吸收壓縮復合式太陽能制冷技術及研究進展

謝安?何開巖?黃文

摘?要：概述了吸收壓縮復合式太陽能制冷技術的發展現狀和最新研究結果，著重論述了吸收壓縮制冷循環的工作原理和系統構成，并對這種新型制冷系統的性能進行了分析。探討了集熱溫度、蒸發溫度和冷凝溫度等對系統性能的影響規律，并將該復合系統性能與傳統制冷系統做了對比，其制冷系數相對傳統蒸汽壓縮式循環高10%以上。最后指出了吸收壓縮復合式制冷技術現存的問題。

關鍵詞：太陽能?復合式制冷?制冷系數

中圖分類號：TK519 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）10（a）-0041-03

自20世紀70年代以來，全球能源短缺和環境污染問題日益嚴重，世界許多國家掀起一股開發利用新能源的高潮[1]，其中利用太陽能進行制冷就是一個重要方面。有研究表明，空調能耗占整個建筑能耗的45%[2]，利用太陽能代替常規能源驅動空調對建筑物進行制冷或供熱將是一種很好的選擇。目前應用最廣泛的是蒸汽壓縮式系統，但是它是以消耗電能為代價來換取低品位的熱能，能效比較低。當溫度提升要求較大時，蒸汽壓力升高，甚至超出常規壓縮機范圍以至于單級壓縮不能勝任[3]。而常規的吸收式制冷系統發生器溫度高，發生溫度低，傳熱溫差大，熱效率較低[4]，同時對于單級系統來說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、開發新的制冷循環等方面已涌現出許多新的研究成果[5]。那么綜合了熱驅動吸收式空調和電驅動壓縮式空調兩者優點的吸收壓縮復合式制冷循環越來越受到人們的關注和期待[6，7，8]。

1 吸收壓縮復合式太陽能制冷系統的結構和工作原理

吸收壓縮復合式太陽能制冷系統實際上是由一個吸收式制冷單元串聯一個蒸汽壓縮單元，主要是由平板型太陽能集熱器、溴化鋰吸收式制冷機、儲能裝置和壓縮機等幾大部分構成。在天氣晴朗的時候，由集熱器產生的熱水驅動制冷機制冷；在晚上或者沒太陽的時候，啟動壓縮機制冷，那么蒸發器、壓縮機和冷凝器就構成一個單獨的壓縮式制冷系統。在以集熱器為制冷機熱源時，對制冷機來說，系統性能系數隨著熱源溫度的升高而增加；對于太陽能集熱器，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，為了達到更高的制冷效率，就需要找出制冷機與集熱器之間的最佳工況點[9]。

2 吸收壓縮復合式太陽能制冷系統的各種技術方案及研究進展

根據制冷工質的不同，吸收壓縮復合式制冷系統主要以H2O-NH3式和H2O-LiBr式兩種為主。

2.1太陽能氨水吸收壓縮制冷系統

在當前的吸收式制冷技術中，氨是最早被使用的制冷劑之一。在標準大氣壓下，氨的沸點為-33.4℃，凝固點為-7.7℃，而且它的氣化潛熱非常大，在普通蒸發溫度下就能達1300kJ/kg，大約為R22的7倍。在普通制冷溫度下，制冷機系統低壓部分壓力通常保持在大氣壓力左右，沒有漏氣問題，并且一般認為它的制冷溫度能達到-45℃。

普通的單級氨吸收制冷需要較高的熱源溫度（如在蒸發溫度為-20℃時，熱源溫度要達到140℃），只有在壓力和溫度都滿足的條件下才能進行驅動。而且單級氨吸收制冷本身傳熱溫差大，性能系數COP較低，所以在過去很長一段時間里，這種單級的吸收制冷逐漸被壓縮制冷循環所替代。由于能源短缺和節能減排的實際需要，利用低品味余熱進行制冷的技術越來越受到人們的關注。近年來有許多研究者對兩級的氨吸收制冷循環進行了研究[10，11]，但兩級氨吸收制冷所需設備及其投資費用是單級的兩倍，而且性能并不理想。所以這種制冷技術也沒有獲得廣泛采用。于是，人們將注意力轉向了將吸收與壓縮兩種技術綜合起來的制冷機的研究。

圖2為氨水吸收壓縮太陽能復合制冷循環的原理圖。該制冷循環就是在單級氨吸收制冷的吸收器和蒸發器之間增加了壓縮機。吸收壓縮復合式制冷循環相比單級氨吸收制冷有了較大改進，壓縮機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生器中稀溶液的濃度，有效降低了發生器的發生溫度[12]。采用這種循環可以利用工業余熱作為驅動熱源，同時有效降低了壓縮機的壓縮比，降低了壓縮機的用電負荷，具有節能降耗的作用。

Bruin等人[13]對該系統循環進行了模擬。他們用系統平均濃度來進行計算，假定濃溶液和稀溶液濃度差為10%，氨過熱度、熱交換溫差都為設定值。在設定供熱出口溫度在90～115℃時，平均氨水濃度為35%比較合適。而且除NH3外，R22也經常被使用。

Ventas等人[14]研究了以NH3-LiNO3為工質的吸收壓縮制冷系統，該工質具有良好的熱力學性能，大大降低了系統驅動溫度。在壓縮比為2.0、熱源驅動溫度為64℃的情況下，與熱源溫度94℃時的普通單效吸收式制冷機制冷量相當。

2.2太陽能溴化鋰制冷系統

太陽能具有間歇性和不穩定的特點，依據太陽輻射強度的不同，對該系統分三種情況具體介紹其運行原理。

（1）陽光充裕：太陽能吸收式制冷部分為單效運行。如圖3所示，發生器2內的溴化鋰水溶液被加熱，水分就會不斷蒸發形成制冷劑蒸汽。制冷劑水蒸汽進入冷凝器3，被冷卻為低溫高壓的制冷劑液體，再經節流閥4節流降壓進入蒸發/冷凝器5中蒸發吸熱；壓縮制冷部分運行情況為：從壓縮機出口的制冷劑水蒸汽經閥門12流入冷凝器3，然后進入蒸發/冷凝器5進行熱交換，壓縮制冷部分的制冷劑液體經節流閥13節流降壓后進入蒸發器14蒸發吸熱，最后制冷劑蒸汽進入壓縮機完成一次循環[15]。

（2）陽光不足：太陽能吸收式制冷部分和陽光充裕時運行原理一樣，只是由于陽光不足，發生器2產生的制冷劑水蒸汽量變少，蒸發/冷凝器5的蒸發溫度升高；此時壓縮制冷系統的運行部分為：從壓縮機出來的高溫高壓制冷劑水蒸汽經過閥門11進入9，與吸收式制冷系統的稀溶液進行熱交換，預冷后的制冷劑蒸汽進入冷凝器3被冷媒水冷卻，然后進入蒸發/冷凝器5過冷，再經過節流閥13降壓后進入蒸發器14，進行蒸發吸熱制冷。

（3）無陽光：吸收式制冷部分就不能產生制冷劑，此時只相當于一個普通壓縮制冷系統。

太陽能吸收式制冷單元的蒸發器主要是對蒸汽壓縮單元的冷凝器進行過冷處理，這樣蒸發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的輸入功。這也是本實驗設計時的初衷。

1999年浙江大學的陳光明提出了一種新型太陽能復合制冷系統[16]。如圖4，該系統由平板型集熱器、壓縮循環和一個單效吸收式循環構成。其結構簡單，系統啟動速度快、運行穩定、效率高等特點。如果在無陽光的時候，系統運行就不是很理想。

另外一種利用太陽能的吸收壓縮復合制冷循環如圖5。上海交通大學孫靖瑜，陸震等人對以吸收循環為主體的熱泵循環和以壓縮循環為主體的制冷循環進行了研究[17]。系統原理如圖6所示。該系統的發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化管。這個樣機試驗顯示，當低溫熱源進口溫度是390K，供熱溫度為440K，壓縮機功率是8.3kW時，系統供熱量為27.2kW，熱力系數為3.0。

Altenkirch在20世紀50年代提出多級溶液熱交換吸收壓縮系統的概念。把發生器和吸收器分成內外兩部分，內部吸收器給發生器提供些熱量，這樣就有效降低了吸收器壓力，減小壓縮比[18]。Zhou等人在多級溶液熱交換系統的基礎上又增加了一個旁通管，改變了系統的過冷量，使得系統COP發生相應的變化[19]。其結構如圖7所示。

東南大學的曹毅然，張小松等人[20]對吸收-壓縮復合制冷循環的性能進行了具體測試，并建立了如圖8的系統結構，在與傳統循環進行比較后得出，該循環在節能、穩定性和性能系數方面都有了很大提高。

該系統可以保障循環持續向外提供冷量，而且改良后的吸收式循環部分在外界提供足量熱量的時候運作，性能COP得到顯著提高。

華中科技大學周燕，謝軍龍等人[9]通過對吸收-壓縮復合太陽能制冷系統能量轉換過程的分析，建立了系統的熱能特性方程，指出系統綜合性能系數和太陽能參數及系統內部不可逆系數間的線性關系，同時分析了這些參數對系統性能系數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勝[21]提出了一種以NH3-LiNO3為工質對。利用數值計算的方法對吸收-壓縮太陽能制冷循環的性能參數、冷卻水量和電熱比進行了研究。該研究表明，補償相當于一定量太陽能的電能可以大大降低熱源溫度，提高循環性能參數，降低冷卻水量。

3 系統性能分析

吸收壓縮復合式太陽能制冷系統的性能與集熱溫度、蒸發溫度和冷卻水溫度等諸多因素有密切關系。這些因素的變化將直接影響整體機組的性能變化[22]。

隨著蒸發溫度的升高，吸收壓縮復合式制冷循環的COP會逐漸增大，而且會明顯高于傳統壓縮式循環的COP。這是因為當蒸發溫度和發生溫度達到某些值時，傳統吸收式循環不能正常工作，但是在該復合循環中，吸收循環中的蒸發溫度升高，經過整個循環的耦合作用，吸收子循環制得的較高溫度的冷量可以等量轉變為輸出的較低溫度的冷量，所以吸收壓縮復合制冷循環的COP較之傳統壓縮式循環有所提高。隨著蒸發溫度的升高，吸收子系統循環的過冷蒸發溫度和壓縮子系統循環的制冷劑流量基本保持不變，使得過冷量變化不大。同時壓縮機的壓縮比減小，使得壓縮機的耗功減少，所以相對增加率η也逐漸減小。

隨著冷凝溫度的升高，吸收子系統循環的過冷蒸發溫度和壓縮子系統循環的制冷劑流量變化不大，使得過冷量增大。同時壓縮機的壓縮比增大，使得其耗功增加，所以相對增加率η也逐漸增大。

隨著發生溫度的升高，復合循環性能逐漸提高，吸收子系統循環的COP穩步增大，提供給壓縮子系統循環的過冷量增大，壓縮機的耗功減少，使得復合循環的COP也逐漸增大。所以，隨著發生溫度的升高，復合循環的COP先增大后減小，最終趨于穩定。而傳統壓縮式循環的COP與發生溫度無關，是一個常值[23]。

與傳統蒸氣壓縮式循環不同，新型復合循的性能不僅受到蒸發溫度和冷凝溫度的影響，還與系統的發生溫度、加熱量、制冷量密切相關。

4 吸收壓縮復合太陽能制冷技術現存問題及對策

該復合制冷系統聯合了吸收與壓縮機組，同時又聯用了太陽能集熱器。壓縮式機組和吸收式機組可以單獨工作也可以同時運作，但為了保持系統能夠提供持續穩定的制冷量，就必須確保系統在極限工作條件下工質的使用量是充足的，而且要保持整個系統一直運行在一個安全穩定的狀態，就必需要有一套完備的控制體系，同時也需要實驗和數值模擬的辦法來確定制冷工質的用量。

5 結語

該吸收壓縮復合太陽能制冷循環利用子吸收系統循環產生的冷量過冷壓縮子系統循環的制冷劑，可以讓低品位的熱能制得的較高溫度的冷量等量地轉換成輸出的較低溫度的冷量。所以，與傳統制冷循環相比，在消耗相同單位制冷劑的條件下，吸收壓縮復合太陽能制冷循環的制冷量比傳統制冷循環性能系數要高10%左右。而且，該新型循環可以回收大部分壓縮機排氣的過熱量，更好地提高了循環性能。

總之，吸收壓縮復合式太陽能制冷技術還處于初級階段，與傳統空調相比還有很大的改進空間，比如小型化、降低成本、提高效率，增加系統可靠性和簡化結構等。但在可持續發展和能源多樣化的背景下，該復合制冷技術將擁有一個比較有利的發展環境。

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