太阳能吸附式制冷技术进展综述

能源研究与信息第23卷 第1期 Energy Research and Information V ol. 23 No. 1 2007收稿日期：2006-06-29作者简介：赵加佩(1985-)，男(汉)，本科生，jiapeizhao@ 。

文章编号: 1008-8857(2007)01-0023-07太阳能吸附式制冷技术进展综述赵加佩, 陈 宁, 冻小飞(中国矿业大学 机电学院, 江苏 徐州 221008)摘 要: 介绍了太阳能吸附式制冷技术的原理与特点，从吸附剂-制冷剂工质对、系统循环方式以及吸附床三个方面详细说明了吸附式制冷技术的进展。

通过综合分析指出，优化系统的设计，尤其是对系统关键部件，如吸附床、冷凝器、蒸发器的优化设计，对太阳能吸附式制冷系统的性能非常重要；其次，应加强对性能稳定、操作简便的无阀系统的研究，同时加大对太阳能吸附式制冷与建筑一体化的研究力度，使之符合建筑一体化的要求。

最后分析了太阳能吸附式制冷技术的发展前景。

关键词: 太阳能; 吸附制冷; 进展中图分类号: S214.4 文献标识码: A太阳能制冷系统主要包括吸收式、吸附式、喷射式、除湿式以及各种混合式系统等。

其中太阳能吸附式制冷技术作为一种完全环境友好的制冷方式，受到制冷界广泛关注。

当前，世界各国都在加紧太阳能吸附式制冷技术的研究。

我国在该领域已取得了可喜的成果。

随着我国经济的持续快速稳步增长以及节能与环保的迫切要求，太阳能吸附制冷技术在我国具有广阔的发展前景。

1 太阳能吸附式制冷原理及其特点1.1 太阳能吸附式制冷原理太阳能吸附式制冷系统的一种简单形式是基本型吸附式系统，它主要由发生器(吸附床)、冷凝器、蒸发器、阀门等部分组成。

图1为系统工作原理图[1]。

白天太阳辐射充足时，吸附床吸收太阳辐射后，温度升高，使制冷剂从吸附剂中解吸，吸附床内压力升高。

解吸出来的制冷剂进入冷凝器，经冷却介质冷却后凝结为液态，进入蒸发器。

这样，太阳能转化为代表制冷能力的吸附势储存起来，实现化学吸附潜热的储存。

夜间或太阳辐射不足时，环境温度降低，太阳能吸附集热器通过自然冷却后，吸附床的温度下降，吸附剂开始吸附制冷剂，产生制冷效果。

24能源研究与信息 2007年第23卷图1 太阳能吸附式制冷系统图Fig. 1Schematic of the solar powered adsorption refrigeration system1.2 太阳能吸附式制冷特点与常规压缩式制冷方式相比，太阳能吸附式制冷有着不采用氟利昂作为制冷剂，系统结构简单、运行噪声低、寿命长、安全性好、无需考虑腐蚀等一系列显著优点。

在对太阳能吸附式制冷作了大量理论研究的基础上，各国学者们也进行了长期的实验研究，其中大多数是对吸附式制冰样机的研究，循环工质对通常选择活性炭－甲醇，少数也采用硅胶－水。

表1列出了国内外一些太阳能固体吸收式制冷机的实验结果。

作为比较，表2列出了太阳能吸收式制冷机的一些参数[9]。

表1 国内外吸附式试验样机的研究状况Table 1 Domestic and overseas experiments on solar adsorption ice-maker devices 研究人员工质对典型COP 日制冰量/(kg⋅m-2)吸附集热器类型实验时间谭盈科,等[2]活性炭/甲醇0.11 2.7~5.5 平板集热器1992 Anyanwu, E. E.等[3]活性炭/甲醇0.093 - 平板集热器1995.11 Buchter, F.等[4]活性炭/甲醇0.09~0.13 8 平板集热器1999.5 Hildbrand等[5]硅胶/水0.10~0.25 - 平板集热器 2001.夏李明等[6]活性炭/甲醇0.127~0.146 4.3~7.4 平板集热器2001.11罗会龙等[7]活性炭/甲醇0.083~0.127 3.2~6.5 平板集热器2003.4, 2004.3 Khattab, N. M.[8]活性炭/甲醇0.136~0.159 6.9~9.4 管状结构集热器2004表2 太阳能吸收式制冷的研究结果Table 2Research results of the solar powered absorption refrigeration类型COP值热源温度/℃集热器类型加热功率/kW集热器面积/m2单效0.7085平板或真空管 1.437.48双效 1.20130真空管/CPC0.83 5.07三效 1.70220聚光型0.59 4.49第1期赵加佩, 等：太阳能吸附式制冷技术进展综述25通过对比表1、表2可以看出，太阳能吸收式制冷方式的COP比吸附式高出几倍甚至十几倍。

系统总的COP值偏低是太阳能吸附式制冷的最大缺点。

因此，虽然不断有各种太阳能吸附式制冰实验样机出现，但其离商业化应用仍有较大距离。

要提高吸附式制冷方式的竞争力，就必须努力提高该方式的COP值。

2 太阳能吸附式制冷的主要研究动向为了加速太阳能吸附式制冷技术的商业化进程，学者们主要从以下三个方面展开研究[10]：吸附剂－制冷剂工质对的性能、各种循环方式的热力性能和发生器(吸附床)的性能。

2.1 吸附剂－制冷剂工质对的性能研究吸附剂－制冷剂工质对的热力性质对系统性能系数、设备材料、一次性投资影响颇大[11]。

目前，吸附剂－制冷剂工质对的性能研究已从工质对本身特性的研究发展到整个系统的研究[10]。

孙志坚等[12]对以硅胶－水作为工质对的可行性进行了研究，认为将硅胶－水工质对用于吸附式空调系统在技术上是可行的。

Anyanwu E. E.等[13]对活性炭－氨、沸石－水以及活性炭－甲醇三种工质对作研究后认为，沸石－水是用于太阳能吸附式空调系统的最佳工质，而活性炭－氨则更适合作制冰机、食物贮藏之用。

李明等[14]经过实验研究后认为，与活性炭－酒精相比，活性炭－甲醇更适于吸附式制冰机，并且发现，在其他条件相同的情况下，以活性炭－甲醇为工质对能制出冰，而以活性炭－酒精则不能。

为了提高吸附剂的吸附能力，崔群等[15]通过将几种吸附剂(以13 x分子筛、坳隆土、氯化锶为主)混合的方法有效地提高了吸附剂的吸附能力，研究发现，复合后的吸附剂对酒精的吸附能力高于活性炭对酒精的吸附能力。

2.2 太阳能吸附式制冷循环方式的研究循环方式研究的重要方法是计算机数值模拟，它可以对系统性能进行预测。

太阳能吸附式制冷循环方式，除了前述基本型以外，还有连续回热型、热波型和对流热波型[16]。

2.2.1 连续回热型吸附式制冷循环基本型吸附式制冷循环效率较低，因为在循环过程中没有采用回热措施，吸附床的冷却放热以及吸附放热都白白流失了，且循环中制冷过程是不连续的，为解决此问题就有了连续回热型循环方式。

其原理为：系统中有两个吸附床A和B。

假定对吸附床A加热，对吸附床B 冷却，当吸附器A充分解吸、吸附器B吸附饱和后，使吸附床A冷却，吸附床B加热，吸附床A、B交替进行组成了一个完整的连续制冷循环。

同时，为了提高能量利用率，在两过程切换中，利用高温吸附床冷却时放出的显热和吸附热来加热另一个吸附床，即进行回热，可减少系统的能量输入，提高COP。

2.2.2 热波循环多床循环吸附床与吸附床之间存在传热温差使系统的回热利用率不高，且投资费用随床数的增加而成倍增长。

为解决此问题，Shelton提出了热波循环。

循环中吸附床被设计成沿流体流程存在很大的温度梯度，可以被看成由一系列能独立进行热交换的小吸附床组成，两个吸附床反向进行，各自只有一小部分进行热交损，另一部分保持其温度，这样能最大限度地利用吸附过程放出的热量，更充分地回热。

Sward Brian K.等[17]对以水－NaX分子筛为工质对的26能源研究与信息 2007年第23卷热波循环模型研究后认为，在热源温度393 K，冷凝器温度303 K，蒸发温度278 K的条件下，循环COP可超过1.2。

2.2.3 对流热波循环对流热波循环是由R. E. Critoph提出的[18]，它是一种利用吸附床内强迫对流来改善吸附床传热传质性能的循环方式，即利用制冷剂气体和吸附剂之间的强制对流，使用循环泵将氨等制冷剂蒸汽直接加热、冷却吸附剂而获得较高的热流密度，因床内的传热条件良好，在较短的时间内就可将吸附床加热或冷却到预定温度。

2.3 发生器(吸附床)的研究对吸附床的研究主要是就其传热传质而言的。

吸附床传热过程中温度不均匀性是导致实际循环偏离理想循环的一个重要原因，改善吸附床的传热性能是完善固体吸附式制冷循环的重要途径[19]。

其中，强化吸附床导热性能的常用方法[20]，一是在床中嵌入金属肋片，二是在吸附剂中添加金属颗粒，如铜粉、镍沫等。

李春华等[20]在以平板型太阳能吸附床中的温度分布分析了不同强化传热措施后认为，在吸附床中嵌入合适的金属肋片或提高吸附剂的导热系数均可大大减小床内的温度梯度，并且，嵌入肋片的方法似乎更简单、有效；肋片的热容对吸附床的温升有很大负面影响，应选取热容较小的金属。

同时肋片间距也要适当，一般6 cm左右较合适。

李明等[21]对平板式吸附制冰机建立了描述吸附床中传热传质现象的数学模型，模拟结果与理论分析吻合得很好，为间歇太阳能吸附制冷的非稳态分析和性能预测提供了依据。

李东明等[22]建立了吸附床的热力学计算模型，该模型考虑到床内温度、压力、质量的相互作用，给出了内部节点和边界节点的有限差分方程，用数值计算方法给出了在太阳能辐射强度变化时方程的合理解，为吸附床内动态特性的进一步分析奠定了基础。

在减少热阻方面，朱冬升等[23]对吸附床与吸附剂(聚苯胺)颗粒表面的接触热阻进行了实验研究，分析了在接触面上涂导热胶和加压的方法对接触热阻的影响。

实验结果表明，以上两个方法可以有效地减少接触热阻，并且对吸附床内吸附剂的传质过程没有影响。

3 太阳能吸附式制冷的宏观考虑仅仅考虑系统中单个部件的性能是不够的，要构成一个性能良好的系统，必须将对单个部件的研究放到整个系统中去进行，实现各个部件之间的最优匹配。

这就需要对整个系统进行最优化设计。

一个性能好的系统要考虑到以下几个方面[24]：吸附剂—制冷剂工质对的选择、集热器的选择、系统设计以及各子系统的布置。

在考虑吸附式系统的实用化方面[25]，须以实际运行经济性为目标函数，考虑日制冷量、循环时间、设备耗材与吸附剂耗量、一次性初投资、区域日照特点、用户经济承受能力等因素，运用技术经济的观点，进行吸附式制冷系统的技术经济分析。

目前，太阳能吸附式制冷呈现出多元化的趋势。

一些研究者将太阳能吸附式制冷与其它制冷方式结合起来，组成了新型混合式系统，例如：吸附—除湿式[26]、吸附—喷射式混合系统[27]。

文献[27]对吸附—喷射式混合系统的数值模拟表明，该混合系统的COP可比单纯吸附式系统的COP高出10%。