太陽能空調與熱泵技術進展及應用

　　摘 要：當前日益增長的建筑能耗需求與“雙碳”目標背道而馳，通過新型節(jié)能技術降低建筑能耗勢在必行。太陽能空調與熱泵技術，可細分為光熱與光伏驅動的供熱制冷技術，是將太陽能與建筑供能相結合，實現(xiàn)太陽能規(guī)模化應用的潛在發(fā)展途徑。對目前太陽能供熱制冷主要技術路線進行總結，主要有熱驅動的吸收式制冷/熱泵循環(huán)、吸附式制冷、除濕空調，電驅動的光伏空調、直膨式熱泵、光伏/光熱一體化(PVT)熱泵等，并對相關技術的研究進展做簡要介紹。太陽能空調與熱泵技術近年來在能效提升、驅動溫區(qū)擴展與環(huán)境適應性增強等方面取得進展，未來可進一步結合建筑用能需求提高系統(tǒng)供能多樣性，利用太陽能推動建筑用能的綠色化轉型。

　　關鍵詞：“雙碳”目標;太陽能空調;太陽能熱泵;吸收式循環(huán);除濕空調;PVT熱泵

　　陳爾健; 賈騰; 姚劍; 代彥軍， 華電技術 發(fā)表時間：2021-11-15

　　0 引言

　　太陽能分布廣泛，是對應用選址要求較低的一種可再生能源，將其與建筑用能需求相結合，既符合目前建筑節(jié)能的發(fā)展趨勢，也是太陽能規(guī)模化利用的有效途徑。在碳達峰、碳中和背景下，太陽能與建筑節(jié)能相結合符合當前低碳發(fā)展的戰(zhàn)略。然而，由于太陽能的間歇性與季節(jié)性，與建筑穩(wěn)定的用能需求存在矛盾，如何解決太陽能供熱制冷穩(wěn)定、高效的難題，是提高太陽能在建筑能源體系中貢獻率的關鍵所在[1-2]。

　　太陽能集熱是影響太陽能空調與熱泵技術的重要環(huán)節(jié)，集熱溫度和環(huán)境溫度的溫差是集熱效率的主要影響因素，對于中高溫熱源驅動的太陽能空調與熱泵技術，太陽能轉化的制冷供熱效率受限于集熱效率[3]。

　　對于太陽能制冷，夏季太陽輻照強度高，因此集熱溫度與集熱效率較高，而冬季太陽能輻照強度低，其集熱溫度與集熱效率受到限制，進而影響太陽能供熱制冷的轉化效率與穩(wěn)定。發(fā)展太陽能空調與熱泵技術，提高太陽能集熱全年運行效率，提升太陽能在建筑能源體系中的貢獻率，是目前國內外學者正在探索研究的方向。

　　1 太陽能空調與熱泵主要技術途徑

　　太陽能應用于建筑供熱制冷有 2 種利用方式，光熱與熱驅動空調(熱泵)相結合或光伏發(fā)電與蒸汽壓縮式空調(熱泵)相結合，目前太陽能熱驅動和電驅動空調與熱泵主要技術途徑分別如圖 1、圖 2 所示。

　　在太陽能熱驅動制冷技術方面，可根據(jù)制冷循環(huán)與冷卻環(huán)境是否存在質量交換分為閉式制冷循環(huán)或開式除濕循環(huán)。

　　1. 1 太陽能熱驅動供熱制冷技術

　　吸收式制冷是目前最為成熟且應用最多的熱驅動制冷技術。根據(jù)《〈蒙特利爾議定書〉的基加利修正案》，當前需減少高全球變暖潛能值(GWP)制冷劑的使用來降低溫室氣體排放，吸收式制冷系統(tǒng)通常使用 H2O 和 NH3等天然制冷劑，是符合當前發(fā)展需要的一個重要優(yōu)勢，科學界和商業(yè)界都在大力開發(fā)太陽能吸收式制冷系統(tǒng)。與其他太陽能制冷技術相比，吸收式制冷機熱力性能系數(shù)(COPth)更高，其單效循環(huán)驅動溫度為80~100 ℃，對應的COPth 為 0. 6~0. 8，雙效循環(huán)利用高壓發(fā)生器發(fā)生蒸汽的冷凝熱量為低壓發(fā)生器提供發(fā)生熱量，可使COPth達到 0. 9~1. 3(熱源溫度 140~160 ℃)，雖然在三效循環(huán)的 COPth可提升至 1. 7(熱源溫度 180~220 ℃)，但由于驅動熱源溫度需達到 180 ℃以上，實際運用中 LiBr-H2O工質對在高溫工況下的結晶風險極大，且對銅管的腐蝕性增強，因此目前三效循環(huán)幾乎沒有商業(yè)應用[4]，雖然半效循環(huán)驅動熱源溫度最低，但 COPth也僅有單效循環(huán)的一半，因而對發(fā)生熱量的消耗量較高[5]，近年又有學者提出變效吸收(1. N 效)循環(huán)，其驅動熱源溫度介于單效與雙效之間，COP 則隨驅動溫度升高連續(xù)提升，解決了單效循環(huán)熱源溫度提升性能無法持續(xù)增大，使?損失較大的缺陷[6]。

　　“ 發(fā) 生 器 - 吸 收 器 熱 交 換 ”循 環(huán)(Generator Absorber Heat Exchange，GAX)采用循環(huán)內部回熱，對外部輸入熱源總量要求不高，但其驅動溫度需達到接近雙效循環(huán)同等的溫度水平，且由于其高低壓側溶液濃度差范圍極大，因而不適用于使用 LiBrH2O 工質對(易結晶)，而使用 NH3-H2O 工質對則需增設精餾器，導致制冷性能不及 LiBr-H2O 工質對，因而GAX循環(huán)目前尚無在制冷循環(huán)上使用，均利用其吸收器中較大的相變溫度滑移特性用于制熱循環(huán)內部回熱以提高制熱性能[7]。

　　由于蒸汽噴射式能效較低，且噴射器運行范圍受限于設計工況，存在較少應用案例。硅膠-水吸附機驅動溫度相比吸收式更低，在低品位熱源高效利用上存在優(yōu)勢，COPth也相對較低，目前已有小批量生產(chǎn)。硅膠-水吸附機在建筑太陽能空調、太陽能低溫儲糧系統(tǒng)獲得應用[8]。

　　開式除濕循環(huán)，主要有溶液除濕、除濕轉輪和除濕換熱器技術，這幾種技術通過吸濕材料(鹽溶液或干燥劑)界面處與處理空氣之間的水蒸氣分壓力差從空氣中吸附水蒸氣實現(xiàn)無水除濕，通常與常規(guī)壓縮式空調結合，分別處理熱濕負荷，通過熱濕解耦處理提高壓縮式空調蒸發(fā)溫度，達到能效提升的目的。

　　1. 2 太陽能電驅動供熱制冷技術

　　太陽能熱驅動供熱技術圍繞第一類吸收式熱泵及其循環(huán)的各種變式，包括再吸收式熱泵和GAX 吸收式熱泵等，在熱驅動溫度和能效水平上略有差異，該類型循環(huán)通過輸入高溫熱源與低溫熱源獲得大量的中溫熱量;第二類吸收式熱泵則通過使用大量的中溫熱量獲得更高品位的熱量輸出，亦稱為升溫型熱泵。

　　太陽能電驅動制冷技術，通過光伏組件發(fā)電，用于驅動壓縮式制冷機，為了保證穩(wěn)定供冷與提高運行經(jīng)濟性，通常與蓄冰或蓄電裝置結合。太陽能熱+電驅動供熱技術，通過熱電耦合供熱，主要有太陽能熱驅動蒸汽壓縮式熱泵，太陽能直膨式熱泵，以及太陽能光伏/光熱一體化(PVT)熱泵。太陽能 PVT熱泵通過熱泵系統(tǒng)為PV板降溫提高發(fā)電效率，同時提高熱泵供熱能效，實現(xiàn)高效的熱電聯(lián)產(chǎn)，是目前國內外研究太陽能利用技術學者重點聚焦的技術。

　　2 太陽能空調與熱泵技術進展

　　近年來，太陽能空調與熱泵技術在能效提升、驅動溫區(qū)與環(huán)境適應性擴展等技術要點上有了進一步突破，相關總結與對比見表1。

　　2. 1 變效 (1. N效) 溴化鋰吸收式制冷機組

　　上海交通大學提出一種 1. N 效吸收式循環(huán)，如圖4所示。該循環(huán)采用吸收-發(fā)生熱耦合方式，其中低壓吸收器出口溶液分流后，分別進入高壓吸收器和高壓發(fā)生器。利用高壓吸收器的吸收熱，對第二低壓發(fā)生器進行加熱，該循環(huán)根據(jù)高壓發(fā)生器的發(fā)生溫度變化調節(jié)分流溶液的質量比：當高壓發(fā)生器溫度足夠高時，溶液更多流入高壓發(fā)生器，系統(tǒng)逐漸進化為雙效循環(huán);當熱源溫度足夠低時，退化為單效循環(huán)，實現(xiàn)變效的目的[6]。

　　2. 2 單效風冷絕熱吸收閃蒸制冷機組

　　上海交通大學與山東祿禧新能源科技有限公司合作研發(fā)出一種單效風冷絕熱吸收閃蒸制冷機組，如圖6所示，實現(xiàn)了吸收式制冷機組的小型化和風冷結構設計，并解決了風冷散熱的高結晶風險問題。考慮到直膨式蒸發(fā)器不適合用于以水作為制冷劑的吸收式機組，為解決二次換熱損失引入絕熱閃蒸流程以提高蒸發(fā)溫度，從而提高風冷溴化鋰吸收式循環(huán)制冷COPth，且節(jié)約了降膜蒸發(fā)器和冷劑水循環(huán)泵的設置而降低系統(tǒng)成本。系統(tǒng)在環(huán)境空氣溫度為29~35 ℃時可正常工作，COPth為0. 64~0. 76，可提供4. 6~5. 3 kW的制冷量[9]。

　　2. 3 采用除濕換熱器的連續(xù)型除濕空調系統(tǒng)

　　除濕換熱器是一種內冷式除濕技術，通過在換熱器表面涂敷固體干燥劑的方式實現(xiàn)近似等溫除濕過程，克服除濕過程吸附熱效應，降低再生熱量品位要求。Zhao 等[10]提出 2 個除濕換熱器之間冷/ 熱水的自動切換實現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)除濕/再生運行，驗證除濕換熱器技術的系統(tǒng)化和實用化設計，使用冷卻塔和太陽能集熱器分別提供除濕/再生過程的冷/ 熱水需求，通過風道和水路切換實現(xiàn)除濕/再生模式的互相切換，系統(tǒng)原理如圖 7 所示。系統(tǒng)平均除濕量和 COPth 分別可達到 5. 08 g/kg DA(g 水/kg 干空氣)和 0. 34 左右，該系統(tǒng)對熱水的溫度需求低至 50 ℃左右，降低除濕空調系統(tǒng)的驅動熱源溫度。

　　2. 4 熱泵/太陽能驅動溴化鋰濃度差蓄冷/制冷循環(huán)

　　為提高吸收制冷系統(tǒng)對太陽能利用的靈活性與電能利用的經(jīng)濟性，學者提出一種由熱泵和太陽能共同驅動的溴化鋰濃度差蓄冷/制冷循環(huán)，循環(huán)原理如圖 8 所示，通過溴化鋰溶液的濃度差儲能方式規(guī)避常規(guī)顯熱蓄能的熱損效應。在太陽能條件良好時，多余的太陽能熱能以濃溶液與冷劑水的形式儲存，需釋冷時再通過冷劑水蒸發(fā)被濃溶液吸收;太陽能條件不佳時，由熱泵滿足吸收循環(huán)的發(fā)生熱量與冷凝排熱以進行制冷或蓄冷，尤其對于夜間低谷電價時段，熱泵驅動具有更好的經(jīng)濟性。這種濃度差蓄能方式蓄能密度約為水蓄冷方式的13. 4倍，即 使 考 慮 系 統(tǒng) 容 積 其 蓄 能 密 度 也 高 于 冰 蓄 冷系統(tǒng)[11]。

　　2. 5 直膨式太陽能熱泵

　　直膨式太陽能熱泵主要由集熱/蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器與膨脹閥組成，將太陽能集熱器與熱泵蒸發(fā)器直接耦合，工質通過在集熱/蒸發(fā)器中吸收太陽能和空氣能以提高蒸發(fā)溫度，可在太陽輻照下獲得比空氣源熱泵更好的供熱性能，直膨式太陽能熱泵原理如圖9所示。現(xiàn)有的直膨式太陽能熱泵使用常規(guī)集熱/蒸發(fā)器表面溫度分布不均勻，過熱區(qū)域大，平均板溫與蒸發(fā)溫度的差值很大，冷媒在集熱/ 蒸發(fā)器中未能充分利用整板吸收的太陽能，陳道川[12]通過整板結構及六邊形流道單元優(yōu)化提高均溫性并減小流道壓損，經(jīng)試驗驗證整板傳熱效果顯著提高，平均溫度略低于環(huán)境溫度，上海冬季白天良好工況下平均輻照度為 732 W/m2 、平均環(huán)境溫度為 14 ℃時 COPele為 4. 47。經(jīng)結構優(yōu)化的集熱/蒸發(fā)器已應用于上海華漕養(yǎng)老院大型直膨式太陽能熱泵工程中，該工程設計制熱功率 110 kW，為養(yǎng)老院提供全年生活熱水。相比常規(guī)太陽能集熱器陣列的集熱系統(tǒng)，直膨式太陽能熱泵可同時使用環(huán)境空氣熱量、太陽能熱量與電能3種能源驅動，在滿足相同生活熱水熱量需求時可使用更少的太陽能集熱面積，且供能穩(wěn)定性更優(yōu)。

　　3 結束語

　　太陽能空調與熱泵技術是可再生能源與建筑用能需求緊密結合的綜合技術，在碳中和背景下具有極大的建筑用能減排潛力。近年來，太陽能空調與熱泵技術主要聚焦于系統(tǒng)單一供能(供熱或制冷)上的能效提升與太陽能轉化效率，而忽視了建筑用能多樣性對系統(tǒng)供能的要求。未來的發(fā)展方向之一是太陽能空調與熱泵的供能多樣性及氣候適應性上的推進，利用太陽能滿足建筑夏季制冷、冬季供熱及全年生活熱水的用能需求，實現(xiàn)系統(tǒng)全年利用太陽能高效供能，并進一步縮小系統(tǒng)尺寸，降低初投資，通過模塊化設計使系統(tǒng)與建筑一體化相匹配，提高系統(tǒng)規(guī)模化應用的可行性。