太陽(yáng)能空調(diào)與熱泵技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用

　　摘 要：當(dāng)前日益增長(zhǎng)的建筑能耗需求與“雙碳”目標(biāo)背道而馳，通過新型節(jié)能技術(shù)降低建筑能耗勢(shì)在必行。太陽(yáng)能空調(diào)與熱泵技術(shù)，可細(xì)分為光熱與光伏驅(qū)動(dòng)的供熱制冷技術(shù)，是將太陽(yáng)能與建筑供能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能規(guī)模化應(yīng)用的潛在發(fā)展途徑。對(duì)目前太陽(yáng)能供熱制冷主要技術(shù)路線進(jìn)行總結(jié)，主要有熱驅(qū)動(dòng)的吸收式制冷/熱泵循環(huán)、吸附式制冷、除濕空調(diào)，電驅(qū)動(dòng)的光伏空調(diào)、直膨式熱泵、光伏/光熱一體化(PVT)熱泵等，并對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)展做簡(jiǎn)要介紹。太陽(yáng)能空調(diào)與熱泵技術(shù)近年來在能效提升、驅(qū)動(dòng)溫區(qū)擴(kuò)展與環(huán)境適應(yīng)性增強(qiáng)等方面取得進(jìn)展，未來可進(jìn)一步結(jié)合建筑用能需求提高系統(tǒng)供能多樣性，利用太陽(yáng)能推動(dòng)建筑用能的綠色化轉(zhuǎn)型。

　　關(guān)鍵詞：“雙碳”目標(biāo);太陽(yáng)能空調(diào);太陽(yáng)能熱泵;吸收式循環(huán);除濕空調(diào);PVT熱泵

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

　　0 引言

　　太陽(yáng)能分布廣泛，是對(duì)應(yīng)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(jié)合，既符合目前建筑節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)，也是太陽(yáng)能規(guī)模化利用的有效途徑。在碳達(dá)峰、碳中和背景下，太陽(yáng)能與建筑節(jié)能相結(jié)合符合當(dāng)前低碳發(fā)展的戰(zhàn)略。然而，由于太陽(yáng)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(yáng)能供熱制冷穩(wěn)定、高效的難題，是提高太陽(yáng)能在建筑能源體系中貢獻(xiàn)率的關(guān)鍵所在[1-2]。

　　太陽(yáng)能集熱是影響太陽(yáng)能空調(diào)與熱泵技術(shù)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(duì)于中高溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)的太陽(yáng)能空調(diào)與熱泵技術(shù)，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的制冷供熱效率受限于集熱效率[3]。

　　對(duì)于太陽(yáng)能制冷，夏季太陽(yáng)輻照強(qiáng)度高，因此集熱溫度與集熱效率較高，而冬季太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度低，其集熱溫度與集熱效率受到限制，進(jìn)而影響太陽(yáng)能供熱制冷的轉(zhuǎn)化效率與穩(wěn)定。發(fā)展太陽(yáng)能空調(diào)與熱泵技術(shù)，提高太陽(yáng)能集熱全年運(yùn)行效率，提升太陽(yáng)能在建筑能源體系中的貢獻(xiàn)率，是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者正在探索研究的方向。

　　1 太陽(yáng)能空調(diào)與熱泵主要技術(shù)途徑

　　太陽(yáng)能應(yīng)用于建筑供熱制冷有 2 種利用方式，光熱與熱驅(qū)動(dòng)空調(diào)(熱泵)相結(jié)合或光伏發(fā)電與蒸汽壓縮式空調(diào)(熱泵)相結(jié)合，目前太陽(yáng)能熱驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)空調(diào)與熱泵主要技術(shù)途徑分別如圖 1、圖 2 所示。

　　在太陽(yáng)能熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)方面，可根據(jù)制冷循環(huán)與冷卻環(huán)境是否存在質(zhì)量交換分為閉式制冷循環(huán)或開式除濕循環(huán)。

　　1. 1 太陽(yáng)能熱驅(qū)動(dòng)供熱制冷技術(shù)

　　吸收式制冷是目前最為成熟且應(yīng)用最多的熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)。根據(jù)《〈蒙特利爾議定書〉的基加利修正案》，當(dāng)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(dāng)前發(fā)展需要的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，科學(xué)界和商業(yè)界都在大力開發(fā)太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)。與其他太陽(yáng)能制冷技術(shù)相比，吸收式制冷機(jī)熱力性能系數(shù)(COPth)更高，其單效循環(huán)驅(qū)動(dòng)溫度為80~100 ℃，對(duì)應(yīng)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(dá)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(qū)動(dòng)熱源溫度需達(dá)到 180 ℃以上，實(shí)際運(yùn)用中 LiBr-H2O工質(zhì)對(duì)在高溫工況下的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)極大，且對(duì)銅管的腐蝕性增強(qiáng)，因此目前三效循環(huán)幾乎沒有商業(yè)應(yīng)用[4]，雖然半效循環(huán)驅(qū)動(dòng)熱源溫度最低，但 COPth也僅有單效循環(huán)的一半，因而對(duì)發(fā)生熱量的消耗量較高[5]，近年又有學(xué)者提出變效吸收(1. N 效)循環(huán)，其驅(qū)動(dòng)熱源溫度介于單效與雙效之間，COP 則隨驅(qū)動(dòng)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(nèi)部回?zé)幔瑢?duì)外部輸入熱源總量要求不高，但其驅(qū)動(dòng)溫度需達(dá)到接近雙效循環(huán)同等的溫度水平，且由于其高低壓側(cè)溶液濃度差范圍極大，因而不適用于使用 LiBrH2O 工質(zhì)對(duì)(易結(jié)晶)，而使用 NH3-H2O 工質(zhì)對(duì)則需增設(shè)精餾器，導(dǎo)致制冷性能不及 LiBr-H2O 工質(zhì)對(duì)，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(nèi)部回?zé)嵋蕴岣咧茻嵝阅躘7]。

　　由于蒸汽噴射式能效較低，且噴射器運(yùn)行范圍受限于設(shè)計(jì)工況，存在較少應(yīng)用案例。硅膠-水吸附機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shì)，COPth也相對(duì)較低，目前已有小批量生產(chǎn)。硅膠-水吸附機(jī)在建筑太陽(yáng)能空調(diào)、太陽(yáng)能低溫儲(chǔ)糧系統(tǒng)獲得應(yīng)用[8]。

　　開式除濕循環(huán)，主要有溶液除濕、除濕轉(zhuǎn)輪和除濕換熱器技術(shù)，這幾種技術(shù)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(shí)現(xiàn)無水除濕，通常與常規(guī)壓縮式空調(diào)結(jié)合，分別處理熱濕負(fù)荷，通過熱濕解耦處理提高壓縮式空調(diào)蒸發(fā)溫度，達(dá)到能效提升的目的。

　　1. 2 太陽(yáng)能電驅(qū)動(dòng)供熱制冷技術(shù)

　　太陽(yáng)能熱驅(qū)動(dòng)供熱技術(shù)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(qū)動(dòng)溫度和能效水平上略有差異，該類型循環(huán)通過輸入高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩传@得大量的中溫?zé)崃?第二類吸收式熱泵則通過使用大量的中溫?zé)崃揩@得更高品位的熱量輸出，亦稱為升溫型熱泵。

　　太陽(yáng)能電驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)，通過光伏組件發(fā)電，用于驅(qū)動(dòng)壓縮式制冷機(jī)，為了保證穩(wěn)定供冷與提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，通常與蓄冰或蓄電裝置結(jié)合。太陽(yáng)能熱+電驅(qū)動(dòng)供熱技術(shù)，通過熱電耦合供熱，主要有太陽(yáng)能熱驅(qū)動(dòng)蒸汽壓縮式熱泵，太陽(yáng)能直膨式熱泵，以及太陽(yáng)能光伏/光熱一體化(PVT)熱泵。太陽(yáng)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(shí)提高熱泵供熱能效，實(shí)現(xiàn)高效的熱電聯(lián)產(chǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外研究太陽(yáng)能利用技術(shù)學(xué)者重點(diǎn)聚焦的技術(shù)。

　　2 太陽(yáng)能空調(diào)與熱泵技術(shù)進(jìn)展

　　近年來，太陽(yáng)能空調(diào)與熱泵技術(shù)在能效提升、驅(qū)動(dòng)溫區(qū)與環(huán)境適應(yīng)性擴(kuò)展等技術(shù)要點(diǎn)上有了進(jìn)一步突破，相關(guān)總結(jié)與對(duì)比見表1。

　　2. 1 變效 (1. N效) 溴化鋰吸收式制冷機(jī)組

　　上海交通大學(xué)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(jìn)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(duì)第二低壓發(fā)生器進(jìn)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(diào)節(jié)分流溶液的質(zhì)量比：當(dāng)高壓發(fā)生器溫度足夠高時(shí)，溶液更多流入高壓發(fā)生器，系統(tǒng)逐漸進(jìn)化為雙效循環(huán);當(dāng)熱源溫度足夠低時(shí)，退化為單效循環(huán)，實(shí)現(xiàn)變效的目的[6]。

　　2. 2 單效風(fēng)冷絕熱吸收閃蒸制冷機(jī)組

　　上海交通大學(xué)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(fēng)冷絕熱吸收閃蒸制冷機(jī)組，如圖6所示，實(shí)現(xiàn)了吸收式制冷機(jī)組的小型化和風(fēng)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并解決了風(fēng)冷散熱的高結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)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(jī)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(fēng)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(shè)置而降低系統(tǒng)成本。系統(tǒng)在環(huán)境空氣溫度為29~35 ℃時(shí)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(diào)系統(tǒng)

　　除濕換熱器是一種內(nèi)冷式除濕技術(shù)，通過在換熱器表面涂敷固體干燥劑的方式實(shí)現(xiàn)近似等溫除濕過程，克服除濕過程吸附熱效應(yīng)，降低再生熱量品位要求。Zhao 等[10]提出 2 個(gè)除濕換熱器之間冷/ 熱水的自動(dòng)切換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)除濕/再生運(yùn)行，驗(yàn)證除濕換熱器技術(shù)的系統(tǒng)化和實(shí)用化設(shè)計(jì)，使用冷卻塔和太陽(yáng)能集熱器分別提供除濕/再生過程的冷/ 熱水需求，通過風(fēng)道和水路切換實(shí)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(dá)到 5. 08 g/kg DA(g 水/kg 干空氣)和 0. 34 左右，該系統(tǒng)對(duì)熱水的溫度需求低至 50 ℃左右，降低除濕空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)熱源溫度。

　　2. 4 熱泵/太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)溴化鋰濃度差蓄冷/制冷循環(huán)

　　為提高吸收制冷系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能利用的靈活性與電能利用的經(jīng)濟(jì)性，學(xué)者提出一種由熱泵和太陽(yáng)能共同驅(qū)動(dòng)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(chǔ)能方式規(guī)避常規(guī)顯熱蓄能的熱損效應(yīng)。在太陽(yáng)能條件良好時(shí)，多余的太陽(yáng)能熱能以濃溶液與冷劑水的形式儲(chǔ)存，需釋冷時(shí)再通過冷劑水蒸發(fā)被濃溶液吸收;太陽(yáng)能條件不佳時(shí)，由熱泵滿足吸收循環(huán)的發(fā)生熱量與冷凝排熱以進(jìn)行制冷或蓄冷，尤其對(duì)于夜間低谷電價(jià)時(shí)段，熱泵驅(qū)動(dòng)具有更好的經(jīng)濟(jì)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(yáng)能熱泵

　　直膨式太陽(yáng)能熱泵主要由集熱/蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器與膨脹閥組成，將太陽(yáng)能集熱器與熱泵蒸發(fā)器直接耦合，工質(zhì)通過在集熱/蒸發(fā)器中吸收太陽(yáng)能和空氣能以提高蒸發(fā)溫度，可在太陽(yáng)輻照下獲得比空氣源熱泵更好的供熱性能，直膨式太陽(yáng)能熱泵原理如圖9所示。現(xiàn)有的直膨式太陽(yáng)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(yáng)能，陳道川[12]通過整板結(jié)構(gòu)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(yàn)驗(yàn)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(shí) COPele為 4. 47。經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的集熱/蒸發(fā)器已應(yīng)用于上海華漕養(yǎng)老院大型直膨式太陽(yáng)能熱泵工程中，該工程設(shè)計(jì)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(yáng)能集熱器陣列的集熱系統(tǒng)，直膨式太陽(yáng)能熱泵可同時(shí)使用環(huán)境空氣熱量、太陽(yáng)能熱量與電能3種能源驅(qū)動(dòng)，在滿足相同生活熱水熱量需求時(shí)可使用更少的太陽(yáng)能集熱面積，且供能穩(wěn)定性更優(yōu)。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　太陽(yáng)能空調(diào)與熱泵技術(shù)是可再生能源與建筑用能需求緊密結(jié)合的綜合技術(shù)，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(yáng)能空調(diào)與熱泵技術(shù)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(yáng)能轉(zhuǎn)化效率，而忽視了建筑用能多樣性對(duì)系統(tǒng)供能的要求。未來的發(fā)展方向之一是太陽(yáng)能空調(diào)與熱泵的供能多樣性及氣候適應(yīng)性上的推進(jìn)，利用太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全年利用太陽(yáng)能高效供能，并進(jìn)一步縮小系統(tǒng)尺寸，降低初投資，通過模塊化設(shè)計(jì)使系統(tǒng)與建筑一體化相匹配，提高系統(tǒng)規(guī)模化應(yīng)用的可行性。