一、太陽能驅(qū)動的制冷技術

太陽能取之不竭，用之不盡，對環(huán)境沒有污染，是最有前途的能源之一。如今，人們正在考慮利用太陽能制冷，由于夏季太陽能最豐富，也是人們最需要空調(diào)制冷的時候，利用太陽能對房間進行溫度調(diào)節(jié)，首先要解決如何用太陽能制冷的問題。

太陽能吸收式制冷

太 陽能吸收式制冷系統(tǒng)簡圖如圖1所示。它的特點與系統(tǒng)使用的制冷劑有關，常用于吸收式制冷系統(tǒng)的制冷劑有水、氨、乙醇、氟里昂4大類。其中，用水作制冷劑是 目前研究最熱門的課題之一，對它的研究主要是針對現(xiàn)今大量生產(chǎn)的商用溴化鋰吸收式制冷機存在的易結晶、腐蝕性強、蒸發(fā)溫度只能在0℃以上等缺陷上；對氨的 研究主要是針對一些缺點，如：制冷性能系數(shù)比溴化鋰小，工作壓力高，具有一定的危險性，有毒，氨和水之間沸點相差不夠大，需要精餾等。吸收式制冷雖然技術 相對成熟，但系統(tǒng)成本較蒸汽壓縮式制冷高，主要用在大型中央空調(diào)。

圖1　太陽能吸收式制冷系統(tǒng)簡圖

太陽能吸附式制冷

太 陽能吸附式制冷系統(tǒng)如圖2所示。它的特點是結構簡單、一次投資少、使用壽命長、無結晶等，且能用于振動、傾顛、旋轉(zhuǎn)的場所。但與壓縮式和吸收式系統(tǒng)相比， 該技術還很不成熟。主要問題在于固體吸附劑為多孔介質(zhì)，導熱性能低，因而吸附和解吸所需時間長，制冷功率小，制冷性能系數(shù)COP值偏低。

圖2　太陽能吸附式制冷系統(tǒng)簡圖

太陽能噴射式制冷

太 陽能噴射式制冷系統(tǒng)簡圖如圖3所示。該系統(tǒng)的特點是結構簡單、運行穩(wěn)定、可靠性好，但COP值較低。因而出現(xiàn)了用電能輔助提高噴射器的引射壓力以提高系統(tǒng) 性能的趨勢。利用太陽能集熱器獲得較高溫度的熱水為熱源，采用低沸點工質(zhì)輔以機械壓縮噴射制冷循環(huán)稱為太陽能增強型噴射制冷系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要以提高引射流 壓力來提高噴射器性能，它綜合了機械壓縮式制冷循環(huán)和蒸汽噴射式制冷循環(huán)的優(yōu)點，具有較高的熱經(jīng)濟性，其COP比傳統(tǒng)的噴射制冷高50％。

圖3　太陽能噴射式制冷系統(tǒng)簡圖

太陽能半導體制冷技術

太 陽能半導體制冷系統(tǒng)就是利用半導體的熱電制冷效應，由太陽能電池直接供給所需的直流電，達到制冷制熱的效果，又稱為熱電制冷或溫差電制冷。太陽能制冷具有 很好的季節(jié)匹配性，夏季，天氣越熱，空調(diào)的負荷越大，需要的制冷量就越大，而此時太陽幅射最強，提供的熱能最多，太陽能空調(diào)提供的冷量也就最高。冬季，太 陽能輻射減弱，但所需的制熱循環(huán)水溫度不高，在滿足制冷工況的集熱面積下，同樣能滿足制熱負荷的要求，這一特點使太陽能制冷技術受到重視和發(fā)展。實現(xiàn)太陽 能制冷有“光－熱－冷”、“光－電－冷”、“光－熱－電－冷”等方式。太陽能半導體制冷系統(tǒng)由太陽能光電轉(zhuǎn)換器、數(shù)控匹配器、儲能設備和半導體制冷裝置等 部分組成。太陽能光電轉(zhuǎn)換器輸出直流電，一部分直接供給半導體制冷裝置，另一部分進入儲能設備儲存，以供陰天或晚上用，以便系統(tǒng)可以全天候正常運行。

當 前，隨著太陽能電池和熱電材料的價格逐步下降，發(fā)電效率的快速提高，太陽能半導體制冷系統(tǒng)的成本也在大幅下降，更樂觀的是在性能方面也得到了明顯的提高， 這在一定程度上推動了太陽能半導體制冷系統(tǒng)的廣泛應用。照此發(fā)展下去可推測出，清潔、低噪聲的各式太陽能制冷系統(tǒng)在不久的將來都將一一實現(xiàn)。

二、天然氣驅(qū)動的制冷技術

我 們知道煤炭和石油是世界兩大常規(guī)能源。與之相比天然氣是更清潔優(yōu)質(zhì)的一種燃料，并且儲存量相當豐富，自然就成為繼煤炭和石油之后的世界第三大常規(guī)能源。以 天然氣為能源的內(nèi)燃機或燃氣輪機驅(qū)動的壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)走向市場取代了某些電力驅(qū)動的壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的推廣使用節(jié)省了很多能源，也減少 電力方面的投資，而且還使壓縮機使用壽命延長了，提高了能源利用率。

根據(jù)泵送熱能的驅(qū)動力可分為以下３類，它們均可利用天然氣的熱能來達到送熱的目的。

用天然氣發(fā)動機驅(qū)動的壓縮式制冷

制冷采用的制冷劑多為氟氯烴，制冷劑只有相態(tài)變化，動力機主要采用電動機。近年推進使用天然氣發(fā)動機，其原理如圖４所示，用它代替電動機驅(qū)動，可較靈活調(diào)節(jié)制冷能力，部分負荷時效率較高，總操作費用較低。

圖４　天然氣發(fā)動機或電動機

熱驅(qū)動的吸收式制冷

采 用工質(zhì)為蒸發(fā)溫度顯著不同的物質(zhì)組成工質(zhì)對，蒸發(fā)溫度較低的組分為制冷劑，蒸發(fā)溫度較高的組分為吸收劑。制冷循環(huán)過程中，工質(zhì)對只有濃度變化，不產(chǎn)生化學 變化。其驅(qū)動力為天然氣燃燒熱或各種熱源，甚至廢熱。吸收式制冷系統(tǒng)原理如圖５所示，該制冷系統(tǒng)與壓縮制冷系統(tǒng)主要區(qū)別在于：以發(fā)生器、吸收器和溶液泵代 替壓縮機；以熱能代替電能或機械能；冷量產(chǎn)生是工質(zhì)對在發(fā)生器中被加熱產(chǎn)生水蒸氣，在冷凝器中凝結成液態(tài)水，經(jīng)節(jié)流閥后進人蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)進行制冷。然后 水蒸氣在吸收器中被濃溴化鋰溶液吸收，再用溶液泵將變稀的溴化鋰溶液送回發(fā)生器，完成循環(huán)。系統(tǒng)在低壓或真空狀態(tài)下操作，不使用氟氯烴，沒有大的轉(zhuǎn)動部 分，操作安靜、安全、可靠性高，且維修費用低。

圖５　熱驅(qū)動吸收式制冷系統(tǒng)簡圖

干燥劑除濕系統(tǒng)

制 冷空調(diào)系統(tǒng)一般是讓空氣冷卻，除去空氣中的水份，即潛熱冷卻，并且降溫，即顯熱冷卻。潛熱冷卻往往要消耗一半的制冷能量。利用干燥劑的吸附（吸收）系統(tǒng)是 在不冷卻空氣下直接除去空氣水分。干燥系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)聯(lián)合就可靈活控制空氣的濕度和溫度。聯(lián)合系統(tǒng)可避免單一制冷時在導管處出現(xiàn)凝液，可降低室內(nèi)物品的濕 度，減少霉菌生長，提高空氣質(zhì)量；低濕度可使人體在較高溫度下感到舒適，例如相對濕度低到３０％時，其感覺和溫度下降２ ℃時同等舒適，低濕度允許空調(diào)中的冷卻器溫度設定值提高，節(jié)約能量；使用干燥系統(tǒng)可降低制冷系統(tǒng)負荷，節(jié)省投資和運行費。干燥系統(tǒng)適用于需低露點處或潛熱 冷卻與顯熱冷卻負荷比高的地方。

三、熱聲驅(qū)動的制冷技術

熱 聲制冷是一種全新的制冷技術，在最近的２０年，世界各地的許多物理學家和機械工程師們都在致力于研究這種基于熱聲理論的新型熱機和冷機，無論在理論方面還 是在工程應用上都取得了突破性進展，許多研究都進入了實用的商業(yè)化階段。與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)相比，熱聲熱機具有無可比擬的優(yōu)勢：無需使用制冷劑， 而是使用惰性氣體或其混合物作為工質(zhì)，因此，不會導致使用的ＣＦＣｓ和ＨＦＣｓ產(chǎn)生臭氧層的破壞和溫室效應危害；其基本機構是非常簡單和可靠，無需貴重材 料，成本上具有很大優(yōu)勢；它們無需振蕩的活塞和油密封或潤滑，無運動部件的特點使得其壽命大大延長。熱聲制冷技術幾乎克服了傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的所有缺點，可成 為下一代制冷新技術的發(fā)展方向。

熱聲裝置工作原理

所 有的熱聲產(chǎn)品的工作原理都基于所謂的熱聲效應，熱聲效應機理可以簡單描述為在聲波稠密時加入熱量，在聲波稀疏時排出熱量，則聲波得到加強；反之聲波稠密時 排出熱量，在聲波稀疏時吸入熱量，則聲波得到削弱。實際的熱聲理論遠比這復雜得多。熱聲裝置是指利用熱聲技術的各種能量轉(zhuǎn)換功能制成的裝置，包括各種制熱 機和制冷機，如利用熱聲技術的功率引擎、脈動燃燒、熱泵、制冷機和混合物分離機等，是應用十分廣泛的一類裝置?？偟膩碚f，熱聲裝置可以分為兩個方向，一個 是熱聲發(fā)動機，將熱聲轉(zhuǎn)化為聲能，通過自激振蕩的方式實現(xiàn)的；另一個是熱聲制冷機，利用聲波泵熱，實現(xiàn)制冷，其關鍵在于聲場的相位匹配。熱聲制冷技術和熱 聲制冷裝置只是熱聲技術和熱聲裝置中一個重要的分支。

熱驅(qū)動的吸收式制冷

熱 聲制冷機的主要結構如圖６所示，主要包括聲驅(qū)動器、諧振腔、熱端和冷端換熱器及板疊。聲驅(qū)動器的作用是諧振腔中產(chǎn)生高幅的聲能，是能量源，聲驅(qū)動器可以是 喇叭、活塞振膜或線性電機。諧振腔的作用是與聲驅(qū)動器相匹配而產(chǎn)生諧振的聲波。熱端和冷端換熱器是將熱量或冷量輸出。板疊是熱聲制冷機的最重要的部件，它 可以是平行疊加的板疊，也可以是其他多孔介質(zhì)材料，熱聲效應就是在板疊內(nèi)完成的。板疊內(nèi)的氣體微團在聲波的作用下左右運動，同時被壓縮或擴張，在合適的相 位下，氣體微團在壓縮時向左運動并對板疊放熱，在擴張時向右運動并從板疊吸熱。大量微團微觀上的協(xié)調(diào)一致的周期性運動不斷將熱量從冷端泵向熱端，便板疊產(chǎn) 生溫度梯度，從而形成宏觀的泵熱效應，同時也不斷地消耗聲功。

圖6　熱聲制冷系統(tǒng)簡圖

相 反，熱聲發(fā)動機是利用熱能轉(zhuǎn)化為聲能，其結構同熱聲制冷機的結構相同。在熱端換熱器加熱，使板疊產(chǎn)生溫度梯度，在溫度梯度達到一定的閾值的時候，就會自激 振蕩而產(chǎn)生諧振的聲波，此時板疊內(nèi)氣體微團的熱力學循環(huán)是相反的，氣體微團在壓縮時向左運動并從板疊吸熱，在擴張時向右運動并對板疊放熱。從而使得宏觀上 聲波不斷加強，熱能被轉(zhuǎn)化為聲能。一個理想的結構是將熱聲發(fā)動機與熱聲制冷機結合起來，形成熱驅(qū)動的制冷機，其系統(tǒng)簡圖如圖７所示。

圖7 熱驅(qū)動仍生制冷或制熱系統(tǒng)簡圖

此 裝置的最大優(yōu)點是完全無運動部件，具有極長的壽命，是太空制冷機的最佳選擇。同時這種裝置直接將熱能轉(zhuǎn)化為冷量，對于太陽能豐富的夏天來說，將潔凈的太陽 能直按轉(zhuǎn)化為冷量，可以稱之為純天然制冷機。另外，它還可利用燃氣、工業(yè)廢熱、太陽能等低品位的或可再生的能源作為裝置工作驅(qū)動熱源，適應當今節(jié)約能源和 環(huán)保的要求。

四、其他制冷新技術

氨制冷新技術

近 年來，由于發(fā)現(xiàn)氟利昂類制冷劑對大氣臭氧層有破壞作用以及能產(chǎn)生溫室效應等環(huán)境問題，國際上已達成完全禁用CFCs，逐漸限制使用HCFCs制冷劑的共 識。在全球積極研究氟利昂替代技術以解決對臭氧層破壞及“溫室效應”問題的今天，氨制冷技術以其強大的應用潛力不但在冷凍冷藏方面占有很大比率，而且在越 來越廣泛的領域（如中央空調(diào)、商場的大型食品展示柜等）得到應用，被國際社會重新認識和評價。氨作為制冷劑已被使用達130年之久，其臭氧層消耗潛能 （ODP）為０，全球變暖潛能（GWP）也為０，標準沸騰溫度低，在冷凝器和蒸發(fā)器中的壓力適中，單位容積制冷量大，并且其導熱系數(shù)大，蒸發(fā)潛熱也大，節(jié) 流損失小，能溶解水，有漏氣現(xiàn)象時易被發(fā)現(xiàn)，價格低廉，是非常具有應用前景的自然工質(zhì)。

電廠余熱制冷新技術

自 然界的各種能量是可以相互轉(zhuǎn)換的，熱能可以轉(zhuǎn)化為電能，電能也可以轉(zhuǎn)化為熱能。同樣，熱也可以轉(zhuǎn)化為冷，只是存在的形態(tài)不同。對不同的能量存在形式只需采 取不同的技術手段進行收集，通過技術設備既可實現(xiàn)能量的相互轉(zhuǎn)換。熱－電－乙二醇降溫技術，就是利用矸石電廠的蒸氣余熱，通過溴化鋰吸收式冷水機組一級制 出5.2℃的乙二醇低溫水。乙二醇是一種無色、無味、粘稠有甜味的液體，冰點溫度-12.5℃，沸點197℃，極易吸、放熱的液體。乙二醇溶液的配制由設 在制冷機組旁的乙二醇制備池配兌，其在純水中的濃度必須控制在25％以上，否則會對制冷機組及管理造成腐蝕。配兌后的溶液通過設在池中的潛水泵打入膨脹水 箱，補入溴化鋰機組。

空氣制冷新技術

隨 著冷藏運輸對制冷技術需求質(zhì)量的不斷提高以及運輸過程中環(huán)保問題的日益突出，空氣制冷技術又一次成為世界關注的焦點。先后有美國、澳大利亞、德國、日本、 英國等進行了空氣制冷裝置的研究試驗，研究范圍涉及食品冷凍、冷藏儲存及冷藏運輸?shù)壤滏溛锪鞯母鱾€環(huán)節(jié)。美國是空氣制冷技術應用最早、技術最成熟的國家之 一?？諝庵评湎到y(tǒng)在低溫下的寬溫度范圍內(nèi)，具有運行性能優(yōu)良、無臭無害且制冷速度快的特性，非常適合于食品的冷凍冷藏。而傳統(tǒng)的單級蒸汽壓縮制冷技術，很 難滿足易腐食品冷藏及運輸?shù)牡蜏匾蠛瓦\行工況；多級壓縮或復疊式蒸汽制冷，則導致系統(tǒng)COP（制冷效率）的降低和投資的增加。

蓄冰空調(diào)制冷新技術

蓄 冰空調(diào)與一般空調(diào)的主要差別是制冷劑的變化，采用低凝固點的制冷劑完成制冷的吸熱、放熱全過程將制冷設備及管路內(nèi)全部灌滿了鹵水溶液，制出的低溫鹵水流入 儲冰槽內(nèi)保存，儲冰槽內(nèi)溫度一般可達-4℃～-６℃，夜間儲冷，白天放冷。儲冰槽實際是個換熱器，內(nèi)有許多小管組成，鹵水在小管內(nèi)流動，管外為清水，利用 兩者溫差換熱，鹵水經(jīng)管外水溫傳送溫度上升后回制冷機內(nèi)重新制冷，出來的低溫水再進入冰槽，如此重復循環(huán)；槽內(nèi)清水吸冷后溫度逐漸下降直至接近０℃為止冰 槽內(nèi)實際儲存的都是流體，只是清水面上有些微薄的冰片。

水源熱泵空調(diào)制冷新技術

水 源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是既可供熱又可供冷的高效建筑節(jié)能技術，水源中央空調(diào)系統(tǒng)是由末端（室內(nèi)空氣處理末端等）系統(tǒng)，水源中央空調(diào)主機（又稱為水源熱泵）系統(tǒng)和 水源水系統(tǒng)３部分組成。為用戶供熱時，水源中央空調(diào)系統(tǒng)從水源中提取低品位熱能，通過電能驅(qū)動的水源中央空調(diào)主機（熱泵）“泵”送到高溫熱源，以滿足用戶 供熱需求。為用戶供冷時，水源中央空調(diào)將用戶室內(nèi)的余熱通過水源中央空調(diào)主機（制冷）轉(zhuǎn)移到水源中，以滿足用戶制冷需求。既節(jié)約常規(guī)能源又使可再生能源充 分利用。

蓄能空調(diào)制冷新技術

蓄 能空調(diào)系統(tǒng)能夠轉(zhuǎn)移電力高峰用電量，平衡電網(wǎng)峰谷差，因此可以減少新建電廠投資，提高現(xiàn)有發(fā)電設備和輸變電設備的使用率，同時，可以減少環(huán)境污染，充分利 用有限的不可再生資源，有利于生態(tài)平衡。蓄能系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的根本不同點在于：常規(guī)空調(diào)只需考慮滿足最大小時的負荷，其他時段冷機部分負荷運行就可 以。而蓄能系統(tǒng)必須對一個運行周期內(nèi)的逐時冷負荷進行均衡配，通常以日為周期，作出典型設計日的運行周期負荷表：確定冷機和冰槽的容量和各個時段的開啟情 況。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)比常規(guī)電制冷空調(diào)系統(tǒng)初投資增加16％，而年運行費用減少38％，初投資增加費用的投資回收周期約為３年。因此，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)具有良 好的推廣意義。

（文章來源制冷與空調(diào)公眾號）