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太阳能供电的冷却系统：工业制冷和空调应用技术经济分析

在过去几年中，人们对空调需求的不断增长已经引起了对一次能源资源需求的显著增长。太阳能制冷通过使用可再生的太阳能源制冷，相比于传统空调装置太阳能制冷是一种重要的节约能源的制冷方式。本文介绍了太阳能制冷不同的技术设备，其操作，优点和限制。本研究的目标是分析太阳能吸收式制冷系统的技术和经济可行性，为两个不同应用领域：工业制冷和空调设计制冷系统。替换或整合空调系统的可能性的研究是建立在一家公司对于在肉类生产工作的制冷需求，以及一家位于意大利的一个旅游小镇的旅馆供暖和制冷的需求。在第一种情况下，该系统包括耦合到太阳能平板集热器的吸收式制冷机，而第二应用是混合三联产技术，被称为热太阳能三联产，这项操作将使得用于制冷和供暖的能源形式更加灵活，旅馆就是个很好的例子。通过这种方式，作者可以比较建立在现存用户的不同的技术和经济实验分析不同的结果，并评估不同方式的优缺点以此为研究的两个案例提出最好的解决方式。

1.前言

我们的能源消耗的大约80％的来自化石燃料，而化石能源是不可再生的资源。这就是为什么一些立法和研究活动的目的在于研究系统能量利用，这导致了能量节约率的提高和对可再生能量利用的提高[1]，在合理利用能源的方案下，其中合理利用能源被定义为对可得到的能量的来源的利用以分配必须的能量给转型过程，同时避免生产水平和/或生活质量的恶化;其主要目的是减少与能量转换相关的损失，减少成本和对环境的影响。合理利用能源，减少化石燃料的消耗，减少电力和污染物排放可以带来经济和环境效益。

由于建筑物内较高舒适条件的需求，空调需求在近年来已经增加。这导致了基于压缩技术的空调系统的广泛应用，从而导致夏天电力需求高峰的显著增加，在许多情况下，电网的容量是有限制的，这导致了电力管制风险的增加。

图1显示能源需求在这几年的增长情况。在过去的30年中，特别是在过去十年中，研究工作主要集中在发展环境友好型空调系统，环境友好型空调系统是基于利用太阳能的创新技术。几种技术目前已经可以利用，在这当中，我们特别关注混合三联产系统和太阳能制冷设备[2-6]。

2.技术

2.1太阳能制冷

传统上用于夏季室调理技术是基于蒸汽压缩制冷，消耗机械能以制冷。太阳能制冷（后来被称为SC）是太阳能热利用技术，仍处于初级发展阶段，与传统空调系统相比通过利用太阳能制冷可以显著节约能量。这也是由于主制冷需求能够在最大的太阳辐射的时刻所覆盖的事实。在一个热力循环中太阳能可以用于提供热量，并可以制取不同温度的冷水（取决于工厂的功率），不同温度的冷水可以既可以应用于工业制冷过程也可以应用于空调，相比于传统制冷方式，太阳能制冷可以节省95%的电能，其主要消耗的电能是驱动一些泵和连接装置。太阳能制冷技术可以只用于制冷，也可以和传统的太阳能利用方式结合，如工业上加热水、用于卫生和加热。太阳能制冷装置对于减少电力高峰的需求量也十分重要，并减少了由于电力高峰带来的限电的可能性，此外，太阳辐射可以提供太阳能制冷装置足够的能量。

一个太阳能制冷装置的安装如图2 所示。

太阳能空调制冷设备可大致分为两大类：开放系统，也被称为DEC（干燥剂冷却）统，该系统所有的空气进行处理，也被称为冷却除湿系统，适用于需要强制通风的大型建筑物。在封闭系统中，由冷却装置生产的冷水，通常在空调系统中用来对空气处理单元（后面称为AHU）进行冷却和除湿操作。或者，水被管道网络传送到每个空调房间（例如风机盘管）的加热单元。最常用的制冷机是吸收式或吸附式制冷机。这种系统既适用于大型建筑也适用于小的用户。全部利用太阳能的系统和有辅助的太阳能系统相比，全部利用太阳能的系统只能利用太阳能，没有任何综合贡献，有辅助的太阳能系统中，太阳能空调系统与蒸汽压缩式制冷机相结合。

太阳能制冷相比于传统的空调系统有很多优势：特别是对于一次能源的节省，如柴油和天然气;采用无毒的工作流体，例如水和盐水溶液（对于溴化物例如锂，溴化锂）;噪音降低，通过吸收式制冷机，其中唯一的运动部件是为了替代传统的压缩机系统而采用的泵。

2.2太阳能热电冷三联产

冬季取暖，最常用的技术是一种燃烧天然气的锅炉。这种市售锅炉模型的效率通常为0.6到0.9，但有个重要的方面不可忽视：污染物的排放例如（一氧化碳，二氧化碳，氮氧化物，未燃烧的碳氢化合物和微粒）。太阳能制冷系统可以在热太阳能三联产系统中使用的，是一种使用三种不同的技术特别是由化石能源供能的内燃机、太阳能集热和吸收式制冷，提供三联产，以便在同一时间供电、加热和冷却（CHCP）与太阳能的利用的混合系统。从太阳能领域的热能集成了从需要一次能源的节约显著（燃料）和减少污染物排放的热电联供的回收的能量;这样做的好处是既为冬季取暖和夏季空调（获得，如所提到的，通过吸收式制冷设备）的应用。混合热太阳能三联产厂的总体方案示于图3。

至于热电冷联产工厂运行，在一年的不同时期，加热和冷却需求往往非常高，将热量从润滑油，水套和发动机的废气中回收不足以满足需求。因此热能的整合是必要的：这可以通过抛物线太阳能聚光器或高温平面收集器捕获太阳直接辐射加热一种热媒介流体实现。如图3所示，由此获得的热量是用来进给温水电路，它供给所述供暖终端单元（冬季）或用于生产冷冻水（夏季空调）的吸收式制冷机。所述技术包括不同部分的使用：在SC的情况下的太阳能电池板和制冷器; 包含内燃机，交流发电机和一个热回收系统的热电联产系统在混合三联产的情况下加入。对于太阳能空调，不像对于其他热利用太阳能系统（温水，加热等），收集器需要在高温下工作，有必要进料和操作制冷设备。对于热能制冷机器，对热媒介流体的操作温度平均高于80℃。因此，提供了吸附或单效吸收式制冷机的工厂配置，捕获选择性表面的平板太阳能集热器仅限于高太阳辐射区域使用。对于其它情况和需要高温操作的制冷设备，高效率的太阳能集热器（例如，真空管集热器）是必要的。典型的吸收式制冷机的冷却功率范围从几十千瓦至几兆瓦（从15kW到5兆瓦）。对于单作用机，热源所需的温度通常高于80℃并且COP的范围在0.6和0.8内。具有两个生成阶段的双效机需要的工作温度高于140℃，并且COP在这些情况下可以达到接近1.2的值。

2.3研究现状

截至2004年底，约70%的 SC设备已经安装在欧洲。如图4所示，大多数在西班牙和德国，其能源政策相比于欧洲其他地区更加促进了可再生能源。目前，使用太阳能集热器进行冷却的示范SC工厂在欧洲有100多个[8]。在意大利，最大的SC工厂安装在瓦洛 - 德拉卢卡尼亚（萨勒诺省），用于调节教廷研讨会的餐厅。此安装设有总面积为139 m 2的42个真空管太阳能集热器和一个单效致冷机YAZAKI WFC10（35冷却千瓦），其工作流体是溴化锂的水溶液。

2.4财务方面

由于现在85％以上的欧洲人口生活和工作在城市内，城市环境的改善成为越来越重要的问题。如果在欧洲城市用好先进的太阳能制冷，潜在的年节能量经过计算接近30-50百万吨油当量。这可以减少来自建筑物业达每年8％二氧化碳排放量，从而促进了欧盟在京都议定书框架下制定的目标[9]。这些系统的建设投资成本比传统的蒸汽压缩式冰箱高得多，经济因素是企业和个人的工厂选择的核心要素。这限制因素已显著降低其重量，最近意大利政府批准了财政规范，其中包括对于开发可再生能源的重要税收减免。对于记录在案的成本，2007年意大利的金融法案和2007年2月19号的部长令，针对既有建筑的能量重新鉴定的干预措施，根据干预的类型提供了在等量分三年进行分配的55％税收优惠（第1条，第344至349页）。这种减免税已经被2008至2010年的意大利财政法案确认。

3.第一个案例：工业制冷

研究的第一部分集中在一个活跃在牛肉和猪肉加工和香肠生产的翁布里亚公司，为了突出应用太阳能冷却以替代或整合现有工业制冷装置的可能性。该办事处和产品加工室都包含在预制钢筋混凝土制作的覆盖区域为3444平方米的矩形建筑物内。空间基于房间的目的进行分割，包括办公室，冷藏室，产品到达和排序室，干燥和熟化室，处理和装运室。每个区域与制造过程相关通过精确的热测湿参数特征化，并通过立法生效（表1）。考虑到维护和设备修理，各种设备装置的服务管道也位于屋顶。冷凝锅炉（82千瓦额定输出）被安装在一个专门的技术室，并使用天然气来产生温水，用于洗涤冷储藏室（经常使用，但不限于周末），以及成熟和干燥设备，并且供给AHU的加热电池（表1）。火电厂配备了热水储罐（约300升）。

3.1安装

安装在公司的设备由几个蒸汽压缩冰箱送入。根据用途的不同，三个主要部分然后被突出：

表格1

——集中冰箱厂（后称中央1），其中集中式蒸气压缩式冷冻机（冷却功率38千瓦，COP等于1.15和33千瓦的安装电功率）可以通过直接放置在冷藏室的用于控制温度和湿度的蒸发器维持所要求的温度（0℃制止细菌生长），外部设置的冷凝器和压缩机（3号，5HP）。蒸发器之间的内部和发送温度的温差固定在10℃。

——中央空调（后称中央2）：一个集中式制冷功率29千瓦的不同压缩冷却机（COP等于1.16和已安装25千瓦的电功率）通过位于屋顶的AHU可以保持在加工室所需要的温度（12℃），冷凝器和压缩机（第2号，4 HP）外部放置。设置为10℃。所有的房间都配备了通风系统，以控制空气纯度。

——干燥和熟化室，为每个房间单独的设备设计和调整。实际上，这些步骤需要连续监测，温度和相对湿度的手动更改根据产品的类型遵循精确的周期。冷却机的集中设备不能使用。在这种情况下，在室内AHU和压缩机被直接放置在一特殊壁单位内，而冷凝器位于外部。关于通风干燥（AV），机器实现了热回收：同时需要温水和冷水加湿，第一是由冷生成器（压缩机）回收。AV机器需要温水每周8小时，而其他成熟机器总是需要热水，除湿是必要的。所有的干燥和成熟机器都配备了大型供热电池，这允许使用40℃的温水。成熟室设有换气系统（换气率，ACH = 30）以避免高浓度的氨（这阻止生物过程），导致发酵过程。

3.2工厂设计解决方案

更换中央1在技术上并不可行的，因为在市场和在这种情况下（38千瓦的中央冷却功率）有用的吸收式制冷机不能够达到那些要求在工厂里用于保持内部温度约0℃的温度。

对于中央2，设置比前一个高的温度，由太阳能场与现有冷凝锅炉一起混合的系统产生90℃热水供给，能够评价吸收式制冷机中的应用。该设备SC包括：

• 用于生产5℃冷冻水的用热水供给的溴化锂水溶液吸收式制冷机，其大小接近现有系统（冷却功率35 kW的）；
• 太阳能场通过允许达到约等于80℃水温的真空管集热器来实现;温水供给是不连续的，因为它取决于太阳辐射和季节变化，从而使水被储存在罐中，与冷凝锅炉产生的热水适当混合，向吸收式制冷机源源不断发送90℃的水。

这种应用在技术上是可行的，但它需要考虑以下几个方面：

• 通常考虑蒸发器的大小，温差必须降低到达12℃（进入房间）。输入冷却水的温度等于5℃，因此我们考虑= 7℃代替常规的10℃；这在技术上是可行的，但它需要与那些房间更换大的蒸发器。
• 管道的更换，其中目前循环的制冷剂和将在吸收式制冷机中循环的冷却水溶液。
• 更多的水箱，温水积累使体积增加;我们估计每平方米安装板约70升。
• 屋顶安装的太阳能板必须在吸附式制冷机需要的基础上设计：估计已安装的制冷功率每千瓦约3平方米板。
• 例如在用水量显著增加时，冷却塔是加上吸收式制冷机，设置在建筑物的外部，取代现有的压缩机和冷凝器。
• 在干燥和成熟独立的单元太阳能“间接”冷却的情况下，可以认为：热水由平板太阳能集热器供应，能够（加热电池在40°C）达到这一阶段所需的温度;在这种情况下，规划也可以考虑在温暖卫生用水要求（包括机器和表面清洗）和液压回路不会发生变化。

3.3技术和经济可行性

假设35千瓦（冷却功率）的吸收式制冷机取代中央2，它需要一个温度在85℃和105℃范围内的热水供给。安装约为90平方米总表面（约3平方米面板供用户所需的冷却功率，倾斜35，方位角0的每千瓦）和由高效真空管集热器构成的太阳能板能够达到机组运行所需的温度，这些值就可以达到。从冷凝器来的热水为了再次使用将被冷却。该系统配备有86千瓦热负荷的湿式冷却塔，并配有离心风扇，以支持制冷系统的运行。这些设备的主要技术特征总结于表2中。太阳能收集器产生的热能被总结在表3和图5，并且取决于每月太阳辐射，通过统计数据对意大利领土的估计，以及收集器的效率曲线。

表4包含了所有的部件和它们的成本。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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