热驱动制冷技术与应用

近年来，制冷随着国民经济的发展和人民生活水平的提高得到了空前的发展。

同时，制冷技术的进步伴随着相关技术与制冷技术的结合与渗透，呈现出节能化、环保化、智能化的显著特点。

相关技术的发展，如新的热驱动制冷技术的发展，有力地促进了制冷技术的进步。

热驱动制冷是指以热能为驱动力的制冷。

现指的热驱动制冷循环主要是：溴化锂吸收式制冷、氨水吸收式制冷、喷射式制冷、吸附式制冷。

这些制冷循环的制冷机对热源要求不高，可以使用低品位热能。

在许多工业生产部门（如化工、冶金等）都具有大量的这种低品位热能，而这些部门在生产中又往往需要很多的冷量，用以空调或其他生产工艺上使用。

但随着人口的急剧增加，资源消耗加速，能源危机加剧，人类的命运受到日益严峻的挑战。

寻找并利用新的能源，尤其是研究开发可再生性能源，如太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等成为当今科技研究热点。

制冷机在利用太阳能、地热这些低温热源制冷方面，各种制冷方式都有其独特之处。

在上述新能源中，太阳能是一种非常重要的可再生性能源，取之不尽、用之不竭，且具有无污染、安全性好等优点。

我国是一个太阳能资源非常丰富的国家，以河北、山西等地为例，该地区的太阳辐射年总量在586～670kJ／cm2，相当于燃烧标准煤200～230kg。

可见，有效地利用太阳能对于我们这个人口众多的国家具有非常重要的意义。

利用太阳能驱动实现制冷的研究，是通过采用不同的能量转换方式来实现制冷，目前提出了2种主要方式：（1）实现光－电转换，再以电力推动常规的压缩式制冷机制冷即压缩式太阳能制冷系统，或以电力驱动半导体制冷器实现制冷的系统；（2）进行光－电热转换，以热能驱动实现制冷。

由于光电转换技术成本太高，在市场上尚难推广应用，目前研究重点选择后一种方式，主要从以下3个方向着手，即太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷，并以这3种制冷方法为基础，进一步延伸出一些新的综合制冷方法。

其中太阳能吸收式制冷和太阳能喷射式制冷都已进入了应用阶段，而太阳能吸附式制冷还处在试验研究阶段。

太阳能吸收式制冷技术是利用吸收剂的吸收和蒸发特性进行制冷的技术，根据吸收剂的不同，分为氨水吸收式制冷和溴化锂－水吸收式制冷2种。

它以太阳能集热器收集太阳能产生热水或热空气，再用太阳能热水或热空气代替锅炉热水输入制冷机中制冷。

由于造价、工艺、效率等方面的原因，这种制冷机不宜做得太小。

一般用于较大型的制冷设备，如中央空调系统、大型冷冻库等。

下面着重介绍高效低成本的太阳能空调系统。

利用太阳能驱动制冷空调可减少电力消耗，减轻发电过程煤炭直接燃烧所带来的大气污染、酸雨、温室效应、化石能源枯竭等问题，因而受到国内外广泛关注。

目前发展太阳能空调的最大障碍是初始投资较大；其次，效率偏低和太阳能辐射与空调负荷的日周期性不相符合的问题也影响了太阳能空调的实际应用。

1高效低成本太阳能制冷空调创新方案如果仅建设单一功能的太阳能空调，则由于其初始投资比现有电压缩式空调以及燃油和燃气型溴化锂吸收式制冷空调方式昂贵得多，因而必然难以引起用户的兴趣。

其实，分析太阳能空调设备费用构成，太阳能集热器大约占2／3，所以只要充分发挥太阳能集热器的作用，就可能获得良好的经济效益。

按照上述思路，以热水需求量来确定空调负荷供应量的太阳能空调和热水站综合系统方案的设计理念，瞄准城市建筑物屋顶建立以建筑物为单元的供应的太阳能利用系统。

由于太阳能空调所需的集热器面积通常是空调房间面积的0.3～1倍，即每户大约需要集热器20m2以上，而每个家庭生活热水所需集热器仅需2～3m2。

所以大面积的集热器生产的热水如果仅供应自己的太阳能空调使用根本用不完，在非空调季节热水器的闲置也是一种浪费。

综合方案既满足了包括底层住户在内的所有住户使用经济实惠的太阳能热水的愿望，又节省了部分住户用于空调的费用，由于集热器的投资费用被所有热水用户分摊，太阳能空调用户所增加的投资仅仅是制冷机和室内风机盘管等，而这部分的投资可很快在节省的空调电费中回收。

由于溴化锂吸收式制冷机本身在消耗较高温度热水的同时还产生数量更多的中温热水，可设置调温换热器来满足生活热水温度要求，所以无须担心因使用了空调而影响生活热水供应。

其次，从高效率与蓄能的角度来看，应采用以双效循环和单效溴化锂循环耦合蓄能运行的方式。

在日照时段，当集热器产生的热源温度在140℃以上时可按双效循环运行提供空调制冷量，并进行蓄热，而在无日照时段或热源温度下降到140℃以下时切换为热水型单效循环，利用蓄热驱动制冷机组运行，直至蓄能罐中的热水温度下降到85℃左右单效循环无法运行为止。

由于双效与单效循环之间热源利用温差很大，单位体积的蓄能罐可以蓄取较多的能量。

其蓄能密度与冰蓄冷相当，在正常天气情况下有可能无需用辅助能源而完全靠太阳能进行昼夜空调。

因为若使用燃气等备用能源则不仅系统复杂，而且因运行费用增大而在多用户费用分摊问题上容易引起纠纷，不如由住户将普通电空调作为备用更为简单实用。

聚光型太阳能集热器有单轴跟踪聚光型槽式集热器和CPC 非跟踪聚光热管型集热器等。

前者初投资和运行维护费用都较大，且因难以承受屋顶处可能出现的强风而并不适合于安装在屋顶；后者相对较简单、可靠，但热管型集热器的成本费用仍然偏高。

新型非跟踪聚光型太阳能真空集热器，其特点是靠带吸收翅片的金属螺旋管承压，置于双层透明真空玻璃管内，以减少对流及传导散热损失；并在双层透明真空玻璃管夹层内设置聚光反射板，由于回避了金属与玻璃的焊接等影响质量合格率和增大成本的因素以及聚光反射板在空气中的氧化问题，该技术方案成本较低，可靠性提高，且容易实现与建筑物体一体化。

另一方面的创新是溴化锂吸收式制冷机的换热器结构型式。

溴化锂吸收式制冷机有发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和溶液热交换器等众多换热器，由于管壳式换热器不适合用于小型溴化锂制冷机，需要有改进方案。

远大集团在其开发的户式燃气中央空调中采用螺旋盘管。

此外，围绕高效紧凑的波纹板换热器的研究，已热驱动制冷技术与应用夏楠1夏莎莉2（1.江苏省设备成套有限公司，江苏南京210009；2.苏州轨道交通有限公司，江苏苏州215006）摘要：对新的热驱动制冷技术进行了介绍，着重对太阳能吸收式制冷技术的应用范围，以及在实际应用中的效果进行了分析，找出影响目前发展太阳能空调的障碍，提出高效低成本太阳能制冷空调创新方案。

关键词：热驱动制冷；太阳能吸收式制冷；高效低成本工艺与技术◆Gongyi yu Jishu132机电信息2011年第18期总第300期逐步扩展到吸收式系统。

Bassols J.et al.研究了板翅式换热器在吸收式热泵中的应用；Andreas G.et al.分析了紧凑型换热器用于吸收式热变换器的特征。

国内李美玲等研制了全板翅式热质交换器组成的溴化锂吸收式制冷机；而由板壳式换热器组成的溴化锂吸收式制冷机，根据各传热传质过程的特点改进换热器的结构，分别适合于冷凝和液膜型传热传质过程强化的“双尺度波纹板”。

由于采用波纹板换热器因高效紧凑、材料消耗少而在规模生产时能降低成本，将成为小型溴化锂制冷机产品化的主流。

近年来，长江中下游地区的问题也开始引起关注。

冬冷夏热的气候条件，经济相对比较发达而能源匮乏的现状不能不将目光转向可再生能源的利用。

压缩式地源热泵在国外已是相当普及，国内近年来也得到一定发展，但利用太阳能驱动的吸收式地源热泵研究尚未展开。

如果开发夏季空调制冷与冬季采暖两用的太阳能吸收式制冷热泵机组，设备的利用效率将大为提高，经济效益可明显改善。

由于溴化锂吸收式制冷机只能在0℃以上运行，冬季作热泵运行时以空气源作低温热源的冷却塔在气温低于0℃时是不可用的，所以用地源水来提供低温热源是明智的选择。

而冬暖夏凉的地源水对于提高机组的制冷和供暖循环效率也大有益处，即使按照保守值估计，双效或单效循环运行的供热性能系数分别可达2.2和1.7以上，也就是说，供暖功率可以比太阳能集热器提供的功率放大1.2倍和0.7倍。

2溴化锂吸收式制冷机性能由于单效循环的研究成果较多，对其规律已比较清楚，以下重点对双效循环进行分析。

计算中热源为饱和水蒸汽，冷却水进出口温差为6℃，冷媒水进出口温差为5℃。

图1和图2分别显示了热源温度与冷却水或冷媒水进口温度变化时，双效循环热力系数COP 的变化趋势。

当热源温度增大，或冷却水温度降低，或冷媒水温度升高时，循环的COP 值都将增大，且冷却水或冷媒水所引起的变化更大些。

而随着热源温度进一步增大时，热力系数COP 增加的幅度逐渐趋缓；在冷却水进口温度较高或冷媒水进口温度较低而热源温度较低时，双效循环将不能进行，这意味着冷媒水温度将升高。

3结语（1）建设太阳能空调和热水站综合系统可使集热器的投资费用被所有热水用户分摊，太阳能空调用户所增加的投资就可在所节省的空调电费中回收，从而获得良好的经济效益。

（2）采用中温聚光型集热器提供热源，驱动制冷机白天按双效循环运行并蓄能，晚间靠蓄能按单效循环运行。

该方案不仅循环效率高，且蓄能罐蓄能密度很大，可实现完全靠太阳能进行昼夜空调。

中温集热器采用内置式反射板时，聚光比不宜小于3。

（3）板壳式换热器组成的溴化锂吸收式制冷机适合用于太阳能空调。

双效循环制冷机性能系数与热源温度、冷媒水温度、冷却水温度密切相关。

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