楊小聰，張秀霞，2，樊 榮，2，溫俊霞

(1.北方民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，寧夏銀川750021;2.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥230009)

1 引言

隨著化石能源危機(jī)以及帶來(lái)的污染，對(duì)風(fēng)能、水能、潮汐能等的開(kāi)發(fā)與研究力度不斷增加。而所有這些清潔能源的利用與發(fā)展從根本上來(lái)說(shuō)都是離不開(kāi)太陽(yáng)的。太陽(yáng)每秒能夠釋放出391×1021kW的能量，而輻射到地球表面的能量雖然只有它的二十二億分之一，但也相當(dāng)于全世界目前發(fā)電總量的8萬(wàn)倍［1］。低碳已經(jīng)逐漸成為世界的主流，尤其是在建筑上，我國(guó)建筑耗能占社會(huì)總耗能的30%左右，空調(diào)、采暖、熱水等耗能占建筑耗能的50%以上［2，3］。因此研究人員關(guān)注并研究如何利用太陽(yáng)能。尤其是制冷空調(diào)領(lǐng)域，太陽(yáng)能制冷不僅可以減少電力消耗，同時(shí)由于沒(méi)有采用氟氯烴類(lèi)物質(zhì)，不會(huì)對(duì)大氣臭氧層產(chǎn)生破壞，屬于清潔能源，符合環(huán)保要求。另外，采用太陽(yáng)能制冷其熱量的供給和冷量的需求在季節(jié)和數(shù)量上高度匹配，在夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)、氣溫高，制冷量就越大。因此，利用太陽(yáng)能制冷技術(shù)對(duì)節(jié)約常規(guī)能源，保護(hù)自然環(huán)境都具有十分重要的意義。

近年來(lái)，人們研究開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能制冷方式主要有以下幾種:太陽(yáng)能吸收式制冷、太陽(yáng)能吸附式制冷、太陽(yáng)能除濕式制冷、太陽(yáng)能蒸汽噴射式制冷。這四種方法實(shí)質(zhì)上都是太陽(yáng)能系統(tǒng)替代常規(guī)能源給常規(guī)制冷循環(huán)供給熱媒水。關(guān)鍵技術(shù)不在太陽(yáng)能，而在制冷系統(tǒng)本身［4－6］。吸收式和吸附式制冷在各國(guó)已經(jīng)有不少示范應(yīng)用。本文對(duì)已有實(shí)際應(yīng)用的太陽(yáng)能吸收式制冷和太陽(yáng)能吸附式制冷進(jìn)行對(duì)比介紹。

2 太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)研究

太陽(yáng)能吸收式制冷技術(shù)起源于20世紀(jì)，但是由于成本高、效率低等問(wèn)題限制了它的發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，尤其是受能源危機(jī)的影響，使得吸收式制冷受到發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，太陽(yáng)能科技不斷發(fā)展，研究領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。大部分的太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)都是采用的溴化鋰吸收式制冷方式［7］。

吸收式制冷是根據(jù)吸收劑強(qiáng)烈吸收制冷劑的特性，利用熱能驅(qū)動(dòng)溶液進(jìn)行制冷。常用的一種是氨吸收式制冷機(jī)，它的制冷溫度在l～－45℃范圍內(nèi)，用作工藝生產(chǎn)過(guò)程的冷源;另一種是溴化鋰吸收式制冷機(jī)，其制冷溫度只能在0℃以上，可用于制取空氣調(diào)節(jié)用冷水或工藝用冷卻水。吸收式制冷機(jī)主要由四個(gè)熱交換設(shè)備組成，即發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器。簡(jiǎn)單吸收式制冷系統(tǒng)循環(huán)框圖如圖1所示:

太陽(yáng)能吸收式制冷的循環(huán)方式都是采用單效方式，還可以具體分為單效單級(jí)和單效雙級(jí)?，F(xiàn)在絕大部分都是溴化鋰(H2O+LiBr)吸收式制冷機(jī)。

圖1 簡(jiǎn)單吸收式制冷系統(tǒng)循環(huán)框圖

我國(guó)太陽(yáng)能制冷和空調(diào)的研究大約開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)有很多高等院校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)都投入大量人力和物力研制太陽(yáng)能制冷空調(diào)，大部分是小型氨—水吸收式制冷實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。1999年香港大學(xué)的李中付等在總結(jié)了前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種采用分層蓄熱水箱的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)式空調(diào)系統(tǒng)［8－10］。陳瀅等［11］提出了一種新型的單效雙級(jí)吸收式制冷循環(huán)，采用增大熱源溫差的思路，增加了一個(gè)發(fā)生器和一個(gè)換熱器。最后經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，得出熱源出口溫度可以降到55℃，COP值提高。但是由于該系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且投資成本較高。所以陳光明等［12］又提出了一種單效單級(jí)循環(huán)，主要是根據(jù)熱變器原理，在傳統(tǒng)循環(huán)上基礎(chǔ)上增加了一個(gè)壓縮機(jī)，使得從發(fā)生器出來(lái)的制冷劑蒸汽分為兩路，一路是直接將制冷劑蒸汽送入冷凝器，一路是經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后，回到發(fā)生器換熱，最后制冷劑蒸汽進(jìn)入冷凝器。使得進(jìn)入冷凝器和發(fā)生器的熱負(fù)荷得到降低，提高系統(tǒng)的COP值，但是由于壓縮機(jī)的正常運(yùn)行難以保證，所以沒(méi)有應(yīng)用于實(shí)際。大連理工大學(xué)的徐士鳴［13］用熱空氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)閉式循環(huán)中的加熱蒸氣或熱水，研究以空氣為攜熱介質(zhì)的太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)。上海交通大學(xué)的王如竹等提出一種通過(guò)太陽(yáng)能燃?xì)饴?lián)合驅(qū)動(dòng)的太陽(yáng)能吸收式空調(diào)，采用溴化鋰作為制冷劑，把燃?xì)庵比夹碗p效溴化鋰機(jī)組與熱管式真空管集熱器結(jié)合在一起，并且在普通雙效循環(huán)的基礎(chǔ)上又加入了太陽(yáng)能熱水作為低壓發(fā)生器的輔助驅(qū)動(dòng)能源，從而可以做到夏季制冷、冬季供暖以及全年都可以提供生活熱水的功能，非常適宜家用［14，15］。2006年長(zhǎng)沙遠(yuǎn)大公司研制出一種采用槽式太陽(yáng)能集熱器驅(qū)動(dòng)的雙效吸收式空調(diào)，與常規(guī)燃?xì)饨Y(jié)合，提高了制冷效率，在國(guó)內(nèi)一些單位也進(jìn)行應(yīng)用。王曉東［16］將太陽(yáng)能和生物質(zhì)能結(jié)合利用到制冷系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一臺(tái)小型氨水吸收擴(kuò)散式冰箱，用氨水作為制冷工質(zhì)對(duì)，氫氣作為輔助氣體;通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得其最大制冷系數(shù)COP可達(dá)0.39。2009年王艷［17］通過(guò)利用溴化鋰溶液的特性，降低其在吸收式制冷系統(tǒng)發(fā)生器內(nèi)的蒸發(fā)壓力，從而降低了溶液蒸發(fā)時(shí)的溫度，增加了制冷循環(huán)時(shí)冷凝的蒸氣量，達(dá)到提高制冷效率的目的。這是一種新型高效制冷的方法，也是我國(guó)首次提出利用流體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。Ventas等［18］研究以NH3-LiNO3為工質(zhì)的吸收壓縮制冷系統(tǒng)，該工質(zhì)具有良好的熱力學(xué)性能，大大降低了系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)溫度，提高了制冷量。劉輝等［19］提出了一種以NH3－LiNO3為工質(zhì)對(duì)。采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)吸收—壓縮太陽(yáng)能制冷循環(huán)的性能參數(shù)、冷卻水量和電熱比進(jìn)行了研究。得出補(bǔ)償相當(dāng)于一定量太陽(yáng)能的電能可大大降低熱源溫度，提高循環(huán)性能參數(shù)，降低冷卻水量。

太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)能夠在商業(yè)化中應(yīng)用的較多，主要是因?yàn)樗粌H能夠很好的與季節(jié)性相匹配、無(wú)污染等，而且還可以與大型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組相配套，大幅降低投資運(yùn)行費(fèi)用并且運(yùn)行安全可靠。因此太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)比較適合應(yīng)用于辦公樓、賓館等公共建筑中［20］。目前已經(jīng)有這樣的吸收式空調(diào)系統(tǒng)兼具供暖、制冷、熱水功能。該系統(tǒng)主要由高效太陽(yáng)能集熱器、制冷機(jī)組、輔助加熱裝置、智能控制器等組成。不僅可以全天提供熱水，而且可以在夏季通過(guò)熱水驅(qū)動(dòng)吸收式制冷產(chǎn)生冷量，在冬季用集熱器系統(tǒng)中的熱水又可以供應(yīng)暖氣，可以為600 m2的辦公面積制冷或供暖。這也將成為以后的發(fā)展趨勢(shì)。

3 太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)研究

太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)是利用吸附床中的固體吸附劑對(duì)制冷劑周期性的吸附、解吸附過(guò)程實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。該系統(tǒng)主要是由吸附床、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥等組成。主要是利用太陽(yáng)能或其他熱源，使吸附劑和吸附質(zhì)形成的混合物(或絡(luò)合物)在吸附床中發(fā)生解吸，放出高溫高壓的制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器，冷凝出來(lái)的制冷劑液體由節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器。制冷劑蒸發(fā)時(shí)吸收熱量，產(chǎn)生制冷效果，蒸發(fā)出來(lái)的制冷劑氣體進(jìn)入吸附發(fā)生器，被吸附后形成新的混合物而完成一次吸附制冷循環(huán)過(guò)程。目前常用的工質(zhì)對(duì)主要有活性炭—甲醇、活性炭—氨等，活性炭—甲醇適用于太陽(yáng)能制冷工況，而活性炭—氨等常用于正壓條件下的制冰系統(tǒng)［21，22］。制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖 2 所示:

圖2 吸附式制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

為了提高吸附式制冷系統(tǒng)的性能，提升其 COP 值，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多研究［22－28］:(1)通過(guò)合理選擇工質(zhì)對(duì)來(lái)提高制冷效率，從而達(dá)到節(jié)省成本，增強(qiáng)可靠性。(2)對(duì)吸附式制冷循環(huán)方式的研究。(3)通過(guò)改善吸附床傳熱傳質(zhì)性能的研究。孫志堅(jiān)等對(duì)以硅膠—水作為工質(zhì)對(duì)的可行性進(jìn)行了研究。Anyanwu E.E等對(duì)幾種工質(zhì)對(duì)性能進(jìn)行了研究，如:活性炭—氨、沸石—水及活性炭—甲醇，研究得出，沸石—水是用于太陽(yáng)能吸附式空調(diào)系統(tǒng)的最佳工質(zhì)。還有研究人員將幾種吸附劑混合在一起從而有效地提高了吸附劑的吸附能力。helton提出將吸附床設(shè)計(jì)成存在一定溫度梯度的形式，相當(dāng)于一些能夠進(jìn)行獨(dú)立熱交換的小吸附床，兩個(gè)吸附床反向進(jìn)行，每個(gè)吸附床只有一小部分進(jìn)行熱交換，另一部分則保持溫度，從而能夠使吸附放出的熱量最大化地利用［29，30］。Sward Brian K.等［31］對(duì)以水—NaX子篩為工質(zhì)對(duì)的熱波循環(huán)研究后認(rèn)為在熱源溫度393 K、冷凝器溫度303 K、蒸發(fā)溫度278 K的條件下，循環(huán)COP可超過(guò)1.2。

我國(guó)在太陽(yáng)能吸附式制冷方面獨(dú)具特色，主要是對(duì)吸附床傳熱傳質(zhì)進(jìn)行的研究。常用的強(qiáng)化吸附床導(dǎo)熱的方法有兩種:在吸附床中加入金屬片和在吸附劑中加金屬顆粒，李春華分析了不同強(qiáng)化傳熱后得出，在吸附床中嵌入合適的金屬片或提高吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)均可大大減小窗內(nèi)的溫度梯度，并且方法簡(jiǎn)單有效，但是由于金屬片的熱容對(duì)吸附床的溫升有很大的負(fù)面影響，所以要選取熱容比較小的金屬，而且間距也要恰當(dāng)［32－34］。李東明等［35，36］對(duì)吸附床內(nèi)的動(dòng)態(tài)特性做了一些分析研究，主要是對(duì)窗內(nèi)溫度、壓力、質(zhì)量之間的相互作用建立模型研究。朱冬升等［37］對(duì)如何減少熱阻做了進(jìn)一步研究，實(shí)驗(yàn)表明，在接觸面上涂導(dǎo)熱膠和加壓可以減少熱阻，而且對(duì)吸附劑的傳質(zhì)過(guò)程沒(méi)有影響。王如竹等研制的小型硅膠－水吸附式空調(diào)機(jī)組有效地提高了系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)性能以及整體COP值，并且在上海和山東的一些工程中得到了實(shí)際應(yīng)用［38］。

太陽(yáng)能吸附式空調(diào)的最大缺陷就是系統(tǒng)的COP值偏低，不僅低于傳統(tǒng)壓縮式空調(diào)，而且遠(yuǎn)低于太陽(yáng)能吸收式空調(diào)，這使得吸附式制冷的競(jìng)爭(zhēng)力降低。但是太陽(yáng)能吸附式制冷所需熱源溫度較低，并且太陽(yáng)能集熱部分一般都采用平板式集熱器，大大降低了使用成本，同時(shí)由于系統(tǒng)的制冷功率比較小，并且其工作特性導(dǎo)致成本和系統(tǒng)重量的增加，因此吸附式比較適合普通住宅的小型空調(diào)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)空調(diào)相比具有較大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Γ?0］。

4 總結(jié)與展望

吸收式制冷和吸附式制冷各有優(yōu)缺點(diǎn)，吸收式制冷供熱溫度較低，但是COP值也較低并且系統(tǒng)比較復(fù)雜。吸附式制冷熱利用性能系數(shù)較高，但是系統(tǒng)過(guò)于笨重，吸附劑的熱導(dǎo)率太低，并且系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定［39］。從吸收式和吸附式的各種研究實(shí)驗(yàn)可以得出，吸收式比較適合發(fā)展大型商業(yè)化的制冷系統(tǒng)，而吸附式適合小型家用制冷系統(tǒng)。太陽(yáng)能空調(diào)技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。但太陽(yáng)能制冷的空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)、產(chǎn)品還處于研制、試驗(yàn)、示范階段，遠(yuǎn)未達(dá)到人們所期望的推廣應(yīng)用的程度，其重要原因仍然在于利用效率不高，經(jīng)濟(jì)成本較高等。然而零輸入和污染零排放的巨大優(yōu)勢(shì)，使我們努力建立一種環(huán)保實(shí)用、高效、低成本、多功能的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)，使之能夠得到廣泛應(yīng)用。太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)的成本降低以及性能的不斷改進(jìn)，為太陽(yáng)能制冷的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。因此太陽(yáng)能制冷的逐漸普及推廣與商品化將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。展望未來(lái)，清潔、無(wú)噪音的太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)必將走進(jìn)千家萬(wàn)戶。

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