太阳能空调与热泵技术进展及应用

　　摘 要：当前日益增长的建筑能耗需求与“双碳”目标背道而驰，通过新型节能技术降低建筑能耗势在必行。太阳能空调与热泵技术，可细分为光热与光伏驱动的供热制冷技术，是将太阳能与建筑供能相结合，实现太阳能规模化应用的潜在发展途径。对目前太阳能供热制冷主要技术路线进行总结，主要有热驱动的吸收式制冷/热泵循环、吸附式制冷、除湿空调，电驱动的光伏空调、直膨式热泵、光伏/光热一体化(PVT)热泵等，并对相关技术的研究进展做简要介绍。太阳能空调与热泵技术近年来在能效提升、驱动温区扩展与环境适应性增强等方面取得进展，未来可进一步结合建筑用能需求提高系统供能多样性，利用太阳能推动建筑用能的绿色化转型。

　　关键词：“双碳”目标;太阳能空调;太阳能热泵;吸收式循环;除湿空调;PVT热泵

　　陈尔健; 贾腾; 姚剑; 代彦军， 华电技术 发表时间：2021-11-15

　　0 引言

　　太阳能分布广泛，是对应用选址要求较低的一种可再生能源，将其与建筑用能需求相结合，既符合目前建筑节能的发展趋势，也是太阳能规模化利用的有效途径。在碳达峰、碳中和背景下，太阳能与建筑节能相结合符合当前低碳发展的战略。然而，由于太阳能的间歇性与季节性，与建筑稳定的用能需求存在矛盾，如何解决太阳能供热制冷稳定、高效的难题，是提高太阳能在建筑能源体系中贡献率的关键所在[1-2]。

　　太阳能集热是影响太阳能空调与热泵技术的重要环节，集热温度和环境温度的温差是集热效率的主要影响因素，对于中高温热源驱动的太阳能空调与热泵技术，太阳能转化的制冷供热效率受限于集热效率[3]。

　　对于太阳能制冷，夏季太阳辐照强度高，因此集热温度与集热效率较高，而冬季太阳能辐照强度低，其集热温度与集热效率受到限制，进而影响太阳能供热制冷的转化效率与稳定。发展太阳能空调与热泵技术，提高太阳能集热全年运行效率，提升太阳能在建筑能源体系中的贡献率，是目前国内外学者正在探索研究的方向。

　　1 太阳能空调与热泵主要技术途径

　　太阳能应用于建筑供热制冷有 2 种利用方式，光热与热驱动空调(热泵)相结合或光伏发电与蒸汽压缩式空调(热泵)相结合，目前太阳能热驱动和电驱动空调与热泵主要技术途径分别如图 1、图 2 所示。

　　在太阳能热驱动制冷技术方面，可根据制冷循环与冷却环境是否存在质量交换分为闭式制冷循环或开式除湿循环。

　　1. 1 太阳能热驱动供热制冷技术

　　吸收式制冷是目前最为成熟且应用最多的热驱动制冷技术。根据《〈蒙特利尔议定书〉的基加利修正案》，当前需减少高全球变暖潜能值(GWP)制冷剂的使用来降低温室气体排放，吸收式制冷系统通常使用 H2O 和 NH3等天然制冷剂，是符合当前发展需要的一个重要优势，科学界和商业界都在大力开发太阳能吸收式制冷系统。与其他太阳能制冷技术相比，吸收式制冷机热力性能系数(COPth)更高，其单效循环驱动温度为80~100 ℃，对应的COPth 为 0. 6~0. 8，双效循环利用高压发生器发生蒸汽的冷凝热量为低压发生器提供发生热量，可使COPth达到 0. 9~1. 3(热源温度 140~160 ℃)，虽然在三效循环的 COPth可提升至 1. 7(热源温度 180~220 ℃)，但由于驱动热源温度需达到 180 ℃以上，实际运用中 LiBr-H2O工质对在高温工况下的结晶风险极大，且对铜管的腐蚀性增强，因此目前三效循环几乎没有商业应用[4]，虽然半效循环驱动热源温度最低，但 COPth也仅有单效循环的一半，因而对发生热量的消耗量较高[5]，近年又有学者提出变效吸收(1. N 效)循环，其驱动热源温度介于单效与双效之间，COP 则随驱动温度升高连续提升，解决了单效循环热源温度提升性能无法持续增大，使㶲损失较大的缺陷[6]。

　　“ 发 生 器 - 吸 收 器 热 交 换 ”循 环(Generator Absorber Heat Exchange，GAX)采用循环内部回热，对外部输入热源总量要求不高，但其驱动温度需达到接近双效循环同等的温度水平，且由于其高低压侧溶液浓度差范围极大，因而不适用于使用 LiBrH2O 工质对(易结晶)，而使用 NH3-H2O 工质对则需增设精馏器，导致制冷性能不及 LiBr-H2O 工质对，因而GAX循环目前尚无在制冷循环上使用，均利用其吸收器中较大的相变温度滑移特性用于制热循环内部回热以提高制热性能[7]。

　　由于蒸汽喷射式能效较低，且喷射器运行范围受限于设计工况，存在较少应用案例。硅胶-水吸附机驱动温度相比吸收式更低，在低品位热源高效利用上存在优势，COPth也相对较低，目前已有小批量生产。硅胶-水吸附机在建筑太阳能空调、太阳能低温储粮系统获得应用[8]。

　　开式除湿循环，主要有溶液除湿、除湿转轮和除湿换热器技术，这几种技术通过吸湿材料(盐溶液或干燥剂)界面处与处理空气之间的水蒸气分压力差从空气中吸附水蒸气实现无水除湿，通常与常规压缩式空调结合，分别处理热湿负荷，通过热湿解耦处理提高压缩式空调蒸发温度，达到能效提升的目的。

　　1. 2 太阳能电驱动供热制冷技术

　　太阳能热驱动供热技术围绕第一类吸收式热泵及其循环的各种变式，包括再吸收式热泵和GAX 吸收式热泵等，在热驱动温度和能效水平上略有差异，该类型循环通过输入高温热源与低温热源获得大量的中温热量;第二类吸收式热泵则通过使用大量的中温热量获得更高品位的热量输出，亦称为升温型热泵。

　　太阳能电驱动制冷技术，通过光伏组件发电，用于驱动压缩式制冷机，为了保证稳定供冷与提高运行经济性，通常与蓄冰或蓄电装置结合。太阳能热+电驱动供热技术，通过热电耦合供热，主要有太阳能热驱动蒸汽压缩式热泵，太阳能直膨式热泵，以及太阳能光伏/光热一体化(PVT)热泵。太阳能 PVT热泵通过热泵系统为PV板降温提高发电效率，同时提高热泵供热能效，实现高效的热电联产，是目前国内外研究太阳能利用技术学者重点聚焦的技术。

　　2 太阳能空调与热泵技术进展

　　近年来，太阳能空调与热泵技术在能效提升、驱动温区与环境适应性扩展等技术要点上有了进一步突破，相关总结与对比见表1。

　　2. 1 变效 (1. N效) 溴化锂吸收式制冷机组

　　上海交通大学提出一种 1. N 效吸收式循环，如图4所示。该循环采用吸收-发生热耦合方式，其中低压吸收器出口溶液分流后，分别进入高压吸收器和高压发生器。利用高压吸收器的吸收热，对第二低压发生器进行加热，该循环根据高压发生器的发生温度变化调节分流溶液的质量比：当高压发生器温度足够高时，溶液更多流入高压发生器，系统逐渐进化为双效循环;当热源温度足够低时，退化为单效循环，实现变效的目的[6]。

　　2. 2 单效风冷绝热吸收闪蒸制冷机组

　　上海交通大学与山东禄禧新能源科技有限公司合作研发出一种单效风冷绝热吸收闪蒸制冷机组，如图6所示，实现了吸收式制冷机组的小型化和风冷结构设计，并解决了风冷散热的高结晶风险问题。考虑到直膨式蒸发器不适合用于以水作为制冷剂的吸收式机组，为解决二次换热损失引入绝热闪蒸流程以提高蒸发温度，从而提高风冷溴化锂吸收式循环制冷COPth，且节约了降膜蒸发器和冷剂水循环泵的设置而降低系统成本。系统在环境空气温度为29~35 ℃时可正常工作，COPth为0. 64~0. 76，可提供4. 6~5. 3 kW的制冷量[9]。

　　2. 3 采用除湿换热器的连续型除湿空调系统

　　除湿换热器是一种内冷式除湿技术，通过在换热器表面涂敷固体干燥剂的方式实现近似等温除湿过程，克服除湿过程吸附热效应，降低再生热量品位要求。Zhao 等[10]提出 2 个除湿换热器之间冷/ 热水的自动切换实现系统的连续除湿/再生运行，验证除湿换热器技术的系统化和实用化设计，使用冷却塔和太阳能集热器分别提供除湿/再生过程的冷/ 热水需求，通过风道和水路切换实现除湿/再生模式的互相切换，系统原理如图 7 所示。系统平均除湿量和 COPth 分别可达到 5. 08 g/kg DA(g 水/kg 干空气)和 0. 34 左右，该系统对热水的温度需求低至 50 ℃左右，降低除湿空调系统的驱动热源温度。

　　2. 4 热泵/太阳能驱动溴化锂浓度差蓄冷/制冷循环

　　为提高吸收制冷系统对太阳能利用的灵活性与电能利用的经济性，学者提出一种由热泵和太阳能共同驱动的溴化锂浓度差蓄冷/制冷循环，循环原理如图 8 所示，通过溴化锂溶液的浓度差储能方式规避常规显热蓄能的热损效应。在太阳能条件良好时，多余的太阳能热能以浓溶液与冷剂水的形式储存，需释冷时再通过冷剂水蒸发被浓溶液吸收;太阳能条件不佳时，由热泵满足吸收循环的发生热量与冷凝排热以进行制冷或蓄冷，尤其对于夜间低谷电价时段，热泵驱动具有更好的经济性。这种浓度差蓄能方式蓄能密度约为水蓄冷方式的13. 4倍，即 使 考 虑 系 统 容 积 其 蓄 能 密 度 也 高 于 冰 蓄 冷系统[11]。

　　2. 5 直膨式太阳能热泵

　　直膨式太阳能热泵主要由集热/蒸发器、压缩机、冷凝器与膨胀阀组成，将太阳能集热器与热泵蒸发器直接耦合，工质通过在集热/蒸发器中吸收太阳能和空气能以提高蒸发温度，可在太阳辐照下获得比空气源热泵更好的供热性能，直膨式太阳能热泵原理如图9所示。现有的直膨式太阳能热泵使用常规集热/蒸发器表面温度分布不均匀，过热区域大，平均板温与蒸发温度的差值很大，冷媒在集热/ 蒸发器中未能充分利用整板吸收的太阳能，陈道川[12]通过整板结构及六边形流道单元优化提高均温性并减小流道压损，经试验验证整板传热效果显著提高，平均温度略低于环境温度，上海冬季白天良好工况下平均辐照度为 732 W/m2 、平均环境温度为 14 ℃时 COPele为 4. 47。经结构优化的集热/蒸发器已应用于上海华漕养老院大型直膨式太阳能热泵工程中，该工程设计制热功率 110 kW，为养老院提供全年生活热水。相比常规太阳能集热器阵列的集热系统，直膨式太阳能热泵可同时使用环境空气热量、太阳能热量与电能3种能源驱动，在满足相同生活热水热量需求时可使用更少的太阳能集热面积，且供能稳定性更优。

　　3 结束语

　　太阳能空调与热泵技术是可再生能源与建筑用能需求紧密结合的综合技术，在碳中和背景下具有极大的建筑用能减排潜力。近年来，太阳能空调与热泵技术主要聚焦于系统单一供能(供热或制冷)上的能效提升与太阳能转化效率，而忽视了建筑用能多样性对系统供能的要求。未来的发展方向之一是太阳能空调与热泵的供能多样性及气候适应性上的推进，利用太阳能满足建筑夏季制冷、冬季供热及全年生活热水的用能需求，实现系统全年利用太阳能高效供能，并进一步缩小系统尺寸，降低初投资，通过模块化设计使系统与建筑一体化相匹配，提高系统规模化应用的可行性。