謝安?何開(kāi)巖?黃文

摘?要：概述了吸收壓縮復(fù)合式太陽(yáng)能制冷技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和最新研究結(jié)果，著重論述了吸收壓縮制冷循環(huán)的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成，并對(duì)這種新型制冷系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析。探討了集熱溫度、蒸發(fā)溫度和冷凝溫度等對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，并將該復(fù)合系統(tǒng)性能與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)做了對(duì)比，其制冷系數(shù)相對(duì)傳統(tǒng)蒸汽壓縮式循環(huán)高10%以上。最后指出了吸收壓縮復(fù)合式制冷技術(shù)現(xiàn)存的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能?復(fù)合式制冷?制冷系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）10（a）-0041-03

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，全球能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，世界許多國(guó)家掀起一股開(kāi)發(fā)利用新能源的高潮[1]，其中利用太陽(yáng)能進(jìn)行制冷就是一個(gè)重要方面。有研究表明，空調(diào)能耗占整個(gè)建筑能耗的45%[2]，利用太陽(yáng)能代替常規(guī)能源驅(qū)動(dòng)空調(diào)對(duì)建筑物進(jìn)行制冷或供熱將是一種很好的選擇。目前應(yīng)用最廣泛的是蒸汽壓縮式系統(tǒng)，但是它是以消耗電能為代價(jià)來(lái)?yè)Q取低品位的熱能，能效比較低。當(dāng)溫度提升要求較大時(shí)，蒸汽壓力升高，甚至超出常規(guī)壓縮機(jī)范圍以至于單級(jí)壓縮不能勝任[3]。而常規(guī)的吸收式制冷系統(tǒng)發(fā)生器溫度高，發(fā)生溫度低，傳熱溫差大，熱效率較低[4]，同時(shí)對(duì)于單級(jí)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也不適用于余熱溫度較低的條件。因此，目前在提高效率、尋找新型制冷劑、開(kāi)發(fā)新的制冷循環(huán)等方面已涌現(xiàn)出許多新的研究成果[5]。那么綜合了熱驅(qū)動(dòng)吸收式空調(diào)和電驅(qū)動(dòng)壓縮式空調(diào)兩者優(yōu)點(diǎn)的吸收壓縮復(fù)合式制冷循環(huán)越來(lái)越受到人們的關(guān)注和期待[6，7，8]。

1 吸收壓縮復(fù)合式太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

吸收壓縮復(fù)合式太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)實(shí)際上是由一個(gè)吸收式制冷單元串聯(lián)一個(gè)蒸汽壓縮單元，主要是由平板型太陽(yáng)能集熱器、溴化鋰吸收式制冷機(jī)、儲(chǔ)能裝置和壓縮機(jī)等幾大部分構(gòu)成。在天氣晴朗的時(shí)候，由集熱器產(chǎn)生的熱水驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)制冷；在晚上或者沒(méi)太陽(yáng)的時(shí)候，啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷，那么蒸發(fā)器、壓縮機(jī)和冷凝器就構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的壓縮式制冷系統(tǒng)。在以集熱器為制冷機(jī)熱源時(shí)，對(duì)制冷機(jī)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)性能系數(shù)隨著熱源溫度的升高而增加；對(duì)于太陽(yáng)能集熱器，制熱水量越多，集熱效率越高，而熱水溫度越高則其集熱效率越低。所以，為了達(dá)到更高的制冷效率，就需要找出制冷機(jī)與集熱器之間的最佳工況點(diǎn)[9]。

2 吸收壓縮復(fù)合式太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)的各種技術(shù)方案及研究進(jìn)展

根據(jù)制冷工質(zhì)的不同，吸收壓縮復(fù)合式制冷系統(tǒng)主要以H2O-NH3式和H2O-LiBr式兩種為主。

2.1太陽(yáng)能氨水吸收壓縮制冷系統(tǒng)

在當(dāng)前的吸收式制冷技術(shù)中，氨是最早被使用的制冷劑之一。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氨的沸點(diǎn)為-33.4℃，凝固點(diǎn)為-7.7℃，而且它的氣化潛熱非常大，在普通蒸發(fā)溫度下就能達(dá)1300kJ/kg，大約為R22的7倍。在普通制冷溫度下，制冷機(jī)系統(tǒng)低壓部分壓力通常保持在大氣壓力左右，沒(méi)有漏氣問(wèn)題，并且一般認(rèn)為它的制冷溫度能達(dá)到-45℃。

普通的單級(jí)氨吸收制冷需要較高的熱源溫度（如在蒸發(fā)溫度為-20℃時(shí)，熱源溫度要達(dá)到140℃），只有在壓力和溫度都滿足的條件下才能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而且單級(jí)氨吸收制冷本身傳熱溫差大，性能系數(shù)COP較低，所以在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，這種單級(jí)的吸收制冷逐漸被壓縮制冷循環(huán)所替代。由于能源短缺和節(jié)能減排的實(shí)際需要，利用低品味余熱進(jìn)行制冷的技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。近年來(lái)有許多研究者對(duì)兩級(jí)的氨吸收制冷循環(huán)進(jìn)行了研究[10，11]，但兩級(jí)氨吸收制冷所需設(shè)備及其投資費(fèi)用是單級(jí)的兩倍，而且性能并不理想。所以這種制冷技術(shù)也沒(méi)有獲得廣泛采用。于是，人們將注意力轉(zhuǎn)向了將吸收與壓縮兩種技術(shù)綜合起來(lái)的制冷機(jī)的研究。

圖2為氨水吸收壓縮太陽(yáng)能復(fù)合制冷循環(huán)的原理圖。該制冷循環(huán)就是在單級(jí)氨吸收制冷的吸收器和蒸發(fā)器之間增加了壓縮機(jī)。吸收壓縮復(fù)合式制冷循環(huán)相比單級(jí)氨吸收制冷有了較大改進(jìn)，壓縮機(jī)的增壓作用提高了濃氨水溶液的濃度和吸收器的吸收壓力以及發(fā)生器中稀溶液的濃度，有效降低了發(fā)生器的發(fā)生溫度[12]。采用這種循環(huán)可以利用工業(yè)余熱作為驅(qū)動(dòng)熱源，同時(shí)有效降低了壓縮機(jī)的壓縮比，降低了壓縮機(jī)的用電負(fù)荷，具有節(jié)能降耗的作用。

Bruin等人[13]對(duì)該系統(tǒng)循環(huán)進(jìn)行了模擬。他們用系統(tǒng)平均濃度來(lái)進(jìn)行計(jì)算，假定濃溶液和稀溶液濃度差為10%，氨過(guò)熱度、熱交換溫差都為設(shè)定值。在設(shè)定供熱出口溫度在90～115℃時(shí)，平均氨水濃度為35%比較合適。而且除NH3外，R22也經(jīng)常被使用。

Ventas等人[14]研究了以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。在壓縮比為2.0、熱源驅(qū)動(dòng)溫度為64℃的情況下，與熱源溫度94℃時(shí)的普通單效吸收式制冷機(jī)制冷量相當(dāng)。

2.2太陽(yáng)能溴化鋰制冷系統(tǒng)

太陽(yáng)能具有間歇性和不穩(wěn)定的特點(diǎn)，依據(jù)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的不同，對(duì)該系統(tǒng)分三種情況具體介紹其運(yùn)行原理。

（1）陽(yáng)光充裕：太陽(yáng)能吸收式制冷部分為單效運(yùn)行。如圖3所示，發(fā)生器2內(nèi)的溴化鋰水溶液被加熱，水分就會(huì)不斷蒸發(fā)形成制冷劑蒸汽。制冷劑水蒸汽進(jìn)入冷凝器3，被冷卻為低溫高壓的制冷劑液體，再經(jīng)節(jié)流閥4節(jié)流降壓進(jìn)入蒸發(fā)/冷凝器5中蒸發(fā)吸熱；壓縮制冷部分運(yùn)行情況為：從壓縮機(jī)出口的制冷劑水蒸汽經(jīng)閥門(mén)12流入冷凝器3，然后進(jìn)入蒸發(fā)/冷凝器5進(jìn)行熱交換，壓縮制冷部分的制冷劑液體經(jīng)節(jié)流閥13節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器14蒸發(fā)吸熱，最后制冷劑蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)完成一次循環(huán)[15]。

（2）陽(yáng)光不足：太陽(yáng)能吸收式制冷部分和陽(yáng)光充裕時(shí)運(yùn)行原理一樣，只是由于陽(yáng)光不足，發(fā)生器2產(chǎn)生的制冷劑水蒸汽量變少，蒸發(fā)/冷凝器5的蒸發(fā)溫度升高；此時(shí)壓縮制冷系統(tǒng)的運(yùn)行部分為：從壓縮機(jī)出來(lái)的高溫高壓制冷劑水蒸汽經(jīng)過(guò)閥門(mén)11進(jìn)入9，與吸收式制冷系統(tǒng)的稀溶液進(jìn)行熱交換，預(yù)冷后的制冷劑蒸汽進(jìn)入冷凝器3被冷媒水冷卻，然后進(jìn)入蒸發(fā)/冷凝器5過(guò)冷，再經(jīng)過(guò)節(jié)流閥13降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器14，進(jìn)行蒸發(fā)吸熱制冷。

（3）無(wú)陽(yáng)光：吸收式制冷部分就不能產(chǎn)生制冷劑，此時(shí)只相當(dāng)于一個(gè)普通壓縮制冷系統(tǒng)。

太陽(yáng)能吸收式制冷單元的蒸發(fā)器主要是對(duì)蒸汽壓縮單元的冷凝器進(jìn)行過(guò)冷處理，這樣蒸發(fā)壓縮單元的冷凝壓力和冷凝溫度就大大降低，有效的減少了壓縮時(shí)的輸入功。這也是本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)的初衷。

1999年浙江大學(xué)的陳光明提出了一種新型太陽(yáng)能復(fù)合制冷系統(tǒng)[16]。如圖4，該系統(tǒng)由平板型集熱器、壓縮循環(huán)和一個(gè)單效吸收式循環(huán)構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)啟動(dòng)速度快、運(yùn)行穩(wěn)定、效率高等特點(diǎn)。如果在無(wú)陽(yáng)光的時(shí)候，系統(tǒng)運(yùn)行就不是很理想。

另外一種利用太陽(yáng)能的吸收壓縮復(fù)合制冷循環(huán)如圖5。上海交通大學(xué)孫靖瑜，陸震等人對(duì)以吸收循環(huán)為主體的熱泵循環(huán)和以壓縮循環(huán)為主體的制冷循環(huán)進(jìn)行了研究[17]。系統(tǒng)原理如圖6所示。該系統(tǒng)的發(fā)生器和吸收器采取的是垂直管降膜形式，傳熱管采用交叉槽強(qiáng)化管。這個(gè)樣機(jī)試驗(yàn)顯示，當(dāng)?shù)蜏責(zé)嵩催M(jìn)口溫度是390K，供熱溫度為440K，壓縮機(jī)功率是8.3kW時(shí)，系統(tǒng)供熱量為27.2kW，熱力系數(shù)為3.0。

Altenkirch在20世紀(jì)50年代提出多級(jí)溶液熱交換吸收壓縮系統(tǒng)的概念。把發(fā)生器和吸收器分成內(nèi)外兩部分，內(nèi)部吸收器給發(fā)生器提供些熱量，這樣就有效降低了吸收器壓力，減小壓縮比[18]。Zhou等人在多級(jí)溶液熱交換系統(tǒng)的基礎(chǔ)上又增加了一個(gè)旁通管，改變了系統(tǒng)的過(guò)冷量，使得系統(tǒng)COP發(fā)生相應(yīng)的變化[19]。其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

東南大學(xué)的曹毅然，張小松等人[20]對(duì)吸收-壓縮復(fù)合制冷循環(huán)的性能進(jìn)行了具體測(cè)試，并建立了如圖8的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在與傳統(tǒng)循環(huán)進(jìn)行比較后得出，該循環(huán)在節(jié)能、穩(wěn)定性和性能系數(shù)方面都有了很大提高。

該系統(tǒng)可以保障循環(huán)持續(xù)向外提供冷量，而且改良后的吸收式循環(huán)部分在外界提供足量熱量的時(shí)候運(yùn)作，性能COP得到顯著提高。

華中科技大學(xué)周燕，謝軍龍等人[9]通過(guò)對(duì)吸收-壓縮復(fù)合太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的分析，建立了系統(tǒng)的熱能特性方程，指出系統(tǒng)綜合性能系數(shù)和太陽(yáng)能參數(shù)及系統(tǒng)內(nèi)部不可逆系數(shù)間的線性關(guān)系，同時(shí)分析了這些參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能系數(shù)COP的影響。

中石化齊魯分公司的劉輝和山東三維石化公司的李長(zhǎng)勝[21]提出了一種以NH3-LiNO3為工質(zhì)對(duì)。利用數(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。該研究表明，補(bǔ)償相當(dāng)于一定量太陽(yáng)能的電能可以大大降低熱源溫度，提高循環(huán)性能參數(shù)，降低冷卻水量。

3 系統(tǒng)性能分析

吸收壓縮復(fù)合式太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)的性能與集熱溫度、蒸發(fā)溫度和冷卻水溫度等諸多因素有密切關(guān)系。這些因素的變化將直接影響整體機(jī)組的性能變化[22]。

隨著蒸發(fā)溫度的升高，吸收壓縮復(fù)合式制冷循環(huán)的COP會(huì)逐漸增大，而且會(huì)明顯高于傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)的COP。這是因?yàn)楫?dāng)蒸發(fā)溫度和發(fā)生溫度達(dá)到某些值時(shí)，傳統(tǒng)吸收式循環(huán)不能正常工作，但是在該復(fù)合循環(huán)中，吸收循環(huán)中的蒸發(fā)溫度升高，經(jīng)過(guò)整個(gè)循環(huán)的耦合作用，吸收子循環(huán)制得的較高溫度的冷量可以等量轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龅妮^低溫度的冷量，所以吸收壓縮復(fù)合制冷循環(huán)的COP較之傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)有所提高。隨著蒸發(fā)溫度的升高，吸收子系統(tǒng)循環(huán)的過(guò)冷蒸發(fā)溫度和壓縮子系統(tǒng)循環(huán)的制冷劑流量基本保持不變，使得過(guò)冷量變化不大。同時(shí)壓縮機(jī)的壓縮比減小，使得壓縮機(jī)的耗功減少，所以相對(duì)增加率η也逐漸減小。

隨著冷凝溫度的升高，吸收子系統(tǒng)循環(huán)的過(guò)冷蒸發(fā)溫度和壓縮子系統(tǒng)循環(huán)的制冷劑流量變化不大，使得過(guò)冷量增大。同時(shí)壓縮機(jī)的壓縮比增大，使得其耗功增加，所以相對(duì)增加率η也逐漸增大。

隨著發(fā)生溫度的升高，復(fù)合循環(huán)性能逐漸提高，吸收子系統(tǒng)循環(huán)的COP穩(wěn)步增大，提供給壓縮子系統(tǒng)循環(huán)的過(guò)冷量增大，壓縮機(jī)的耗功減少，使得復(fù)合循環(huán)的COP也逐漸增大。所以，隨著發(fā)生溫度的升高，復(fù)合循環(huán)的COP先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定。而傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)的COP與發(fā)生溫度無(wú)關(guān)，是一個(gè)常值[23]。

與傳統(tǒng)蒸氣壓縮式循環(huán)不同，新型復(fù)合循的性能不僅受到蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的影響，還與系統(tǒng)的發(fā)生溫度、加熱量、制冷量密切相關(guān)。

4 吸收壓縮復(fù)合太陽(yáng)能制冷技術(shù)現(xiàn)存問(wèn)題及對(duì)策

該復(fù)合制冷系統(tǒng)聯(lián)合了吸收與壓縮機(jī)組，同時(shí)又聯(lián)用了太陽(yáng)能集熱器。壓縮式機(jī)組和吸收式機(jī)組可以單獨(dú)工作也可以同時(shí)運(yùn)作，但為了保持系統(tǒng)能夠提供持續(xù)穩(wěn)定的制冷量，就必須確保系統(tǒng)在極限工作條件下工質(zhì)的使用量是充足的，而且要保持整個(gè)系統(tǒng)一直運(yùn)行在一個(gè)安全穩(wěn)定的狀態(tài)，就必需要有一套完備的控制體系，同時(shí)也需要實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的辦法來(lái)確定制冷工質(zhì)的用量。

5 結(jié)語(yǔ)

該吸收壓縮復(fù)合太陽(yáng)能制冷循環(huán)利用子吸收系統(tǒng)循環(huán)產(chǎn)生的冷量過(guò)冷壓縮子系統(tǒng)循環(huán)的制冷劑，可以讓低品位的熱能制得的較高溫度的冷量等量地轉(zhuǎn)換成輸出的較低溫度的冷量。所以，與傳統(tǒng)制冷循環(huán)相比，在消耗相同單位制冷劑的條件下，吸收壓縮復(fù)合太陽(yáng)能制冷循環(huán)的制冷量比傳統(tǒng)制冷循環(huán)性能系數(shù)要高10%左右。而且，該新型循環(huán)可以回收大部分壓縮機(jī)排氣的過(guò)熱量，更好地提高了循環(huán)性能。

總之，吸收壓縮復(fù)合式太陽(yáng)能制冷技術(shù)還處于初級(jí)階段，與傳統(tǒng)空調(diào)相比還有很大的改進(jìn)空間，比如小型化、降低成本、提高效率，增加系統(tǒng)可靠性和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)等。但在可持續(xù)發(fā)展和能源多樣化的背景下，該復(fù)合制冷技術(shù)將擁有一個(gè)比較有利的發(fā)展環(huán)境。

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