吸收压缩复合式太阳能制冷技术及研究进展

谢安?何开岩?黄文

摘?要：概述了吸收压缩复合式太阳能制冷技术的发展现状和最新研究结果，着重论述了吸收压缩制冷循环的工作原理和系统构成，并对这种新型制冷系统的性能进行了分析。探讨了集热温度、蒸发温度和冷凝温度等对系统性能的影响规律，并将该复合系统性能与传统制冷系统做了对比，其制冷系数相对传统蒸汽压缩式循环高10%以上。最后指出了吸收压缩复合式制冷技术现存的问题。

关键词：太阳能?复合式制冷?制冷系数

中图分类号：TK519 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）10（a）-0041-03

自20世纪70年代以来，全球能源短缺和环境污染问题日益严重，世界许多国家掀起一股开发利用新能源的高潮[1]，其中利用太阳能进行制冷就是一个重要方面。有研究表明，空调能耗占整个建筑能耗的45%[2]，利用太阳能代替常规能源驱动空调对建筑物进行制冷或供热将是一种很好的选择。目前应用最广泛的是蒸汽压缩式系统，但是它是以消耗电能为代价来换取低品位的热能，能效比较低。当温度提升要求较大时，蒸汽压力升高，甚至超出常规压缩机范围以至于单级压缩不能胜任[3]。而常规的吸收式制冷系统发生器温度高，发生温度低，传热温差大，热效率较低[4]，同时对于单级系统来说也不适用于余热温度较低的条件。因此，目前在提高效率、寻找新型制冷剂、开发新的制冷循环等方面已涌现出许多新的研究成果[5]。那么综合了热驱动吸收式空调和电驱动压缩式空调两者优点的吸收压缩复合式制冷循环越来越受到人们的关注和期待[6，7，8]。

1 吸收压缩复合式太阳能制冷系统的结构和工作原理

吸收压缩复合式太阳能制冷系统实际上是由一个吸收式制冷单元串联一个蒸汽压缩单元，主要是由平板型太阳能集热器、溴化锂吸收式制冷机、储能装置和压缩机等几大部分构成。在天气晴朗的时候，由集热器产生的热水驱动制冷机制冷；在晚上或者没太阳的时候，启动压缩机制冷，那么蒸发器、压缩机和冷凝器就构成一个单独的压缩式制冷系统。在以集热器为制冷机热源时，对制冷机来说，系统性能系数随着热源温度的升高而增加；对于太阳能集热器，制热水量越多，集热效率越高，而热水温度越高则其集热效率越低。所以，为了达到更高的制冷效率，就需要找出制冷机与集热器之间的最佳工况点[9]。

2 吸收压缩复合式太阳能制冷系统的各种技术方案及研究进展

根据制冷工质的不同，吸收压缩复合式制冷系统主要以H2O-NH3式和H2O-LiBr式两种为主。

2.1太阳能氨水吸收压缩制冷系统

在当前的吸收式制冷技术中，氨是最早被使用的制冷剂之一。在标准大气压下，氨的沸点为-33.4℃，凝固点为-7.7℃，而且它的气化潜热非常大，在普通蒸发温度下就能达1300kJ/kg，大约为R22的7倍。在普通制冷温度下，制冷机系统低压部分压力通常保持在大气压力左右，没有漏气问题，并且一般认为它的制冷温度能达到-45℃。

普通的单级氨吸收制冷需要较高的热源温度（如在蒸发温度为-20℃时，热源温度要达到140℃），只有在压力和温度都满足的条件下才能进行驱动。而且单级氨吸收制冷本身传热温差大，性能系数COP较低，所以在过去很长一段时间里，这种单级的吸收制冷逐渐被压缩制冷循环所替代。由于能源短缺和节能减排的实际需要，利用低品味余热进行制冷的技术越来越受到人们的关注。近年来有许多研究者对两级的氨吸收制冷循环进行了研究[10，11]，但两级氨吸收制冷所需设备及其投资费用是单级的两倍，而且性能并不理想。所以这种制冷技术也没有获得广泛采用。于是，人们将注意力转向了将吸收与压缩两种技术综合起来的制冷机的研究。

图2为氨水吸收压缩太阳能复合制冷循环的原理图。该制冷循环就是在单级氨吸收制冷的吸收器和蒸发器之间增加了压缩机。吸收压缩复合式制冷循环相比单级氨吸收制冷有了较大改进，压缩机的增压作用提高了浓氨水溶液的浓度和吸收器的吸收压力以及发生器中稀溶液的浓度，有效降低了发生器的发生温度[12]。采用这种循环可以利用工业余热作为驱动热源，同时有效降低了压缩机的压缩比，降低了压缩机的用电负荷，具有节能降耗的作用。

Bruin等人[13]对该系统循环进行了模拟。他们用系统平均浓度来进行计算，假定浓溶液和稀溶液浓度差为10%，氨过热度、热交换温差都为设定值。在设定供热出口温度在90～115℃时，平均氨水浓度为35%比较合适。而且除NH3外，R22也经常被使用。

Ventas等人[14]研究了以NH3-LiNO3为工质的吸收压缩制冷系统，该工质具有良好的热力学性能，大大降低了系统驱动温度。在压缩比为2.0、热源驱动温度为64℃的情况下，与热源温度94℃时的普通单效吸收式制冷机制冷量相当。

2.2太阳能溴化锂制冷系统

太阳能具有间歇性和不稳定的特点，依据太阳辐射强度的不同，对该系统分三种情况具体介绍其运行原理。

（1）阳光充裕：太阳能吸收式制冷部分为单效运行。如图3所示，发生器2内的溴化锂水溶液被加热，水分就会不断蒸发形成制冷剂蒸汽。制冷剂水蒸汽进入冷凝器3，被冷却为低温高压的制冷剂液体，再经节流阀4节流降压进入蒸发/冷凝器5中蒸发吸热；压缩制冷部分运行情况为：从压缩机出口的制冷剂水蒸汽经阀门12流入冷凝器3，然后进入蒸发/冷凝器5进行热交换，压缩制冷部分的制冷剂液体经节流阀13节流降压后进入蒸发器14蒸发吸热，最后制冷剂蒸汽进入压缩机完成一次循环[15]。

（2）阳光不足：太阳能吸收式制冷部分和阳光充裕时运行原理一样，只是由于阳光不足，发生器2产生的制冷剂水蒸汽量变少，蒸发/冷凝器5的蒸发温度升高；此时压缩制冷系统的运行部分为：从压缩机出来的高温高压制冷剂水蒸汽经过阀门11进入9，与吸收式制冷系统的稀溶液进行热交换，预冷后的制冷剂蒸汽进入冷凝器3被冷媒水冷却，然后进入蒸发/冷凝器5过冷，再经过节流阀13降压后进入蒸发器14，进行蒸发吸热制冷。

（3）无阳光：吸收式制冷部分就不能产生制冷剂，此时只相当于一个普通压缩制冷系统。

太阳能吸收式制冷单元的蒸发器主要是对蒸汽压缩单元的冷凝器进行过冷处理，这样蒸发压缩单元的冷凝压力和冷凝温度就大大降低，有效的减少了压缩时的输入功。这也是本实验设计时的初衷。

1999年浙江大学的陈光明提出了一种新型太阳能复合制冷系统[16]。如图4，该系统由平板型集热器、压缩循环和一个单效吸收式循环构成。其结构简单，系统启动速度快、运行稳定、效率高等特点。如果在无阳光的时候，系统运行就不是很理想。

另外一种利用太阳能的吸收压缩复合制冷循环如图5。上海交通大学孙靖瑜，陆震等人对以吸收循环为主体的热泵循环和以压缩循环为主体的制冷循环进行了研究[17]。系统原理如图6所示。该系统的发生器和吸收器采取的是垂直管降膜形式，传热管采用交叉槽强化管。这个样机试验显示，当低温热源进口温度是390K，供热温度为440K，压缩机功率是8.3kW时，系统供热量为27.2kW，热力系数为3.0。

Altenkirch在20世纪50年代提出多级溶液热交换吸收压缩系统的概念。把发生器和吸收器分成内外两部分，内部吸收器给发生器提供些热量，这样就有效降低了吸收器压力，减小压缩比[18]。Zhou等人在多级溶液热交换系统的基础上又增加了一个旁通管，改变了系统的过冷量，使得系统COP发生相应的变化[19]。其结构如图7所示。

东南大学的曹毅然，张小松等人[20]对吸收-压缩复合制冷循环的性能进行了具体测试，并建立了如图8的系统结构，在与传统循环进行比较后得出，该循环在节能、稳定性和性能系数方面都有了很大提高。

该系统可以保障循环持续向外提供冷量，而且改良后的吸收式循环部分在外界提供足量热量的时候运作，性能COP得到显著提高。

华中科技大学周燕，谢军龙等人[9]通过对吸收-压缩复合太阳能制冷系统能量转换过程的分析，建立了系统的热能特性方程，指出系统综合性能系数和太阳能参数及系统内部不可逆系数间的线性关系，同时分析了这些参数对系统性能系数COP的影响。

中石化齐鲁分公司的刘辉和山东三维石化公司的李长胜[21]提出了一种以NH3-LiNO3为工质对。利用数值计算的方法对吸收-压缩太阳能制冷循环的性能参数、冷却水量和电热比进行了研究。该研究表明，补偿相当于一定量太阳能的电能可以大大降低热源温度，提高循环性能参数，降低冷却水量。

3 系统性能分析

吸收压缩复合式太阳能制冷系统的性能与集热温度、蒸发温度和冷却水温度等诸多因素有密切关系。这些因素的变化将直接影响整体机组的性能变化[22]。

随着蒸发温度的升高，吸收压缩复合式制冷循环的COP会逐渐增大，而且会明显高于传统压缩式循环的COP。这是因为当蒸发温度和发生温度达到某些值时，传统吸收式循环不能正常工作，但是在该复合循环中，吸收循环中的蒸发温度升高，经过整个循环的耦合作用，吸收子循环制得的较高温度的冷量可以等量转变为输出的较低温度的冷量，所以吸收压缩复合制冷循环的COP较之传统压缩式循环有所提高。随着蒸发温度的升高，吸收子系统循环的过冷蒸发温度和压缩子系统循环的制冷剂流量基本保持不变，使得过冷量变化不大。同时压缩机的压缩比减小，使得压缩机的耗功减少，所以相对增加率η也逐渐减小。

随着冷凝温度的升高，吸收子系统循环的过冷蒸发温度和压缩子系统循环的制冷剂流量变化不大，使得过冷量增大。同时压缩机的压缩比增大，使得其耗功增加，所以相对增加率η也逐渐增大。

随着发生温度的升高，复合循环性能逐渐提高，吸收子系统循环的COP稳步增大，提供给压缩子系统循环的过冷量增大，压缩机的耗功减少，使得复合循环的COP也逐渐增大。所以，随着发生温度的升高，复合循环的COP先增大后减小，最终趋于稳定。而传统压缩式循环的COP与发生温度无关，是一个常值[23]。

与传统蒸气压缩式循环不同，新型复合循的性能不仅受到蒸发温度和冷凝温度的影响，还与系统的发生温度、加热量、制冷量密切相关。

4 吸收压缩复合太阳能制冷技术现存问题及对策

该复合制冷系统联合了吸收与压缩机组，同时又联用了太阳能集热器。压缩式机组和吸收式机组可以单独工作也可以同时运作，但为了保持系统能够提供持续稳定的制冷量，就必须确保系统在极限工作条件下工质的使用量是充足的，而且要保持整个系统一直运行在一个安全稳定的状态，就必需要有一套完备的控制体系，同时也需要实验和数值模拟的办法来确定制冷工质的用量。

5 结语

该吸收压缩复合太阳能制冷循环利用子吸收系统循环产生的冷量过冷压缩子系统循环的制冷剂，可以让低品位的热能制得的较高温度的冷量等量地转换成输出的较低温度的冷量。所以，与传统制冷循环相比，在消耗相同单位制冷剂的条件下，吸收压缩复合太阳能制冷循环的制冷量比传统制冷循环性能系数要高10%左右。而且，该新型循环可以回收大部分压缩机排气的过热量，更好地提高了循环性能。

总之，吸收压缩复合式太阳能制冷技术还处于初级阶段，与传统空调相比还有很大的改进空间，比如小型化、降低成本、提高效率，增加系统可靠性和简化结构等。但在可持续发展和能源多样化的背景下，该复合制冷技术将拥有一个比较有利的发展环境。

参考文献

[1]YAMAGUCH IA H， ZHANG X R，FU 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]孙靖瑜，陆震，李大庆.关于吸收压缩复叠循环的研究[J].节能技术，1998（2）：2-4.

[5]邱泽正，龚宇烈，马伟斌，等.国内外吸收压缩式热泵研究进展[J].化工进展，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，Feidt 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，谢军龙，沈国民.太阳能吸收-蒸汽压缩式空调系统的优化分析[J].建筑热能通风空调，2002（4）：1-3.

[10]袁竹林，杨思文.双级氨吸收制冷数学模型及对中间压力的研究[J].东南大学学报，1996，26（2）：38-43.

[11]苏晓，林贵平.双级氨-水吸收制冷循环分析[J].北京航空航天大学学报，1997，23（5）：556-559.

[12]赵宗昌，张晓冬.低温余热驱动的氨吸收/压缩联合制冷循环的热力性能分析[J].化工进展，2009（28）：459-462.

[13]Brunin O，Feidt 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]孟翔锋，周仪.太阳能吸收式制冷系统新进展[J].浙江建筑，2010，27（6）：53-55.

[16]谢应明，文远高.吸收式太阳能空调技术的新进展与新构想[J].建筑热能暖风空调，2003（4）：30-33.

[17]孙靖瑜，陆震，李大庆.关于吸收-压缩复叠循环的研究[J].节能技术，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，张小松，鲍鹤灵.太阳能驱动的压缩吸收复合式制冷循环分析[J].流体机械，2002，30（10）：51-53.

[21]刘辉，李长胜.新型太阳能增压吸收式制冷循环[J].制冷学报，2011，32（3）：38-47.

[22]辛长平.溴化锂吸收式制冷机使用教程[M].北京：电子工业出版社，2004.

[23] 唐鹏武，陈光明，唐黎明，等.一种新型吸收-压缩复合制冷循环模拟[J].低温工程，2011（4）：21-26.