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太阳能热空调技术综述
摘要
太阳能冷却是应对气候变化的一个很好的例子。在这篇文章中，我们概述了太阳能热操作冷却技术的工作原理，并从最新的出版物中综述了这些技术的进展。对太阳能吸收循环的重新研究研究了新的制冷剂对和各种系统结构，这些结构可以提高太阳能的比例和延长循环操作。太阳能吸附循环的研究主要集中在开发和测试各种吸附冷冻剂对，改善循环组件，提高系统效率。针对喷射器的工作循环，许多研究集中于利用计算机模型和实验工作来研究喷射器的性能，并找出影响其工作的关键参数。虽然对太阳能热冷却技术进行了大量的研究，但其整体效率低于蒸汽压缩循环效率。因此，提高太阳能热电制冷技术的效率是未来研究的重要课题。
- 太阳能空调技术的合成
1.1介绍
根据美国国家能源局(2012)的数据，从2010年到2035年，世界能源需求将增长35%。这种增长与世界人口增长和经济增长有关。特别是在发展中国家，能源需求的增加导致更多的温室气体排放和加速全球变暖。2012年，美国的平均气温比正常水平高出3.2摄氏度。更炎热的天气和经济增长将导致更多的空调系统的使用，并有助于加速能源需求。反对人类活动的不利影响的一个积极趋势是可再生能源的扩大能源使用。通过许多国家政府政策的支持，可再生能源(特别是太阳能和风能)正在扩大其在发电中主要能源使用的份额。美国国家能源署(2012)预测，到2035年，可再生能源发电量将增长三倍，达到总发电量的31%。
与此同时，解决全球能源需求增长和气候变化的一个解决方案将是利用可再生能源来提供制冷，而不是使用化石燃料的空调系统，使太阳能制冷技术对我们的未来非常重要。Hwang et al.(2008)根据2007年以前发表的文献综述了各种太阳能制冷技术，并将其分为三组，如图1所示。由于利用太阳能电冷却是非常直接的，本文提供了概述太阳能热操作咕咕技术的工作原理，并根据2008年以来的出版物综述了此类技术的进展。如图1所示，太阳热循环主要有三个周期，操作冷却技术分为开循环、闭循环和热机械循环。
图1.1太阳能冷却技术选项
- 太阳热冷却技术
本文从这三种系统的工作原理出发，对这三种系统进行了描述，以便于读者了解循环的运行情况。然后对这些技术的最新进展进行了总结。应该指出这一点，评审决不是全面的，因为每个周期都可以作为单独的评审论文的主题。在本文中，对这些周期及其环境影响的经济分析并不是重点。相反，本文的目的是为读者提供一个关于性能增强的周期和更新的简要比较。
2.1 开放式吸附循环太阳能制冷
2.1.1固体除湿系统
固体干燥剂循环(SDC)的目的是降低送风气流的含水量。使用固体干燥剂对气流进行除湿的一种典型方法是将干燥剂注入一个重量较轻的蜂窝状或corru门控矩阵中，形成一个轮子。干燥剂轮在流程气流和再生器之间缓慢旋转eration气流。它被分为两个部分，在这两个部分中，工艺空气流经要除湿的轮毂的一个部分，而重新激活的气流通过另一个部分来重新生成轮毂。
图2.1干燥剂冷却通风循环示意图 图2.2冷却和除湿用彭宁顿循环
为了利用太阳能实现除湿和冷却，干燥剂轮通常与蒸发过程相结合，如图2所示。提供空调空气的基本过程可以通过图2.3来理解。
图2.3干燥剂冷却通风循环示意图
湿热工艺空气通过旋转干燥剂轮，干球温度升高，湿度降低(1e2)。然后，工艺空气通过热再铸车轮(2e3)冷却。然后，根据供气温湿度设定值，对空气进行加湿，由控制加湿器(3e4)进一步冷却。空调空间的排风采用蒸发冷却(5e6)冷却，并尽可能加湿至饱和。排气被合理地加热(6e7)以预冷工艺空气(2e3)。最后，将再生气流加热，用于再生干燥剂轮(7e8)，从而允许除湿过程的连续运行。
Fong等人(2010)使用瞬态系统仿真(TRNSYS)研究了六种太阳能干燥剂冷却系统(SDCS)的配置。所有的六个系统都有SDCS和另一个循环，以适应合理的负载。循环为带蒸汽压缩循环的SDCS(SDCS-VCC)、直流驱动蒸汽压缩循环(SDCS-DVCC)PV)由光伏(PV)板供电，直流驱动蒸汽压缩循环(SDCS-DVCC)PVT)由光伏/热能(PVT)板及吸收循环(SDCS-ABC)供电。为了给一个典型的200米的办公室安装空调2 在香港发现，所有新风通风系统均采用SDCS- vcc、SDCS- DVCCPV,SDCS-DVCCPVT 年一次能源消耗分别比基本可持续发展目标低19.9%、10.4%和22.6%。对于部分通风系统，其中部分回风气流是再循环的，SDCS-DVCCpv,SDCS-DVCCPVT， SDCS- abc的一次能源消耗比SDCS分别低61.4%、57.9%和57.9%。与传统的集中空调相比，可选的SDCS设计节省能源高达35.2%。Parmar和Hindoliya(2011)使用人工神经网络(ANN)来评估干燥剂冷却系统的性能。通过实验观察，验证了人工神经网络模型的有效性。他们使用14种训练算法，发现LevenbergeMarquardt返回propa-求位训练算法的均方误差最小。
La et al.(2011)实验研究了与VCC耦合的两级干燥剂冷却系统的性能。为了空调一组面积约160米的办公室290米2 的太阳能集热器被用来驱动一个10千瓦的干燥剂车轮循环。太阳能分系统也被用来提供生活热水。利用TRNSYS，研究了该系统在高温、潮湿和极端潮湿天气条件下的性能。该系统被发现可以减少高达34%的电力消耗。Li等人(2012)将两级旋转式干燥剂安装到169m空调的案例研究结果进行了报告2 在中国的一家电子厂工作。面积120米的真空管式空气收集器2 用于驱动一个20千瓦的干燥剂冷却系统。实验结果表明，该系统的除湿效果达到14.4 gw 公斤—a 1并在湿热气候条件下显著改善室内舒适度。
Beccali等(2009)使用TRNSYS对各种干燥剂冷却系统进行了详细的能源和经济分析。分析了干燥剂冷却系统的三种不同结构，即干燥剂和蒸发冷却(DEC)、带热泵的DEC和带焓轮的DEC。为了提供驱动这些系统所需的能量，使用了不同类型的太阳能空气收集器。三种考虑了太阳能集热器领域:只有标准集热器，只有混合PVT集热器，以及有标准集热器的PVT集热器。该系统用于空调面积为107米2 在意大利。该系统没有使用蓄热元件。结果表明，采用热泵的空调系统一次节能效果最好，而采用焓轮的空调系统仅适用于较高的除湿负荷。此外，研究还发现，由于该系统的高能效，对集热器面积的要求更小，因此与热泵配套的DEC投资成本最低。
Beccali等(2012)使用了一种带有两个冷却盘管的VCC，一个是在除湿轮前对湿空气进行预除湿，另一个是在热回收轮后对所需的供给温度进行合理的冷却。此外，部分VCC废热被用于预热再生气流。该系统还采用辐射天花板和蒸发冷却的废气流，以间接冷却供气使用能源轮。他们发现，利用VCC排出的热量，对再生气流进行预热，可以减少太阳能热需求，从而减少太阳能集热器所需的面积。通过在较高的蒸发器温度下运行冷却盘管，提高了VCC的制冷量和COP。对风机用电量的重要性进行了分析，并在设计选型阶段提出了考虑风机用电量的建议。也有报道称，使用旋转换热器导致水蒸气从回流到工艺空气中结转，降低了系统的除湿能力。而传统的空气处理机组，建议系统在夏季的一次能源节约约为冬季的一半。Vitte et al.(2008)提出了一种新的混合控制策略来控制不同工作模式的干燥剂轮毂循环。控制策略是开环和闭环控制的混合。利用环境空气与室内空气焓变，使能耗最小化，利用室内温度满足室内热舒适性要求。利用焓差计算时，考虑了温度和湿度的影响。采用这种混合控制策略，节能约40%
并与常规VCC进行了比较。
Panaras等人(2011)提出了一种控制策略，主要是在ASHRAE舒适区定义的值范围内维持建筑条件。利用暂态干燥剂系统模型，提出了基于开/关、基本模拟、包括间接蒸发冷却(IEC)运行模式在内的基本开/关、包括IEC模式在内的基本模拟控制策略方案。他们发现，采用基本的控制策略方案，通过开/关的概念来控制加湿器的运行，取得了令人满意的效果，而采用模拟概念来调节加湿器，则使对建筑条件的控制更加顺畅和完善。开/关加湿器的概念也被发现在实施和硬件要求方面更简单，在能源消耗方面更有效。
sukkol等人(2010)利用冷凝器热量和PVT空气收集器对干燥剂轮进行再生，如图2.3所示。建立了该系统的仿真实验，并对仿真模型进行了验证。这种方法是发现可以节省18%的能源使用的空气调节系统。
al - alili等人(2012a)提出使用浓缩PVT集水器驱动SDC和VCC。共凝集器热输出用于再生DW，而电输出用于驱动VCC。整个系统使用TRNSYS和阿布扎比天气条件建模。此外，还将系统性能与光伏板供电的VCC和太阳能吸收循环进行了比较。仿真结果表明，该循环的平均冷却COP分别为0.68、0.34和0.29。建立一个完整的SDC，尽管已经有许多研究集中在提高干燥剂材料的性能。干燥剂材料性能的改进包括对传统干燥剂材料的改性(Chung and Chung, 1998;Knez and Novak, 2001;与新型干燥剂材料的制备(Ladisch, 1997;Beery and Ladisch, 2001;Mathiowitz等，2001;Khedari等，2003;贾等，2006)。该表还显示了用于衡量SDCs性能的变量的差异。可以注意到，研究人员很少使用ASHRAE 139标准(2007)，该标准处理除湿除湿剂的评级。
2.1.2液体除湿系统
液体干燥剂循环(LDC)主要由如下图所示的混合器(吸收器)和再生器(除氧器)组成。图2.4所示。
图2.4suk蒙格尔系统示意图
在空调中，液体干燥剂被喷射到空气中，以直接吸收空气中的水分。液体落入水池中，被泵出并喷回空气中。液体干燥剂在吸湿过程中温度升高，部分蒸汽压增大。此外，由于水含量的增加，其浓度降低，因此需要再生。少量的液体干燥剂被连续地从水仓取到回热器，以除去被吸收的水。蓄热器的结构与空调相似;液体干燥剂也喷洒到空气中。干燥剂受热使其分压高于空气分压。因此，水分被输送到再生空气中。当液体干燥剂溶液返回到调理器的油底壳时，它更干燥、更集中，并且仍然处于较高的蒸汽压和温度。因此，它被冷却到所需的温度在喷入制程空气前，应先用冷却塔或冷水机降温。一种溶液对溶液的热交换器，帮助预热离开空调的弱溶液，并从离开蓄热器的热强溶液中回收热量。液体干燥剂循环的有利特点是，液体干燥剂可以在80℃以下再生。典型的液体干燥剂工作液有氯化锂(LiCl)、氯化钙(CaCl)2)，以及溴化锂(LiBr)。
在低温条件下，吸收塔池内的溶液浓度应与除渣池的浓度保持非常接近。因此，采用溶液对溶液换热器和受控分流器来解决这一问题。然而，这种方法在吸收塔和除渣器中仍然存在液位控制问题。Gommed和Grossman(2012)实现了一种新型的溶液热交换器(HME)。我们的想法是消除这个解吸收体和脱盐器的储层，并使用HME作为干燥剂溶液储层，如图2.5所示。
图2.5液体干燥剂系统示意图
这种方法将溶液在脱砂器和吸收体之间转移，使传热损失降到最低。溶液交换器是由重力和浓度差引起的自然输送驱动的。在不同的操作条件下，对这一概念进行了实验研究。他们研究了加热水温、冷却水温度以及除渣器和吸收体中的空气流量对温度的影响。最不发达国家的平均COP约为0.8。
每种干燥剂溶液各有优缺点，为了降低成本，保证除湿性能，提出了混合使用干燥剂溶液。这种方法的挑战是在循环运行期间保持恒定的干燥剂混合比。因此，Xiong等(2009)提出采用两级液体干燥剂除湿系统，其中主溴化锂LDC由使用CaCl的预除湿器辅助2。仿真结果表明，采用两种不同的液体干燥剂可以获得较高的储能能力。这一结果意味着存储空间可以更紧凑。系统的热和电警察与传统的溴化锂LDC相比，分别提高了15.8%和32%。
传统的液体干燥剂存在腐蚀问题，因此离子液体被认为是可能的干燥剂。Luo等(2011)提出了1-乙基-3-甲基咪唑tet- rafluoroborate ([Emim]BF4)，并利用逆流式除湿器的传热和换湿模型，将其性能与溴化锂进行了比较。结果表明，在降低金属腐蚀的同时，Emim BF4的除湿速率与溴化锂相当。此外，[Emim]BF4在高质量浓度下不结晶。罗等(2012)也进一步研究了这一问题，研究了1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Bmim]BF4)和1,3-二甲基咪唑ace- tate ([Dmim]OAc)的性能。实验结果表明，[Bmim]BF4由于其表面蒸汽压高，不适合应用。通过仿真比较了[Dminm]OAc、[Emim]BF4、LiBr和LiCl的除湿性能。仿真结果表明，[Dmim]OAc水溶液的除湿性能略优于[Emim]BF4水溶液，说明[Dmim]OAc也是一种可能的液体干燥剂。
太阳能集热器/蓄热体(C/R)是一种集热与液体再生相结合的新型蓄热体。它们要么是自然流动的C/R(干燥剂溶液在开放表面再生)，要么是强制流动的C/R(一个或两个玻璃收集器装有风扇，使空气通过收集器)。进气温度和湿度比对C/Rs性能影响较大。彭和张(2009)提出了一种新的太阳能C/R，其中空气预处理单元与C/R耦合。环境空气由鼓风机强制进入空气预处理单元，与预除湿过程的低温强溶液接触，如图2.6所示
图2.6耦合到空气预处理单元的太阳能集热器/蓄热器
然后，空气进入太阳能C/R，在那里被加热和加湿，最后被排到大气中。仿真结果表明再生效率提高45.7%，再生效率提高44%干燥剂贮存容量增加百分之一。他们还对该系统进行了额外的仿真工作，其中使用了一组无
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