第8章太阳能制冷技术

第8章

太阳能制冷技术Solarrefrigerationandairconditioning2024/11/8第一节概述第二节太阳能制冷系统分类第三节太阳能吸收式制冷系统第四节太阳能吸附式制冷系统第五节太阳能蒸汽压缩式制冷系统第六节太阳能空调技术经济分析主要内容2024/11/8第8章

太阳能制冷技术第一节概述一、太阳能空调的意义Significanceofthesolarairconditioning二、我国太阳能空调的发展DevelopmentofthesolarairconditioninginChina三、太阳能空调的优点Advantageofthesolarairconditioning四、太阳能空调在现阶段的局限性LimitationofthesolarairconditioningSolarrefrigerationandairconditioningIntroduction一、太阳能空调的意义1、建筑耗能量超过全国总耗能量的1/4以上，且有继续上升的趋势。其中，住宅和公共建筑的空调在全部建筑耗能中占有很大的比重2、温室气体排放量正在快速增长，我国目前已成为世界上温室气体排放第二大国3、太阳能是一种取之不尽、用之不竭的洁净能源,其热利用领域包括太阳能热水、太阳能采暖、太阳能制冷空调等利用太阳能进行空调，对节约常规能源、保护自然环境具有十分重要的意义2024/11/8起步阶段坚持阶段实用阶段70年代末至80年代初小型氨—水吸收式制冷试验样机

80年代中后期至90年代初当时许多技术难题未能解决,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机组试验“九五”计划期间国家科技部把“太阳能空调”列为重点科技攻关项目,计划建成示范性系统,以促进太阳能空调的推广应用二、我国太阳能空调的发展2024/11/8三、太阳能空调的优点

1.季节适应性好

太阳能空调系统的制冷能力是随着太阳辐射能量的增加而增大的，这正好与夏季人们对空调的迫切要求相匹配

常规电能空调，天热是用电高峰，制冷与季节耗能矛盾十分突出2024/11/82.相较于常规压缩式空调系统，太阳能吸收式空调系统具有以下优点：（1）季节适应性好（2）环境污染小传统压缩式制冷机以氟里昂为介质；而吸收式制冷机以溴化锂为介质，无臭、无毒、无害，十分有利于环境保护。（3）噪声污染小压缩式制冷机的主要部件是压缩机，有一定噪声；而吸收式制冷机除功率很小的屏蔽泵外,无其他运动部件，噪声低。（4）一机多用，四季常用太阳能吸收式空调系统可将夏季制冷、冬季采暖和其他季节提供热水三种功能结合起来，做到一机多用、四季常用。2024/11/8 在强调太阳能空调具有诸多优点的同时，也应当看到它现阶段存在的一些局限性，以进一步加强研究开发。由于现有太阳能集热器价格较高，造成太阳能空调系统的初始投资偏高。由于太阳能集热器采光面积及空调建筑面积的配比受到限制，目前只适用于层数不多的建筑。大型的溴化锂吸收式制冷机，目前尚只适用于单位的中央空调。四、太阳能空调在现阶段的局限性2024/11/8第8章

太阳能制冷技术第二节太阳能制冷系统分类一、制冷的基本概念及分类Basicconceptandclassificationofrefrigeration二、太阳能制冷系统的类型TypeofthesolarrefrigerationsystemSolarrefrigerationandairconditioningClassificationofthesolarrefrigerationsystem一、制冷的基本概念及分类1.什么是制冷、制冷过程、人工制冷过程？所谓制冷，就是使某一系统的温度低于周围环境介质的温度并维持这个低温。此处所说的系统可以是空间或者物体；而此处所说的环境介质可以是自然界的空气或者水。

制冷过程是指从被冷却系统取出热量并转移热量的过程。

人工制冷过程是指在外界的补偿下将低温物体的热量向高温物体传送的过程。2024/11/8一、制冷的基本概念及分类建筑中应用的太阳能空调，上面所述的系统是建筑物内的空间，环境介质是自然界的空气。日常生活中应用的太阳能冰箱，上面所述的系统是冰箱内的物体，环境介质是自然界的空气。2024/11/82.制冷的分类制冷以使用的补偿过程的不同可分为两大类

（1）消耗热能，用热量由高温传向低温的自发过程作为补偿，来实现将低温物体的热量传送到高温物体的过程。

（2）消耗机械能，用机械做功来提高制冷剂的压力和温度，使制冷剂将从低温物体吸取的热量连同机械能转换成的热量一同排到环境介质中，完成热量从低温物体传向高温物体的过程。2024/11/8二、太阳能制冷系统的类型太阳能制冷可以通过太阳能光电转换制冷和光热转换制冷两种途径来实现

1、太阳能光电转换制冷首先通过太阳能电池将太阳能转换成热能，再用电能驱动常规的制冷压缩机。

2、太阳能光热转换制冷首先将太阳能转换成热能（或机械能），再利用热能（或机械能）作为外界的补偿，使系统达到并维持所需低温。对于相同制冷功率，太阳能光电转换制冷系统的成本要比太阳能光热转换制冷系统的成本高出许多倍2024/11/8

太阳能光热转化制冷系统主要有以下几种类型：太阳能吸收式制冷系统（消耗热能）太阳能吸附式制冷系统（消耗热能）太阳能除湿式制冷系统（消耗热能）太阳能蒸汽喷射式制冷系统（消耗热能）太阳能蒸汽压缩式制冷系统（消耗机械能）2024/11/8第8章

太阳能制冷技术第三节太阳能吸收式制冷系统一、吸收式制冷的工作原理Workingprincipleoftheadsorptionrefrigeration二、溴化锂吸收式制冷机的特点Characteristicsofthelithiumbromideabsorptionchiller三、太阳能吸收式制冷的工作原理WorkingprincipleofthesolarabsorptionrefrigerationSolarrefrigerationandairconditioningSolarabsorption

refrigerationsystem一、吸收式制冷的工作原理

1.什么是吸收式制冷、吸收剂、制冷剂？

吸收式制冷是利用两种物质所组成的二元溶液作为工质来运行的，利用工质对的质量分数变化完成制冷剂的循环。这两种工质在同一压强下有不同的沸点，其中高沸点的组分称为吸收剂，低沸点的组分称为制冷剂。常用的吸收剂—制冷剂组合有两种：一种是溴化锂—水，通常适用于大中型中央空调；另一种是水—氨，通常适用于小型家用空调。2024/11/8吸收式制冷循环2.吸收式制冷机的组成吸收式制冷机主要由发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器等组成。制冷剂回路主要由冷凝器、节流装置、蒸发器等组成。吸收剂回路主要由吸收器、发生器、溶液泵等组成。2024/11/8基本组成发生器generator

吸收式制冷机中，通过加热析出制冷剂的设备。

吸收器absorber

吸收式制冷机中，通过浓溶液吸收剂在其中喷雾以吸收来自蒸发器的制冷剂蒸气的设备。2024/11/8基本组成冷凝器generator

转移热量—使高压、高温制冷剂蒸汽能向高温环境自由放热。

蒸发器absorber

蒸发吸热获得制冷效果—使低压制冷剂液体在较低环境温度下吸收热量蒸发为气体，从而获得制冷效果2024/11/83.吸收式制冷的工作原理（1）制冷剂循环

高压气态制冷剂在冷凝器中向冷却介质放热被凝结为液态后，经节流装置减压降温进入蒸发器；在蒸发器内，该液体被气化为低压气态，同时吸取被冷却介质热量产生制冷效应2024/11/83.吸收式制冷的工作原理（2）吸收剂循环

在吸收器中，用液态吸收剂不断吸收蒸发器产生的低压气态制冷剂，以达到维持蒸发器内低压的目的；吸收剂吸收制冷剂蒸气而形成的制冷剂一吸收剂溶液，经溶液泵升压后进入发生器；在发生器中该溶液被加热、沸腾，其中沸点低的制冷剂气化形成高压气态制冷剂，进入冷凝器液化，而剩下的吸收剂浓溶液则返回吸收器再次吸收低压气态制冷剂。

2024/11/8

溴化锂-水溶液是目前空调用吸收式制冷机采用的工质对。（1）溴化锂的性质

无水溴化锂是无色粒状结晶物，性质和食盐相似，化学稳定性好，沸点很高，极难挥发，极易溶解于水。此外，溴化锂无毒、无臭、有咸苦味，对皮肤无刺激。（2）溴化锂水溶液的性质

溴化锂水溶液的沸点与压力、溶液浓度有关，在相同温度条件下，溴化锂溶液浓度越大，其吸收水分的能力就越强4.溴化锂吸收式制冷的工作原理2024/11/8(a)制冷剂循环

发生器中产生的高压蒸气在冷凝器中冷凝成高压低温液态水，经节流阀进入蒸发器，在低压下蒸发，产生制冷效应。这些过程与蒸气压缩式制冷循环在冷凝器、节流阀和蒸发器中所产生的过程完全相同；

2024/11/8(b)吸收剂循环发生器中流出的浓溶液降压后进入吸收器，吸收由蒸发器产生的冷剂蒸气，形成稀溶液，用泵将稀溶液输送至发生器，重新加热，形成浓溶液。这些过程的作用相当于蒸气压缩式制冷循环中压缩机所起的作用。2024/11/8二、溴化锂吸收式制冷机的特点

1.主要优点（1）利用热能为动力，特别是可利用低势热能。（2）整个机组除功率较小的屏蔽泵外，无其他运动部件，运转安静。（3）以溴化锂水溶液为工质，有利于满足环保的要求。（4）制冷机在真空状态下运行，无高压爆炸危险，安全可靠（5）制冷量调节范围广，可在较宽的负荷内进行制冷量的无级调节。（6）对外界条件变化的适应性强，可在一定的热媒水进口温度、冷媒水出口温度和冷却水温度范围内稳定运转。2024/11/8（1）溴化锂水溶液对一般金属有较强的腐蚀性，会影响机组的正常运行和使用寿命。（2）溴化锂吸收式制冷机的气密性要求高，即使漏入微量的空气也会影响机组的性能，这就对机组制造提出严格的要求。（3）浓度过高或温度过低时，溴化锂水溶液均易形成结晶，防止结晶是溴化锂吸收式制冷机设计和运行中必须注意的重要问题。2.主要缺点2024/11/83.溴化锂吸收式制冷机的主要附加措施（1）防腐蚀措施

在溴化锂水溶液中加入缓蚀剂是一种有效的防腐措施。（2）抽气措施

由于机组内的工作压力远低于大气压力，难免有少量空气渗入，制冷机必须设有抽气设备。（3）防结晶措施

一般在发生器中设有浓溶液溢流管，它不经过换热器而与吸收器的稀溶液相通。2024/11/8三、太阳能吸收式制冷的工作原理

1.什么是太阳能吸收式制冷？

所谓太阳能吸收式制冷，就是利用太阳集热器将水加热，为吸收式制冷机的发生器提供其所需要的热媒水，从而使吸收式制冷机正常运行，达到制冷的目的。2024/11/82.太阳能吸收式空调系统的组成

太阳能吸收式空调系统主要由太阳集热器、吸收式制冷机、空调箱（或风机盘管）、锅炉、储水箱和自动控制系统等组成。太阳能集热器可采用真空管太阳集热器和平板型太阳集热器。前者可提供较高热媒水温度，而后者只能提供较低热媒水温度。热媒水的温度越高，制冷机的性能系数(COP)就越高，空调系统制冷效率就越高。2024/11/8

在夏季，被太阳能集热器加热的热水首先进入储水箱，当热水温度达到一定值时，由储水箱向吸收式制冷机提供热媒水；

从吸收式制冷机流出并已降温的热水流回到储水箱，再由太阳能集热器加热成热水；

当太阳能不足以提供高温热媒水时，可由辅助锅炉补充热量。

吸收式制冷机产生的冷媒水通过储冷水箱送往空调箱（或风机盘管）内蒸发、吸热，以达到制冷空调的目的，之后冷媒水经储冷水箱返回吸收式制冷机。3.太阳能吸收式空调系统的工作原理2024/11/8

当太阳能不能满足要求时，可由辅助燃油锅炉补充热量。

在非空调采暖季节，只要将太阳能集热器加热的热水直接通向生活用储水箱中的热交换器，就可将储水箱中的冷水逐渐加热以供使用。

在冬季，同样先将太阳能集热器加热的热水进入储水箱，当热水温度达到一定值时，由储水箱直接向空调箱（或风机盘管）提供热水，以达到供热采暖的目的。2024/11/8太阳能溴化锂吸收式制冷系统具有夏季制冷、冬季采暖、全年提供生活热水等多项功能，在世界各国应用较为广泛。日本不仅生产大型溴化锂吸收式制冷机，而且还商品化生产多种规格的小型溴化锂吸收式制冷机，有制冷功率为4.6～174KW的系列产品。我国目前尚未实现小型溴化锂吸收式制冷机的商品化生产，在一定程度上限制了太阳能吸收式空调的推广应用。2024/11/8第8章

太阳能制冷技术第四节太阳能蒸汽压缩式制冷系统一、蒸汽压缩式制冷的工作原理Workingprincipleofvaporcompressionrefrigeration二、太阳能蒸汽压缩式制冷系统的工作原理WorkingprincipleofsolarvaporcompressionrefrigerationSolarrefrigerationandairconditioningSolarvaporcompressionrefrigerationsystem一、蒸汽压缩式制冷的工作原理

1.什么是蒸汽压缩式制冷？

蒸汽压缩式制冷是一种传统的制冷方式。它是利用沸点很低的制冷剂相态变化过程所发生的吸放热现象，借助于压缩机的抽吸压缩、冷凝器的放热冷凝、节流阀的节流降压、蒸发器的吸热汽化的循环过程，达到使被冷对象温度下降目的的制冷方法2024/11/8蒸汽压缩式制冷循环2.蒸汽压缩式制冷机的组成蒸汽压缩式制冷机主要由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器等组成，各部分之间用管道连接成一个封闭系统。2024/11/8蒸汽压缩制冷的四要素1、压缩机—蒸汽压缩，抬高蒸汽温度以实现向高温环境散热2、冷凝器—实现散热，达到热量转移的目的3、节流元件—阻隔系统高低压腔，以实现高压冷凝、低压蒸发的效果，同时控制流量4、蒸发器—实现吸热，达到对低温环境制冷的目的2024/11/8压缩机的作用1、获得高压—使制冷剂蒸汽能在高压状态下冷凝为液体；2、获得高温—使制冷剂蒸汽温度高于环境，能将热量自由传递给环境，实现热量转移

气体被压缩，体积减小，分子碰撞几率增加，即内能增加，因此温度升高。如高压打气筒使用过程中温度会升高。2024/11/8压缩机制冷系统的心脏—给制冷系统提供制冷剂循环流动的动力，同时创造一个高压和低压的环境。『故障现象』不启动噪音大『注意事项』防止接线错误防止压缩机电容用错不能空气运行禁止排气堵死吸气开启运行不能敞开长期放置2024/11/8制冷压缩机的分类：2024/11/8图示为制冷压缩机分类及其结构示意简图

2024/11/8涡旋式活塞式转子式2024/11/8活塞连杆式制冷压缩机工作原理2024/11/82024/11/8活塞斜盘式制冷压缩机工作原理2024/11/82024/11/8行星制冷压缩机工作原理2024/11/82024/11/8滚动转子式压缩机30年代美国VILTER公司推出效率高、体积小零件少、重量轻2024/11/8原理：电机旋转带动偏心的活塞在汽缸内旋转，在连续的旋转运动中活塞不断地吸入和压缩气体。图1为吸气过程。图2为压缩过程。图3为排气过程及下一个的吸气过程。图4为排气结束及下一个吸气过程,运动过程较活塞式趋于平稳和连续。有排气阀无吸气阀。压缩机2024/11/8转子转子平衡块曲轴上缸盖汽缸活塞下缸盖叶片压缩机2024/11/82024/11/82024/11/8冷凝器的作用1、转移热量—使高压、高温制冷剂蒸汽能向高温环境自由放热。同时为提高放热量，必须使制冷剂蒸汽液化冷凝为液体，从而释放出大量的潜热。冷凝器向高温环境散热量越大，所获得的制冷量也会越大。

气体被冷凝为液体的温度点与压力有关，R22在正常1个大气压下-41℃冷凝，在20个大气压下51℃冷凝。如打火机气体。2024/11/8自然对流空气冷却空气强制对流氨卧式壳管式氟利昂套管式平行流2024/11/8节流元件的作用1、阻隔高低压—使制冷系统分为高压和低压两个腔体，从而实现高压冷凝放热、低压蒸发吸热。高压低压2024/11/8毛细管热力膨胀阀电子膨胀阀2024/11/8蒸发器的作用1、蒸发吸热获得制冷效果—使低压制冷剂液体在较低环境温度下吸收热量蒸发为气体，从而获得制冷效果，并使制冷剂变为气体后吸入压缩机重复制冷循环。液体被蒸发为气体的温度点与压力有关，R22在正常1个大气压下-41℃蒸发，在6个大气压下7℃蒸发，因此可以从27℃环境中吸收热量达到制冷效果。如制冷剂瓶放气能使瓶子降温。2024/11/8卧式满液式干式壳管式空气强制对流2024/11/83.蒸汽压缩式制冷的工作原理2024/11/827℃40℃室外温度高于室内温度时的制冷循环＞40℃＜27℃2024/11/8二、太阳能蒸汽压缩式制冷的工作原理

1.太阳能蒸汽压缩式制冷与常规蒸汽压缩式制冷的区别

太阳能蒸汽压缩式制冷系统中的压缩机由热机驱动常规蒸汽压缩式制冷系统中的压缩机由电机驱动

2024/11/82.太阳能蒸汽压缩式制冷系统的组成太阳能蒸汽压缩式制冷系统主要由太阳集热器、蒸汽轮机和蒸汽压缩式制冷机等组成，它们分别依照太阳能集热器循环、热机循环和蒸汽压缩式制冷机循环的规律运行。太阳集热器循环由太阳集热器、汽液分离器、锅炉、预热器等组成热机循环由蒸汽轮机、热交换器、冷凝器、泵等组成蒸汽压缩式制冷循环由制冷压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀等组成2024/11/83.太阳能蒸汽压缩式制冷的工作原理太阳能蒸汽压缩式制冷系统工作原理图在太阳集热器循环中，水或其他工质被太阳能集热器加热至高温状态，先后通过气液分离器、锅炉、预热器、分别几次放热，温度逐步降低，最后又进入太阳集热器再进行加热。如此周而复始，使太阳能集热器成为热机循环的热源。

太阳能集热器循环2024/11/8在热机循环中，低沸点工质由气液分离器出来时，压力和温度升高，成为高压蒸汽，推动蒸汽轮机旋转而对外做功，然后进入热交换器被冷却，再通过冷凝器而被冷凝成液体。该液态的低沸点工质又先后通过预热器、锅炉、气液分离器，再次被加热成高压蒸汽。太阳能蒸汽压缩式制冷系统工作原理图

热机循环由此可见，热机循环是一个消耗热能而对外做功的过程。2024/11/8在蒸发器外侧流过的空气被蒸发器吸收其热量，从较热的空气变为较冷的空气，将这较冷的空气送入房间内而达到降温空调的效果。太阳能蒸汽压缩式制冷系统工作原理图

蒸汽压缩式制冷机循环在蒸汽压缩式制冷循环中，蒸汽轮机的旋转带动了制冷压缩机的运行，然后再经过上述蒸汽压缩式制冷机中的压缩、冷凝、节流和汽化等过程，完成制冷机循环。2024/11/8第8章

太阳能制冷技术第五节太阳能空调技术经济分析一、太阳能综合系统与常规能源系统的设备比较二、太阳能综合系统需增加费用的估算三、太阳能替代常规能源消耗费用的估算四、投资回收期估算SolarrefrigerationandairconditioningTechnicalandeconomicanalysisofsolarairconditioningtechnique经济性分析太阳能空调可显著减少常规能源的消耗，大幅降低运行费用太阳能吸收式空调系统可将夏季制冷、冬季采暖和其他季节提供热水三种功能结合起来，做到一机多用、四季常用太阳能集热器在整个太阳能空调系统成本中占有较大比例，造成太阳能空调系统的初始投资偏高2024/11/8一、太阳能综合系统与常规能源系统设备比较

常规能源吸收式空调供热综合系统通常主要由锅炉、交换罐、制冷机、空调箱、通风道、生活用热水箱等组成

太阳能吸收式空调供热综合系统通常主要由太阳集热器、锅炉、储热水箱(交换罐)、制冷机、储冷水箱、空调箱、通风道、生活用热水箱等组成。太阳能空调供热综合系统与常规能源空调供热综合系统相比，在设备方面主要增加了太阳集热器、储冷水箱和控制系统(控制系统的功能包括控制太阳集热器系统的循环以及控制太阳能不足时锅炉的自动启动与切换等)。2024/11/8二、太阳能综合系统需增加费用的估算

以北京市太阳能研究所建立的太阳能吸收式空调及供热综合系统为例，对该系统经济性做分析。该系统的制冷、供热功率为100kW，空调、采暖建筑面积为1000m2，热水供应量(非空调采暖季节)为32m3／天，使用的热管式真空管太阳集热器为540m22024/11/8费用（万元）太阳集热器61.0集热器支架及基础3.2管道（包括水泵和管件等）及保温2.2储冷水箱4.0安装、运输等5.0控制系统9.0其他3.0合计86.42024/11/8三、太阳能替代常规能源消耗费用的估算1

采暖期消耗常规能源费用的估算

设定冬季平均环境温度为-2℃(指目前太阳能系统的安装地)，若达到室内平均温度18℃，则所需蒸汽量为197.25吨／月。蒸汽价格85元／吨。按采暖期3.5个月计算。

采暖期耗能费用为：85元×197.25×3.5＝58682元2

空调期消耗常规能源费用的估算

根据经验数据，一般空调负荷是采暖负荷的1.5倍。按空调期3个月计算。

空调期耗能费用为：85元×197.25×1.5×3＝75448元2024/11/8三、太阳能替代常规能源消耗费用的估算3

生活热水常规能源消耗费用的估算

设春秋两季每天产生45℃的热水32m3，若自来水温度13℃，则使用期所需要热量为707436×108kJ，换算成耗电量为196510度。每度电费0.60元。按使用期5.5个月计算。

生活热水耗能费用为：0.60元×196510＝117906元4太阳能替代常规能源消耗费用的估算

以上三项全年总费用为：58682+75448+117906=252036

若按太阳能保证率60％计算，则太阳能替代常规能源消耗费用合计为：252036×

60%=151222元2024/11/8四、投资回收期估算

投资回收期为：864000/151222＝5.7年

从经济