太阳能吸附式制冷系统的研究现状与发展前景

山东大学能源与动力工程学院 燃煤污染物减排国家工程实验室 ■ 刘岩 马春元 张梦

0 引言

能源是当今世界发展的关键，各国的经济增长和技术进步都取决于能源，可提供能源的总量反映了一个国家的综合水平，拥有大量能源成为21世纪的巨大挑战。传统能源的大量燃烧破坏了环境，而太阳能以其清洁环保、可利用资源总量大等特点得到快了速的发展。高效合理地利用太阳能可带来经济和环境的双重效益，其中，太阳能制冷是太阳能利用的重要方面，并且太阳辐射最强的季节也是制冷需求量最大的时期，太阳辐射在时间上的变化规律和制冷空调在时间上的用能规律可以高度匹配[1]，所以，以太阳能驱动的吸附式制冷系统以所需的驱动热源温度低、结构简单、无运动部件、节能环保、运行成本低等优点得到了广泛重视和大力发展，成为各国竞相研究的热点。1848年，法拉第将固体吸附剂引入蒸汽吸附技术，被认为是吸附式制冷系统的开端；在19世纪90年代，吸附剂开始用于制冷和热泵，固体吸附剂克服了液体吸附剂的缺点；1992年以后，随着全球爆发了能源危机，世界各国都在加紧太阳能吸附式制冷技术的研究，因此，该技术取得了快速发展。

1 工作原理

太阳能吸附式制冷系统主要由吸附床(集热器)、冷凝器、蒸发器、储液器组成，如图1所示。该系统的运行主要包括吸附制冷和受热解吸2个过程。当在无阳光暴晒的加热状态时，吸附剂在低温低压下对制冷剂进行吸附，液态的制冷剂蒸发吸热，实现制冷；该过程一般在夜间进行，吸附反应实际上是气体或液体在固体微空表面的传质过程。当在有阳光曝晒的加热状态时，夜间被吸附的制冷剂受热解吸为高温水蒸气，通过冷凝器时凝结为液体流回蒸发器中，进行下一个制冷循环[2]。

太阳能吸附式制冷系统以其独特的优势得到了迅速的发展，国内外如谭盈科、王如竹、李明、Saha等及其课题组对太阳能吸附式制冷进行了较深入的研究。但由于昂贵的初期投资和较低的性能系数COP值，太阳能吸附式制冷尚还处于发展初期。

图1 太阳能吸附式制冷系统

表1 国内外太阳能吸附式制冷系统的研究概况

2 工质对的选择

在吸附式制冷技术中，工质对对系统的制冷性能起着至关重要的作用。

吸附剂应具有的特点为：较高的吸附和解吸能力、较低的比热容、良好的导热性、无毒、无腐蚀性、与制冷剂有较好的兼容性、符合成本效益且可以大量提供。

制冷剂应具有的特点为：较小的分子直径、较高的汽化潜热和热导率、良好的热稳定性、较低的黏度和比热、无毒、无污染、无腐蚀性。

工质对的吸附能力取决于吸附剂的多孔属性(表面积、孔隙尺寸和孔隙体积)和等温特性。常见的一些工质对有：硅胶-水、沸石-水、活性炭-甲醇、活性炭纤维-甲醇、复合工质对等。

2.1 硅胶-水工质对

硅胶是一种附有水化SiO4的胶体小颗粒，吸附性能取决于形成羟基氧化物的羟基离子的极化。Saha等[9]的研究表明，硅胶可以在较低热源下工作，而且与甲醇和其他传统的制冷剂相比，水有更大的汽化潜热，硅胶-水较低的解吸温度使该工质对可以更好的利用太阳能、工业余热等低品位能源，但硅胶-水工质对不能用于蒸发温度小于0 ℃以下的制冷系统。余楠等[10]将硅胶-水工质对用于改进型太阳能吸附式制冷系统，该系统的制冷功率为14.0 kW，COP值为0.4，在近似的工况下制冷功率比之前提高了60%。徐圣知等[11]将硅胶-水用于回质回热吸附式制冷循环中，并应用热力学第一定律与第二定律中的评价指标，对基本循环、回质循环、回质回热循环的COP值、火用 效率和循环熵产进行了分析。

2.2 沸石-水工质对

沸石-水工质对在高温下可以保持较好的稳定性，其吸附等温线在较高压力下基本保持不变，对环境的适应能力强；但该工质对的缺点是不适用于蒸发温度小于0 ℃的制冷系统。另外，由于吸附过程中温度较高，使得沸石-水工质对的循环周期较长，吸附解吸速率慢。为了提高沸石的吸附解吸速率，相关研究学者采用将分子筛与高导热材料复合的方法来提高分子筛的导热系数[12]，并得出结论，沸石-水工质对适用于以高温热源为动力且蒸发温度在0 ℃以上的制冷系统。

2.3 活性炭-甲醇及活性炭纤维-甲醇工质对

活性炭-甲醇工质对有较强的吸附能力、较低的吸附热(1800～2000 kJ/kg)、较低的解吸温度和较大的蒸发潜热等优点，并由于其解吸温度低而得到了广泛应用。但是甲醇有毒，要求较高的真空性，不能有不凝性气体的存在；另外，活性炭-甲醇的导热性较差，这些缺点都限制了该工质对的应用。

为了避免甲醇的分解，活性炭-甲醇工质对应在120 ℃以下的场合应用。当温度大于120 ℃时，甲醇在活性炭存在时会发生如下反应：

化学式中，反应产物二甲醚(CH3-O-CH3)为系统中的不凝性气体，影响系统的传热传质性能。

Jrad等[13]设计出太阳能吸附-喷射混合系统，该系统使用活性炭-甲醇和沸石-水为工质对，研究表明，与普通太阳能吸附式制冷系统相比，该系统的COP值分别增加约17.96%和3.65%。

活性炭纤维在合适的条件下可以替代活性炭。Sur等[14]的研究表明，活性炭纤维-甲醇的吸附能力是活性炭-甲醇的2～3倍，而吸附时间是活性炭-甲醇的1/10～1/5，并且活性炭纤维的COP值比活性炭的高10%～20%。

2.4 复合工质对

普通工质对的吸附量不高、吸附-解吸速率慢，这制约了太阳能吸附式制冷装置的发展，而复合工质对可有效提高吸附量和吸附-解吸速率。Wang等[15]对活性炭-膨胀石墨复合吸附剂做了大量的研究工作，发现膨胀石墨经过酸化处理后再与吸附剂复合，会有更好的传热效果；并将导热系数为2.47 W/(m•K)的复合吸附剂与未经处理的粒状活性炭进行性能比较试验，发现复合吸附剂吸附-解吸速率比未经处理的粒状活性炭提高了29%。卜宪标等[16]分别将孔径为2～3 nm、4～7 nm和8～10 nm的硅胶与CaCl2复合，组成的复合工质对的吸附量分别是纯硅胶吸附量的1倍、4倍和8倍；与微孔硅胶相比，在中高湿度下，中孔硅胶更适合与CaCl2组成复合工质对。使用复合工质对可以增大吸水量和吸附-解吸速率，对促进太阳能制冷系统的发展起到了一定的作用。常烜宇等[17]将硅胶浸泡在氯化锂溶液中制成硅胶-氯化锂复合材料，该复合材料的平衡吸水量约为硅胶的2.3倍，且最大蓄能密度可以达到1723 kJ/(kg吸附剂)，约为硅胶的1.65倍。

表2 各种工质对的比较

3 吸附床的设计

作为太阳能吸附式制冷系统的核心部件，吸附床在太阳能吸附式制冷系统中的作用至关重要[12]。强化传热传质和减小热阻是提高吸附床整体效率最便捷有效的方法，对此，研究学者们进行了大量的模拟和实验。

3.1 强化传热传质

范介清等[18]提出一种整体强化传热传质的新型翅片管设计方法，该系统在晴天及晴天多云时能有效制冰，COP值可高达0.129，当全天多云及阴天时，COP值仍为0.039，说明该吸附床对天气有良好的适应性。广州万宝集团有限公司的陈二雄等[19]设计了一种一体式两床连续型吸附式制冷系统，机组的制冷功率为4 kW，当循环时间为10 min、驱动热源温度为80 ℃、冷凝温度为42 ℃、冷冻水进口温度为15 ℃、出口温度为10 ℃时，该系统的COP值大于0.2。Deshmukh等[20]设计了一种以硅胶-水为工质对，带有3个吸附床的太阳能吸附式制冷系统，该系统实现了连续制冷，COP值和单位吸附剂的制冷功率SCP值分别达到了0.63和337.5 kJ/kg。云南师范大学的张少波等[1]设计了一种强化传质的太阳能吸附式制冷系统，在吸附床和冷凝器之间安装了管道泵，实现了缩短解吸时间、增加解吸量的目的，提高了系统的制冷性能和能源利用率。宋向波等[21]研究了有、无阀门控制对水浴式吸附制冰系统性能的影响，当接收能量相等时，无阀门控制的系统比有阀门控制的系统的制冷性能提高了20%；当冷凝温度为10 ℃时，无阀门控制的系统日制冰量可达8.5 kg，系统纯吸附制冷性能系数COPpure值为0.0893。

3.2 减小热阻

Restuccia等[22]将吸附剂涂层和金属管附着在一起形成新型吸附床，该吸附床的吸附剂与换热壁面、吸附剂均直接接触，使吸附剂与换热壁面的换热系数和吸附剂的导热系数都大幅提高，热阻降低。Brites等[23]以硅胶-水为工质对设计了一种太阳能吸附式制冷系统，并通过研究发现，在硅胶和吸附床之间加入铝箔或石墨箔可以减小热阻。Hassan等[24]研究了吸附剂表面的密度对系统制冷性能的影响，得出结论，吸附剂表面密度越小，系统的制冷性能越好。当吸附剂表面密度为12.6 kg/m2时，系统的COP值为0.43；当吸附剂表面密度大于44 kg/m2时，由于热阻过大使制冷装置无法完成循环制冷，吸附床的吸附和解吸能力随着吸附剂厚度的增加而减小。

综上所述，增大有效换热面积、提高换热管内流体的换热系数、计算最优的吸附剂的质量和密度等都可以提高系统的制冷性能和能源的利用率。

4 经济性分析及应用

太阳能吸附式制冷系统的成本比传统制冷系统的成本高，据相关统计，具有相同制冷能力的太阳能吸附式制冷系统的成本是传统制冷系统成本的7～9倍。投资成本高、投资回收期长制约了太阳能吸附式制冷系统的发展[25]。有相关研究学者调研得出，太阳能吸附式制冷系统的投资回收期约为21～25年，投资回收期随着初投资的减少呈线性减少；能源通货膨胀率也会影响投资回收期的年限，随着能源通货膨胀率的增加，投资回收期呈线性减少。

尽管太阳能吸附式制冷系统的初投资大、投资回收期长，但是其运行成本低、对环境无污染等优点依然使该系统在生产生活中得到了极大的应用[26]。国内研究学者罗会龙等[27]提出并构建了一种用于低温储粮的太阳能吸附式制冷系统，该系统可以四季连续运行，运行费用低、无污染，具有较大的节能优势；但该技术发展还不成熟，系统的制冷性能、投资回收年限大力依赖于当地的气候条件。近年来，有研究学者提出供热-制冷-供电三联产系统。Chemisana等[28]设计出一种太阳能集中制冷与建筑一体化系统，与分散安装使用太阳能相比，太阳能集中制冷系统的集热器面积减少、热损失降低、安装和运行成本降低，取得了快速的发展。高鹏等[29]设计了一套新型冷电联供系统，实现了能量的梯级利用，热量的利用效率得到明显提高。当制冷温度为-10 ℃、加热温度为90 ℃时，系统制冷量和COP值分别为1.29 kW和0.176。

5 展望

经过几十年的发展，太阳能吸附式制冷技术在发达国家进入了中试和商品化生产阶段，但就整体水平而言，现阶段该系统还无法完全替代传统的可压缩式制冷系统。与传统的制冷系统相比，太阳能吸附式制冷系统的初投资成本高、投资回收期长、制冷性能低，且其具有节能环保性能、不依赖传统动力、无运动部件、结构简单。目前，太阳能吸附式制冷的发展呈现出多元化的趋势，多床式、多级式和制冷-制热联产的太阳能吸附式制冷系统是未来主要的发展方向。

太阳能吸附式制冷系统可以在以下几个方面进行改进：

1)选择合适、高效、安全的工质对，可以在复合工质对方面多做研究。

2)提高吸附床的传热传质效率，应在优化吸附床的结构上(增大换热面积和减小接触热阻)进行进一步研究；优化整个系统的设计，使各个部件之间达到良好的匹配。

3)为了使太阳能吸附式制冷系统连续运行，提高制冷性能和能源利用率，应加大对多床式、多级式的太阳能吸附式制冷系统的研究力度。

4)加强太阳能吸附式制冷系统在生产生活中的应用，可将其与太阳能热泵相结合，实现制冷-制热联产，使太阳能吸附式制冷更好地实现工业化。