太陽能吸收式和吸附式制冷系統(tǒng)的研究

楊小聰，張秀霞，2，樊 榮，2，溫俊霞

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

1 引言

隨著化石能源危機以及帶來的污染，對風能、水能、潮汐能等的開發(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)展從根本上來說都是離不開太陽的。太陽每秒能夠釋放出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，但也相當于全世界目前發(fā)電總量的8萬倍［1］。低碳已經逐漸成為世界的主流，尤其是在建筑上，我國建筑耗能占社會總耗能的30%左右，空調、采暖、熱水等耗能占建筑耗能的50%以上［2，3］。因此研究人員關注并研究如何利用太陽能。尤其是制冷空調領域，太陽能制冷不僅可以減少電力消耗，同時由于沒有采用氟氯烴類物質，不會對大氣臭氧層產生破壞，屬于清潔能源，符合環(huán)保要求。另外，采用太陽能制冷其熱量的供給和冷量的需求在季節(jié)和數量上高度匹配，在夏季太陽輻射強、氣溫高，制冷量就越大。因此，利用太陽能制冷技術對節(jié)約常規(guī)能源，保護自然環(huán)境都具有十分重要的意義。

近年來，人們研究開發(fā)的太陽能制冷方式主要有以下幾種:太陽能吸收式制冷、太陽能吸附式制冷、太陽能除濕式制冷、太陽能蒸汽噴射式制冷。這四種方法實質上都是太陽能系統(tǒng)替代常規(guī)能源給常規(guī)制冷循環(huán)供給熱媒水。關鍵技術不在太陽能，而在制冷系統(tǒng)本身［4－6］。吸收式和吸附式制冷在各國已經有不少示范應用。本文對已有實際應用的太陽能吸收式制冷和太陽能吸附式制冷進行對比介紹。

2 太陽能吸收式制冷系統(tǒng)研究

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

吸收式制冷是根據吸收劑強烈吸收制冷劑的特性，利用熱能驅動溶液進行制冷。常用的一種是氨吸收式制冷機，它的制冷溫度在l～－45℃范圍內，用作工藝生產過程的冷源;另一種是溴化鋰吸收式制冷機，其制冷溫度只能在0℃以上，可用于制取空氣調節(jié)用冷水或工藝用冷卻水。吸收式制冷機主要由四個熱交換設備組成，即發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器。簡單吸收式制冷系統(tǒng)循環(huán)框圖如圖1所示:

太陽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和單效雙級?，F在絕大部分都是溴化鋰(H2O+LiBr)吸收式制冷機。

圖1 簡單吸收式制冷系統(tǒng)循環(huán)框圖

我國太陽能制冷和空調的研究大約開始于20世紀70年代，當時有很多高等院校、科研機構和企業(yè)都投入大量人力和物力研制太陽能制冷空調，大部分是小型氨—水吸收式制冷實驗樣機。1999年香港大學的李中付等在總結了前人研究的基礎上，提出了一種采用分層蓄熱水箱的太陽能驅動式空調系統(tǒng)［8－10］。陳瀅等［11］提出了一種新型的單效雙級吸收式制冷循環(huán)，采用增大熱源溫差的思路，增加了一個發(fā)生器和一個換熱器。最后經過模擬計算，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循環(huán)，主要是根據熱變器原理，在傳統(tǒng)循環(huán)上基礎上增加了一個壓縮機，使得從發(fā)生器出來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，一路是經過壓縮機壓縮后，回到發(fā)生器換熱，最后制冷劑蒸汽進入冷凝器。使得進入冷凝器和發(fā)生器的熱負荷得到降低，提高系統(tǒng)的COP值，但是由于壓縮機的正常運行難以保證，所以沒有應用于實際。大連理工大學的徐士鳴［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的太陽能吸收式制冷系統(tǒng)。上海交通大學的王如竹等提出一種通過太陽能燃氣聯合驅動的太陽能吸收式空調，采用溴化鋰作為制冷劑，把燃氣直燃型雙效溴化鋰機組與熱管式真空管集熱器結合在一起，并且在普通雙效循環(huán)的基礎上又加入了太陽能熱水作為低壓發(fā)生器的輔助驅動能源，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年長沙遠大公司研制出一種采用槽式太陽能集熱器驅動的雙效吸收式空調，與常規(guī)燃氣結合，提高了制冷效率，在國內一些單位也進行應用。王曉東［16］將太陽能和生物質能結合利用到制冷系統(tǒng)中，設計了一臺小型氨水吸收擴散式冰箱，用氨水作為制冷工質對，氫氣作為輔助氣體;通過實驗測得其最大制冷系數COP可達0.39。2009年王艷［17］通過利用溴化鋰溶液的特性，降低其在吸收式制冷系統(tǒng)發(fā)生器內的蒸發(fā)壓力，從而降低了溶液蒸發(fā)時的溫度，增加了制冷循環(huán)時冷凝的蒸氣量，達到提高制冷效率的目的。這是一種新型高效制冷的方法，也是我國首次提出利用流體的旋轉運動。Ventas等［18］研究以NH3-LiNO3為工質的吸收壓縮制冷系統(tǒng)，該工質具有良好的熱力學性能，大大降低了系統(tǒng)驅動溫度，提高了制冷量。劉輝等［19］提出了一種以NH3－LiNO3為工質對。采用數值計算的方法對吸收—壓縮太陽能制冷循環(huán)的性能參數、冷卻水量和電熱比進行了研究。得出補償相當于一定量太陽能的電能可大大降低熱源溫度，提高循環(huán)性能參數，降低冷卻水量。

太陽能吸收式制冷系統(tǒng)能夠在商業(yè)化中應用的較多，主要是因為它不僅能夠很好的與季節(jié)性相匹配、無污染等，而且還可以與大型溴化鋰吸收式制冷機組相配套，大幅降低投資運行費用并且運行安全可靠。因此太陽能吸收式制冷系統(tǒng)比較適合應用于辦公樓、賓館等公共建筑中［20］。目前已經有這樣的吸收式空調系統(tǒng)兼具供暖、制冷、熱水功能。該系統(tǒng)主要由高效太陽能集熱器、制冷機組、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熱水驅動吸收式制冷產生冷量，在冬季用集熱器系統(tǒng)中的熱水又可以供應暖氣，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。

3 太陽能吸附式制冷系統(tǒng)研究

太陽能吸附式制冷系統(tǒng)是利用吸附床中的固體吸附劑對制冷劑周期性的吸附、解吸附過程實現制冷循環(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。主要是利用太陽能或其他熱源，使吸附劑和吸附質形成的混合物(或絡合物)在吸附床中發(fā)生解吸，放出高溫高壓的制冷劑氣體進入冷凝器，冷凝出來的制冷劑液體由節(jié)流閥進入蒸發(fā)器。制冷劑蒸發(fā)時吸收熱量，產生制冷效果，蒸發(fā)出來的制冷劑氣體進入吸附發(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)過程。目前常用的工質對主要有活性炭—甲醇、活性炭—氨等，活性炭—甲醇適用于太陽能制冷工況，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)簡圖如圖 2 所示:

圖2 吸附式制冷系統(tǒng)簡圖

為了提高吸附式制冷系統(tǒng)的性能，提升其 COP 值，國內外學者做了很多研究［22－28］:(1)通過合理選擇工質對來提高制冷效率，從而達到節(jié)省成本，增強可靠性。(2)對吸附式制冷循環(huán)方式的研究。(3)通過改善吸附床傳熱傳質性能的研究。孫志堅等對以硅膠—水作為工質對的可行性進行了研究。Anyanwu E.E等對幾種工質對性能進行了研究，如:活性炭—氨、沸石—水及活性炭—甲醇，研究得出，沸石—水是用于太陽能吸附式空調系統(tǒng)的最佳工質。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提出將吸附床設計成存在一定溫度梯度的形式，相當于一些能夠進行獨立熱交換的小吸附床，兩個吸附床反向進行，每個吸附床只有一小部分進行熱交換，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］對以水—NaX子篩為工質對的熱波循環(huán)研究后認為在熱源溫度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1.2。

我國在太陽能吸附式制冷方面獨具特色，主要是對吸附床傳熱傳質進行的研究。常用的強化吸附床導熱的方法有兩種: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熱系數均可大大減小窗內的溫度梯度，并且方法簡單有效，但是由于金屬片的熱容對吸附床的溫升有很大的負面影響，所以要選取熱容比較小的金屬，而且間距也要恰當［32－34］。李東明等［35，36］對吸附床內的動態(tài)特性做了一些分析研究，主要是對窗內溫度、壓力、質量之間的相互作用建立模型研究。朱冬升等［37］對如何減少熱阻做了進一步研究，實驗表明，在接觸面上涂導熱膠和加壓可以減少熱阻，而且對吸附劑的傳質過程沒有影響。王如竹等研制的小型硅膠－水吸附式空調機組有效地提高了系統(tǒng)的傳熱傳質性能以及整體COP值，并且在上海和山東的一些工程中得到了實際應用［38］。

太陽能吸附式空調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，而且遠低于太陽能吸收式空調，這使得吸附式制冷的競爭力降低。但是太陽能吸附式制冷所需熱源溫度較低，并且太陽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，同時由于系統(tǒng)的制冷功率比較小，并且其工作特性導致成本和系統(tǒng)重量的增加，因此吸附式比較適合普通住宅的小型空調系統(tǒng)，與傳統(tǒng)空調相比具有較大的市場發(fā)展?jié)摿Γ?0］。

4 總結與展望

吸收式制冷和吸附式制冷各有優(yōu)缺點，吸收式制冷供熱溫度較低，但是COP值也較低并且系統(tǒng)比較復雜。吸附式制冷熱利用性能系數較高，但是系統(tǒng)過于笨重，吸附劑的熱導率太低，并且系統(tǒng)運行不穩(wěn)定［39］。從吸收式和吸附式的各種研究實驗可以得出，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)。太陽能空調技術以其獨特的優(yōu)勢已展現出巨大的應用前景。但太陽能制冷的空調系統(tǒng)的技術、產品還處于研制、試驗、示范階段，遠未達到人們所期望的推廣應用的程度，其重要原因仍然在于利用效率不高，經濟成本較高等。然而零輸入和污染零排放的巨大優(yōu)勢，使我們努力建立一種環(huán)保實用、高效、低成本、多功能的太陽能空調系統(tǒng)，使之能夠得到廣泛應用。太陽能制冷系統(tǒng)的成本降低以及性能的不斷改進，為太陽能制冷的推廣應用奠定了基礎。因此太陽能制冷的逐漸普及推廣與商品化將是未來的發(fā)展趨勢。展望未來，清潔、無噪音的太陽能制冷系統(tǒng)必將走進千家萬戶。

［1］王如竹，代彥軍.太陽能制冷［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2006.

［2］清華大學建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能2011年度發(fā)展研究報告［R］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］住房城鄉(xiāng)建設部.建筑業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃［M］.北京:住房和城鄉(xiāng)建設部，2011.

［4］劉鑒民，太陽能利用:原理·技術·工程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［5］方承超，趙軍，趙律，等.太陽能增強型噴射式制冷系統(tǒng)的研究［J］.太陽能學報，1994，15(2):178－182.

［6］馮毅，譚盈科，李宗楠.太陽能驅動的吸附除濕空調系統(tǒng)的研究［J］.太陽能學報2000，21(3):265－268.

［7］FAN Y，LUO L，SOUYRI B.Review of solar sorption refrigeration technologies:Development and applications［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2007，11(8):1758－1775.

［8］Li Z F，Sumathy K.Simulation of a solar absorption air conditioning system［J］.Energy Conversion ＆ Management，2001，42(3):213－327.

［9］Li Z F，Sumathy K.Experimental studies on a solar powered air conditioning System with partitioned hot water storage tank［J］.Solar Energy，2001，71(5):285－297.

［10］Li Z F，Sumathy K.Technology development in the solar absorption air－congditioning systems［J］.Renewable and Sustainable Energy Review ，2000，4(3):267－293.

［11］陳瀅，朱玉群.低溫熱源驅動的單效/雙級(SE/DL)吸收式制冷循環(huán)［J］.太陽能學報，2002，23(1):101－107.

［12］陳光明，馮仰浦，王劍峰，等.一個用太陽能驅動的新型吸收制冷循環(huán)［J］.低溫工程，1999，20(1):50－55

［13］徐士鳴，劉渝宏.以空氣為攜熱介質的開式太陽能吸收式制冷循環(huán)研究與分析［J］太陽能學報，2004，25(2):204－210.

［14］劉艷玲，王如竹，代彥軍.太陽能雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的模擬和經濟性分析［C］.中國工程熱物理學會工程熱力學與能源利用學術會議論文集，2002:347－351.

［15］Liu Y L，Wang R Z.Performance prediction of a solar gas driving double LiBr－H2O absorption system［J］.Renewable Energy ，2004，29(10):1677－1695.

［16］王曉東.太陽能生物質能聯合吸收式制冷系統(tǒng)研究［D］.河南:河南農業(yè)大學，2009.

［17］王艷.小型高效太陽能吸收式制冷系統(tǒng)渦旋發(fā)生器特性研究［D］.北京:北京工業(yè)大學，2009.

［18］Ventas R，Lecuoua A，Zacarias A，et al.Ammonia－lithium nitrate absorption chiller with an integrated low－pressure compression booster cycle for low driving temperatures［J］.Applied Thermal Engineering，2010，30:1351－1359.

［19］劉輝，李長勝.新型太陽能增壓吸收式制冷循環(huán)［J］.制冷學報，2011，32(3):38－47.

［20］金葉佳，尹芳芳，李開創(chuàng)，等.常見太陽能空調制冷技術的現狀及比較［J］.太陽能，2011，(9):32－35.

［21］王默晗，姚易先，郝紅宇，等.淺談太陽能制冷技術的發(fā)展及應用［J］.制冷與空調(四川)，2007，21(1):100－103.

［22］何梓年.太陽能熱利用［M］.合肥:中國科學科技大學出版社，2009.

［23］李明，孫長江，王如竹，等.改進型太陽能固體吸附式制冰機的研制［J］.上海交通大學學報，2002，36(11):1671－1674.

［24］李軍，朱冬生，張立志，等.固體吸附式制冷在太陽能利用中的研究與進展［J］.制冷與空調，2004，4(3):5－8.

［25］周遠，王如竹.制冷與低溫工程［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［26］李傳統(tǒng).新能源與可再生能源技術［M］.南京:東南大學出版社，2005.

［27］王林.小型吸收式制冷機原理與應用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［28］陳恒，吳靜怡，李廷賢，等.氯化鈣膨脹石墨吸附制冰系統(tǒng)固化復合吸附劑的性能［J］.工程熱物理學報，2010，31(4):561－564.

［29］蔡輝，施明恒.太陽能制冷技術的發(fā)展概況［J］.科技與經濟，2003，16(2):58－60.

［30］趙加佩，陳寧，凍小飛.太陽能吸附式制冷技術進展綜述［J］.能源研究與信息，2007，23(1):23－29.

［31］LI M，HUANG H B，WANG R Z.Experimental study on adsorbent of activated carbon with refrigerant of methanol and ethanol for solar ice maker［J］.Renewable Energy，2004，29(15):2235－2244.

［32］CHEN Cuiqun，YAO Haijun，HU qing.Preparation and adsorption mechanism of composite adsorbents on solar powered adsorption refrigeration［J］.Taiyangneng Xuebao/Acta Energiae Solaris Sinica，2004，25(2):182－188.

［33］SWARD Brian K，Douglas LeVan M，FRANCIS Meunier.Adsorption heat pump modeling:The thermal wave process with local equilibrium［J］.Applied Thermal Engineering，2000，20(8):759－780.

［34］李春華，代彥軍，王如竹.太陽能平板吸附床強化傳熱的分析［J］.太陽能學報，2001，22(2):24－26

［35］LI M，WANG R Z.Heat and mass transfer in a flat plate solar solid adsorption refrigeration ice maker［J］.Renewable Energy，2003，28(4):613－622.

［36］LI Dongming，JIANG Yaojian，WANG Zhiguo.Thermodynamic calculating method of adsorption bed in solar adsorption refrigeration system［J］.Taiyangneng Xuebao/Acta Energiae Solaris Sinica，2003，24(4):483－487.

［37］ZHU Dongsheng，WANG Shengwei.Experimental investigation of contact in solar adsorption refrigeration systems［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2003，29(4):301－327.

［38］陸紫生，翟曉強，王如竹，等.“可再生能源與建筑集成技術研究與示范”項目課題二/子課題:小型硅膠—水吸附太陽能空調研制及應用［J］.建設科技，2009，7(24):37－39.

［39］FAN Y，LUO L，SOUYRI B.Review of solar sorption refrigeration technologies:Development and applications［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2007，11(8):1758－1775.