但以目前先电池的价格计算，其造价为为后者的3-4倍；后者除了供冷之外，还结合供热利用。
  因此国外的太阳能空调系统通常以第二种为主。 二、 发展太阳能空调应用的基础和意义 1．1太阳能利用的合理性 一般的太阳能热利用项目，如采暖、热水等，在需求上其实与太阳能的提供并不完全一致：当天气越冷、人们越需要温暖的时候，太阳能量的提供往往不足。
  从这个角度来看，太阳能空调的应用是最合理的：当太阳辐射越强。天气越热的时候，我们需要空调的负荷也越大。这是太阳能空调应用最有利的客观因素。 1．2太阳能空调的市场基础 太阳能热水器在国内市场迅猛发展，全国太阳能热水器的使用量已超过1000万平方米近年来每年增长超过200万平方米，由此可见，太阳能热水器的使用量和需求量都非常大，市场前景非常好。
  另一方面，空调的需求也是一个巨大的市场。如果把供热与空调结合起耘将是一个更加理想的方案。这是太阳能空调实现推广应用的市场基础。 1．3太阳能空调的技术基础 太阳能制冷空调的关键技术已经成熟。
  （1）在太阳能集热器方面，真空管集热器、平板集热器都已经在市场上推广应用；（2）在制冷机方面，溴化锂吸收式制冷机在九十年代大量地进入了市场。中国科学院广州能源研究所研制的低温热水型两级吸收式淡化侄制冷机，热源温度只需60℃以上，特别适合于太阳能的利用。
   （3）在系统方面，已经积累了丰富的经验。因此，太阳能空调应用在技术上是可行的。 1．4太阳能空调的经济性 太阳能热水器的经济性问题，市场已经作了很好的说明。太阳能空调建立在太阳能热水应用的基础上，利用的是夏天用不完的能源，使太阳能得到充分的利用。
  增加的投资是制冷机部分，而这部分的投资在常规空调方面也是需要的。因此，太阳能空调与太阳能热水相结合，有更好的经济性。 1．5环境保护，可持续发展的要求 随着经济的发展和人们生活水平的提高，空调的需求量越来越大。
  在一般民用建筑物，空调的能耗占了一半以上，给能源、电力和环境带来很大的压力。电力的发展同时带来废气阶放，温室效应和酸雨等环境问题，空调机的制冷剂（CFCs）还会对大气臭氧层造成破坏。切时龟空调用的是清洁的太阳能，制冷过程也没有污染的危险，系统本身是符合环境保护要求的。
  另一方面，节省了电力和燃料，间接上也减轻了环境的压力，太阳能空调的应用完全降合可持续发展战略的要求。 基于上述观点和理由，有关部门和专家一致认为，发展太阳能空调应用的时机已经成熟，并且有良好的社会、经济效益，同时也能提高太阳能利用的科学意义和技术水平，有利于推动太阳能事业的发展。
  为了促进推广应用，需要建立一个示范性的系统。因此，国家科委（现科技部）把“太阳能空调及供热综合示范系统”列为“九五”重点科技攻关项目。 2。我国太阳能空调的发展与现状 （1）起步阶段（70年代未一80年代初）在我国，太阳能制冷及空调的研究可以追溯到1975年在妄阳召开全国太阳能会议以后的七十年代后期。
   1974年中东石油危机发生以后，不少科研机构、高等院校和企业纷纷投入人力和物力研制太阳能制冷（空调〕机，其中多数是小型的务水吸收式制冷试验样机。例如：天津大学1975年研制的连续式氨一水吸收式太阳能制冰机，日产冰量可达5．4kg。
  为北京师范学院（现首都师范学大等）1977年研制成功1．5m2平板型间歇式太阳能制冰机，每天可制冰6．8-8kg； 1979年义研制出8m2平板型自动跟踪连续式太阳能冷藏柜．华中工学院（现华中理工大学）研制了采光面积为1．5m2，冰箱容积为70升，以氨一水为工质对的小型太阳能制冷装置，可维持冰箱0℃10小时左右。
  这期间先后有20多个单位开展过工作，积累了宝贵的经验， （2）坚持阶段（80年代中后期一90年代初） 其后，由于当时还有许多技术难题没有来得及解决，太阳能空调项目因一时难以看到成效而得不到支持，研究的队伍和规模大大缩小，仅存少数单位仍坚持基础性研究和样机试验，经历了一段非常困难的时期。
  在这期间，中科院广州能源所得到了香港裘槎基金会的资助，坚持进行了太阳能空调系统以及太阳能制冷机的研究，并且取得了重要的进展。 1987年，中国科学院广州能源研究所与香港理工学院合作在深圳建成了一套科研与实用相结合的示范性太阳能空调与热水综合系统，集热面积共120 m2，制冷能力14kw，空调面积为80 m2采用了三种中温集热器，包括直通式真主管集热器、热管型真空管集热器和V形隔热膜平板型集热器。
  采用两合日本矢崎公司生产的2冷吨单级淡化侄吸收式制冷机。 为了适应太阳能的利用，中国科学院广州能源所从1982年开始进行了新型热水型两级吸收式决化铰制冷机的研制并取得了成功，这种新型的制冷机有两个显著的特点，一是所要求的热源温度低，在65℃以上的范国内能稳定地运行；二是热源的利用温差大，为12-24℃（随热源温度而变）。
   （3）实用阶段（“九五”计划期间） 直到“九五”计划期间，太阳能空调的的各方面条件已经成熟，国家科委（现科技部）把“太阳能空调”列为重，氨科技攻关项目，计划建成示范性系统，以促进太阳能空调的推广应用。
  大阳能空调项目迎来了它的第二个春天，太阳能空调的技术水平也上升到一个新的高度。中科院广州能源所和北京太阳能研究所承担了该项任务，计划在南方和北方各建一座大型实用性太阳能空调系统。 三、 100kw太阳能空调系统 3．1应用对象 太阳能空调系统应兼顾供热和供冷两个方面的应用，例如综合办公搂、招待所、学校、医院、游泳池、水产养殖等，都是比较理想的应用对象。
  这些用户冬季（或全年）需要供热，如生活热水、采暖、游泳池水补热调温等，而夏季一般都需要空调。“九五”攻关项目100kW太阳能空调系统选定在广东省江门市一座新建的24层大楼上实施。该大樱是一座多功能的综合性大楼，有办公樱、营业厅、招待所、培训中心等，利用 太阳能提供大搂每天所需的生活热水，除此之外，在夏天以太阳能热水制冷，供其中一层空调。
   3．2系统简介 太阳能空调热水系统如图1所示。以平板集热器收集太阳能产生热水，分别储存在制冷及生活热水水箱中．采用一台100kW的两级吸收式制冷机，用太阳能热水输入制冷机制冷。
  采取中央空调供冷方式，制取的9℃左右的冷冻水送到用户的风机盘管，然后返回冷冻水箱。当天气不好、水温不足时，用一台燃油热水炉辅助升温，保证系统能全天候运行。生活热水则直接输送到用户。系统金自动采集数据和控制运行。
   3．3主要技术构成 1）太阳能集热器 为了保证平板集热器能满足制冷空调的要求，又不失其简单价廉的特点，通过研究、试验，采取了一些简单而有效的技术改进措施。其中最主要的是增加了一决能耐较高温度的透明隔热板，通过抑制空气自然对流从而减少表面的热损失。
  试验及使用的结果证明，透明隔热板起了关键性作用。该集热器在太阳辐射较强的时候，能持续提供制冷用热水；在太阳辐射较弱时，也可以产生足够的生活用热水。 2）制冷机 制冷机是采用一种两级吸收式淡化枢制冷机，它的一个重要的特，氨是驱动热源温度忧只需要65-75℃，在60℃的情况下，仍能以较高的制冷能力稳定地运行；另一个特点是热水的利用温差大，达12-24℃（随热源温度而变）。
  市场上单级吸收式淡化钮制冷机热源温度一般要求88℃以上，热水利用温差只有6-8℃。 3）自控系统 自动控制系统采用先进的可编程控制器（PLC）及工业控制微机控制和管理。 ＠性能系数（C0P）达到设计指标。
   3．6系统的主要特点 江门100kW太阳能空调系统是我国首座大型实用性太阳能空调系统，它的建成标志着我国太阳能热利用技术上了一个新的台阶。系统有以下特点： 1）太阳能空调系统成功地全部采用高效乎板集热器，使常用的太阳能热水系统能够与太阳能空调系统”接轨”，同时也开拓了太阳能热水器更广阔的应用市场。
   2） 100kW两级吸收式决化俚刹冷机各项指标均达到设计要求。其驱动热源温度之低（65-75℃）特别适合大阳能利用。 3）系统兼顾了生活热水与制冷空调的能量需求，合理分配利用太阳能，提高了太阳能日利用效率。
   4）太阳能空调系统全天候自动运行。 四、 太阳能空调的研究发展方向 1）产业化 太阳能空调实用性示范系统的建成，证明了人阳能空调技术上是可行的，经济上也显示出一定的效益，潜在的市场很大，应当向产业化方向发展。
  但要实现产业化目标，还有许多工作可做，例如： · 太阳能空调系统的计算机设计软件； ·制冷机商品化、产业化； ·统一的配套设备和零部件； ·制定产品（系统）的技术标准； ·大力开拓卞场。
   2）研究和开发新的枝术 太阳能空调系统目前普遍采用成熟的淡化短吸收式制冷技术。由于造价人工艺方面的原因，泱化控制冷机不宜做得太J、。所以，采用这种技术的太阳能空调系统适用于中央空调和集中供热方式，系统需要有一定的规模。
  而市场对小型的、家用的太阳能空调器却有更大的需求，事实和经验告诉我们，只有满足千家万户人民群众需要的产品，才能形成规模化产业。因此，需要研究和开发小型太阳能空调的新方法、新技术。 3）建筑物的热-电-冷联供系统 建筑物用能是一个耗能大户，其中用于厥明、供热和空调就占了一半以上，太阳能在建筑上的应用不仅可以节省能源，更重要的是有利于保护环境。
  利用太阳能供电、供热、供冷、照明，最终实现所谓绿色能源源的房子，是世界上许多发达国家的热门研究课题，也将是21世纪一个应用面很广、需求量很大的多学科交叉的综合性课题。这是太阳能利用的一个引人注目的发展趋势。
   五、结 语 随着我国经济的发展和人瓦生活水平的提高，人们对生活环境的要求越来越高，采暖和空调已经是建筑物的必要设施。另一方面由于常规能源不断千采和使用，其储藏量将不断地减小，环境污染的问题也越来越严峻。
  因此，利用太阳能供冷和供热，不仅可以节省电力和常规能源，对环境保护尤其有重要意义。 事先一定要去已经投运的用户考察！注意考察人员别被买通！。收起