吸收壓縮復(fù)合式太陽能制冷技術(shù)及研究進展

謝安?何開巖?黃文

摘?要：概述了吸收壓縮復(fù)合式太陽能制冷技術(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，并對這種新型制冷系統(tǒng)的性能進行了分析。探討了集熱溫度、蒸發(fā)溫度和冷凝溫度等對系統(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)做了對比，其制冷系數(shù)相對傳統(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)存的問題。

關(guān)鍵詞：太陽能?復(fù)合式制冷?制冷系數(shù)

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(huán)境污染問題日益嚴重，世界許多國家掀起一股開發(fā)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(diào)能耗占整個建筑能耗的45%[2]，利用太陽能代替常規(guī)能源驅(qū)動空調(diào)對建筑物進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(guī)壓縮機范圍以至于單級壓縮不能勝任[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]，同時對于單級系統(tǒng)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(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)動吸收式空調(diào)和電驅(qū)動壓縮式空調(diào)兩者優(yōu)點的吸收壓縮復(fù)合式制冷循環(huán)越來越受到人們的關(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)合式太陽能制冷系統(tǒng)實際上是由一個吸收式制冷單元串聯(lián)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(gòu)成。在天氣晴朗的時候，由集熱器產(chǎn)生的熱水驅(qū)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(fā)器、壓縮機和冷凝器就構(gòu)成一個單獨的壓縮式制冷系統(tǒng)。在以集熱器為制冷機熱源時，對制冷機來說，系統(tǒng)性能系數(shù)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(fù)合式太陽能制冷系統(tǒng)的各種技術(shù)方案及研究進展

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太陽能氨水吸收壓縮制冷系統(tǒng)

在當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(fā)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(tǒng)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(fā)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(qū)動。而且單級氨吸收制冷本身傳熱溫差大，性能系數(shù)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(huán)所替代。由于能源短缺和節(jié)能減排的實際需要，利用低品味余熱進行制冷的技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。近年來有許多研究者對兩級的氨吸收制冷循環(huán)進行了研究[10，11]，但兩級氨吸收制冷所需設(shè)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(shù)也沒有獲得廣泛采用。于是，人們將注意力轉(zhuǎn)向了將吸收與壓縮兩種技術(shù)綜合起來的制冷機的研究。

圖2為氨水吸收壓縮太陽能復(fù)合制冷循環(huán)的原理圖。該制冷循環(huán)就是在單級氨吸收制冷的吸收器和蒸發(fā)器之間增加了壓縮機。吸收壓縮復(fù)合式制冷循環(huán)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(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(jié)能降耗的作用。

Bruin等人[13]對該系統(tǒng)循環(huán)進行了模擬。他們用系統(tǒng)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(shè)定值。在設(shè)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(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)具有良好的熱力學性能，大大降低了系統(tǒng)驅(qū)動溫度。在壓縮比為2.0、熱源驅(qū)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(tǒng)

太陽能具有間歇性和不穩(wěn)定的特點，依據(jù)太陽輻射強度的不同，對該系統(tǒng)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(fā)生器2內(nèi)的溴化鋰水溶液被加熱，水分就會不斷蒸發(fā)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(jīng)節(jié)流閥4節(jié)流降壓進入蒸發(fā)/冷凝器5中蒸發(fā)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(jīng)閥門12流入冷凝器3，然后進入蒸發(fā)/冷凝器5進行熱交換，壓縮制冷部分的制冷劑液體經(jīng)節(jié)流閥13節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)器14蒸發(fā)吸熱，最后制冷劑蒸汽進入壓縮機完成一次循環(huán)[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(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；此時壓縮制冷系統(tǒng)的運行部分為：從壓縮機出來的高溫高壓制冷劑水蒸汽經(jīng)過閥門11進入9，與吸收式制冷系統(tǒng)的稀溶液進行熱交換，預(yù)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(fā)/冷凝器5過冷，再經(jīng)過節(jié)流閥13降壓后進入蒸發(fā)器14，進行蒸發(fā)吸熱制冷。

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

太陽能吸收式制冷單元的蒸發(fā)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(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的輸入功。這也是本實驗設(shè)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(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)和一個單效吸收式循環(huán)構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)啟動速度快、運行穩(wěn)定、效率高等特點。如果在無陽光的時候，系統(tǒng)運行就不是很理想。

另外一種利用太陽能的吸收壓縮復(fù)合制冷循環(huán)如圖5。上海交通大學孫靖瑜，陸震等人對以吸收循環(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化管。這個樣機試驗顯示，當?shù)蜏責嵩催M口溫度是390K，供熱溫度為440K，壓縮機功率是8.3kW時，系統(tǒng)供熱量為27.2kW，熱力系數(shù)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(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等人在多級溶液熱交換系統(tǒng)的基礎(chǔ)上又增加了一個旁通管，改變了系統(tǒng)的過冷量，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。

東南大學的曹毅然，張小松等人[20]對吸收-壓縮復(fù)合制冷循環(huán)的性能進行了具體測試，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(fù)合太陽能制冷系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程的分析，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，同時分析了這些參數(shù)對系統(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勝[21]提出了一種以NH3-LiNO3為工質(zhì)對。利用數(shù)值計算的方法對吸收-壓縮太陽能制冷循環(huán)的性能參數(shù)、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(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會逐漸增大，而且會明顯高于傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)的COP。這是因為當蒸發(fā)溫度和發(fā)生溫度達到某些值時，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)過整個循環(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(tǒng)循環(huán)的過冷蒸發(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(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)的過冷量增大，壓縮機的耗功減少，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)生溫度無關(guān)，是一個常值[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)合太陽能制冷技術(shù)現(xiàn)存問題及對策

該復(fù)合制冷系統(tǒng)聯(lián)合了吸收與壓縮機組，同時又聯(lián)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(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，而且要保持整個系統(tǒng)一直運行在一個安全穩(wěn)定的狀態(tài)，就必需要有一套完備的控制體系，同時也需要實驗和數(shù)值模擬的辦法來確定制冷工質(zhì)的用量。

5 結(jié)語

該吸收壓縮復(fù)合太陽能制冷循環(huán)利用子吸收系統(tǒng)循環(huán)產(chǎn)生的冷量過冷壓縮子系統(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排氣的過熱量，更好地提高了循環(huán)性能。

總之，吸收壓縮復(fù)合式太陽能制冷技術(shù)還處于初級階段，與傳統(tǒng)空調(diào)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(tǒng)可靠性和簡化結(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)將擁有一個比較有利的發(fā)展環(huán)境。

參考文獻

[1]YAMAGUCH IA H， ZHANG X R，F(xiàn)U JIMA K，et al. Solar energy powered Rankine cycle using supercritica CO2 [J].Applied Therma Engineering，2006， 26（17）：2345-2354.

[2]FANY，LUO L，SOUYR I B. Review of solar sorption refrigeration technologies： development and applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2007，11（8）：1758-1775.

[3]Tarique S M，Siddiqui M A. Performance and economic study of the combined absorption/compression heat pump[J].

Energy Conversion & Management，

1999，40：575-591.

[4]孫靖瑜，陸震，李大慶.關(guān)于吸收壓縮復(fù)疊循環(huán)的研究[J].節(jié)能技術(shù)，1998（2）：2-4.

[5]邱澤正，龔宇烈，馬偉斌，等.國內(nèi)外吸收壓縮式熱泵研究進展[J].化工進展，2011，30（2）：264-268.

[6]Ayala R，Heard C L，Holland F A.

Ammonia/lithium nitrate absorption/

compression refrigeration cycle.part 1.

simulation[J].Applied Thermal

Engineering，1997，17（3）：223-233.

[7]Hulten M，Berntsson T.The compression/absorption cycle-influence of some major parameters on cop and a comparison with the compression cycle[J].International Journal of Refrigeration-Revue Internationale Du Froid，1999，22（2）：91-106

[8]Brunin O，F(xiàn)eidt M，Hivet B. Comparison of the working domains of some compression heat pumps and a compression-absorption heat pump[J].International Journal of Refrigeration-Revue Internationale Du Froid，1997，20（5）：308-318.

[9]周燕，謝軍龍，沈國民.太陽能吸收-蒸汽壓縮式空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化分析[J].建筑熱能通風空調(diào)，2002（4）：1-3.

[10]袁竹林，楊思文.雙級氨吸收制冷數(shù)學模型及對中間壓力的研究[J].東南大學學報，1996，26（2）：38-43.

[11]蘇曉，林貴平.雙級氨-水吸收制冷循環(huán)分析[J].北京航空航天大學學報，1997，23（5）：556-559.

[12]趙宗昌，張曉冬.低溫余熱驅(qū)動的氨吸收/壓縮聯(lián)合制冷循環(huán)的熱力性能分析[J].化工進展，2009（28）：459-462.

[13]Brunin O，F(xiàn)eidt M，Hivet B.Comparison of the working domains of some compression heat pumps and a compression-absorption heat pump[J].International Journal of Refrigeration，1997，20（5）：308-318.

[14]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.

[15]孟翔鋒，周儀.太陽能吸收式制冷系統(tǒng)新進展[J].浙江建筑，2010，27（6）：53-55.

[16]謝應(yīng)明，文遠高.吸收式太陽能空調(diào)技術(shù)的新進展與新構(gòu)想[J].建筑熱能暖風空調(diào)，2003（4）：30-33.

[17]孫靖瑜，陸震，李大慶.關(guān)于吸收-壓縮復(fù)疊循環(huán)的研究[J].節(jié)能技術(shù)，1998（2）：2-4.

[18]Groll E A.Current status of absorption/compression cycle technology ashrae[C]//ASHRAE Transactions Symposia1，1997.

[19]Zhou Q，Radermacher R. Development of a vapor compression cycle with a solution circuit and desorber/absorber heat exchange[J].International Journal ofRefrigeration，1997，20（2）：85-95.

[20]曹毅然，張小松，鮑鶴靈.太陽能驅(qū)動的壓縮吸收復(fù)合式制冷循環(huán)分析[J].流體機械，2002，30（10）：51-53.

[21]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.

[22]辛長平.溴化鋰吸收式制冷機使用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[23] 唐鵬武，陳光明，唐黎明，等.一種新型吸收-壓縮復(fù)合制冷循環(huán)模擬[J].低溫工程，2011（4）：21-26.