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基于部分高效节能制冷技术的发展探讨

发表日期:2019/3/4 10:34:33 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

21世纪已经进入经济快速发展的时期,与此同时,制冷空调产品也随之普及,在各种生产技术、科学研究领域、生活空间都存在着制冷技术的身影。可以这样说,制冷技术的发展都是为了满足人们的需要,为人类生活质量的改善起到十分重要的作用。但是不容忽略的是,空调制冷技术在推进社会经济发展的同时,也给我们的生存环境造成严重的破坏。

1  空调制冷技术发展历程及应用现状

在史前时代,人类已经发现在食物缺少的季节里,如果把猎物保存在冰冷的地窖里或埋在雪里,就能保存更长的时间。在中国,古代帝王为了能够在夏季也能不受酷暑的折磨,早在3000年前的周朝,就有了冰窑,在当时称为“凌阴”,将冬天的天然冰储藏在内,供夏季使用,其管理者称“凌人”,这也是最原始的储冰技术。战国时期,随着技术的进步,出现了“冰鉴”,“冰鉴”可以说是我国最早的冰箱原型。但是在唐朝以前,古人只是利用天然冰,并不会制冰。然而,天然冰的储存存在一定的困难,并不能满足人们在夏季对冰的需求。唐朝末期,人们利用硝石溶解于水时吸热的特性制冰,开创了人工制冰的先河,在一定程度上解决了人们对用冰的需求。到了13世纪,意大利马可·波罗来中国,把我国制冷技术带回意大利,使得制冰技术传遍欧洲。

现代空调制冷技术起源于英国,技术成熟于美国,在1872年,波义耳发明氨压缩机,此后才陆续出现冰箱等制冷设备。1930年代,各种氟利昂制冷剂出现,加快了制冷技术的发展。

在制冷技术二百多年的发展历史中,国外先进国家的空调制冷技术已经发展较快。我国的空调行业以及空调制冷技术的发展大多引进国外技术发展而来,在当前我国改革开放强调低能耗、绿色环保的可持续发展指导下,我国空调行业的制冷技术发展主要集中在制冷剂的研发和新技术的应用方面。虽然在《蒙特利尔议定书》签订以后,在各方的努力之下,通过削减HCFCS和HFCS类制冷剂的使用,大力研发新型制冷剂如R410A、R32、R290。

2  制冷空调的发展趋势及展望

当前,在“节能减排”的国家政策下,制冷空调行业工作中的重要课题就是节能高效的新技术的运用以及新型制冷剂的研发。笔者将近年有发展潜力的制冷新技术进行简单介绍,并简略分析其优缺点。

2.1  太阳能制冷技术

太阳能是公认的未来人类最合适、最安全、最绿色、最理想的替代能源之一,具有取用方便、能量巨大、无污染、安全性好等优点。利用太阳能驱动空调系统一方面可以极大地减少不可再生能源及电力资源消耗,另一方面因较低的耗电减少了因燃烧煤等常规燃料发电带来的环境污染问题,是当前空调制冷技术领域研究的热点。其工作原理主要是依靠光伏效应和珀耳帖效应,实现太阳能制冷有“光-热-冷”、“光-电-冷”、热-电-冷”等途径。太阳能驱动制冷根据能量转换方式的不同可以分为以下两种方式——光热转换制冷和光电转换制冷。

2.1.1  光-热转换

此方式是进行光-热转换,再以热能制冷。主要研究为太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷,上述3种制冷方式在我国已经取得了一系列研究成果。表1是几类太阳能热驱动空调技术特征和参数的比较。

在上述的太阳能空调中,目前以溴化锂-水吸收式空调示范应用最多,但在国内并不常见,欧洲市场应用较普遍。

2.1.2  光-电转换

此方式是先实现光-电转换,再以电力制冷。目前,常用的光伏发电驱动方式分为两种:光伏直供模式与间接驱动模式。其原理图如图1(a)、图1(b)所示。

光伏直接驱动主要由光伏方阵、DC/DC稳压设备、直流负载组成,主要通过光伏方阵的光电效应产生电流,经由稳压器后直接输出给直流负载,相对于间接驱动模式,直接驱动模式由于中间过程较少,能量损失较少。

光伏间接驱动模式由光伏方阵、充放电控制器、蓄电池组、逆变器组成,原理与直接驱动相同,不同之处在于增加了蓄电池组来贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能,并随时向负载供电。对于交流负载,则需要相应的增加逆变器,将蓄电池的直流电转换为交流电。该模式光伏发电需要经过2~3次的能量转换,能量损失约为6%~8%。

近些年随着光伏产业的兴起,光伏发电成本的下降促使光伏应用市场不断扩大,太阳能光伏制冷技术也随之发展起来,对于光电制冷的研究也越来越多。光伏制冷就是将光伏发电和制冷技术结合在一起而产生的,主要是在普通的制冷设备上进行开发,对空调的制冷负荷和太阳电池的发电功率的一致性加以利用,即在日照越强烈越需要制冷的时候,制冷系统所提供的的冷量越大。

2.1.3  太阳能制冷技术的研究进展及问题

对于光-热转换模式,由于吸附式制冷采用低品位热能驱动,并采用了环保型制冷剂,在近些年发展速度较快,有着相当的应用前景,德国Solarnext公司,日本Nishyodo和Mayekawa公司曾报道过其太阳能吸附式空调产品。但是化学吸附存在性能衰减、热效率较低、吸附剂的传热强化往往会带来制冷剂的传质弱化等问题一直是其发展的瓶颈。目前吸附式制冷已经形成产业,相比于国外,国内发展比较缓慢,而在欧盟,由于政策支持,吸附式制冷产业已经迅速培育起来,成为太阳能空调以及冷热电联供的重要载体。

在光伏制冷方面,在国内,北京航空航天大学杨宇飞提出了光伏直接驱动的蒸汽压缩式制冷系统,由于除湿能力较弱,仅建立了仿真模型,未见实际运用验证。

美的在2010年开发的“Q-HAP 太阳能空调技术”以及同年格力推出的太阳能变频空调就是利用了该项技术。格力电器在2014年推出的光伏直驱变频多联机,将太阳能与永磁同步变频离心机有机集合起来,研发出光伏直驱变频离心机,该离心机可以直接利用太阳能供电,提高了太阳能利用率,从而优化建筑能源配置、降低建筑能耗、减少二氧化碳排放量的目的。

在国外,日本三菱化学公司、ICL股份有限公司和弗吕霍夫有限公司合作开发了名为一的卡车用光伏空调, 使用三菱化学公司生产的薄膜太阳电池, 在汽车运行时为蓄电池充电, 汽车停止时驱动空调。据估算, 一辆10 t卡车一年可削减约柴油消耗量约1 500 L。

虽然太阳能制冷技术有着诸多优点,但是仍然面临众多问题。

1)由于太阳能的来源主要受控于自然条件,一旦天气状况较差,很难保证充足的用冷量,这就注定了该技术的发展具有相当的局限性。与其他技术结合使用是个方向,如,蓄冰技术或者备份常规制冷空调系统。但又会增加初投资,而太阳能制冷空调的初投资本身就比常规空调的投资高10~16倍,使得投资回收期更加漫长。

2)该技术系统占地面积较大,难以适用于高层建筑,必须对太阳能采集设备与建筑进行优化设计。

3)太阳能光伏电池作为一种高耗能产品,在制作过程中也会产生相应的污染,并且存在报废电池的回收问题。据统计,生产一块1 m×1.5 m的太阳能板必须燃烧超过40 kg煤,但即使中国最没有效率的火力发电厂也能够用这些煤生产130 kW·h的电(一般一块1 m×1.6 m的太阳能板一年发电量在250 kW·h;以上),这足够让2.2 W的发光二极管(LED)灯泡按照每天工作12 h计算发光30年。

4)低成本的蓄能材料开发:低温(0~15 ℃)及中温(60~120 ℃)蓄能材料,目前全球各国都在进行开发。

5)克服太阳能能流不稳定,密度低的缺点,积极发展太阳能聚光技术,开发太阳能冷热电联产系统是未来的研发重点。

6)提高太阳能转化效率。提高太阳能集热器的集热效率,改善集热器的结构。虽然将太阳能空调中的太阳能集热器与太阳能热水器相通用是提高转化效率的一个途径,但是随着近年我国北方开始实行“煤改电”,北方地区逐步普及的空气源热泵终会取代太阳能热水器,因而该途径并不是一个一劳永逸的办法。

7)无论是太阳能电池还是太阳能集热器,由于表面积灰、涂层和光电元件老化等原因,都会出现性能衰减的问题,另外吸收式制冷机也存在性能衰减问题。因此,降低性能衰减也是今后太阳能空调的一个研究方向。

2.2  热声制冷技术

热声制冷技术是21世纪全新的制冷技术,在最近的20年, 世界许多的物理学家和机械工程师们都致力于研究这种基于热声理论的新型热机和制冷机, 无论是在理论方面还是工程应用方面都取得了突破性的进展, 许多研究已经进入到了实用的商业化阶段。与传统的蒸汽压缩式制冷相比,热声技术利用声波进行“天然泵热”,其结构优美而又简练,几乎可以解决传统制冷技术的所有缺陷。其突出特点就是无明显运动部件、使用环保工质、可以利用低品位热源。

2.2.1  热声制冷技术原理

声波制冷的工作原理都基于热声效应,热声效应机理可简单描述为在声波稠密时加入热量,在声波稀疏时排出热量,则声波得到加强;反之声波稠密时排出热量,在声波稀疏时吸人热量,则声波削弱。随着研究的深入,热声制冷的设计水平及制造工艺也在不断的提高。

热声制冷机主要功能器件包括声源、冷热端换热器、热声板叠和谐振管。热声效应主要发生在板叠区间,板叠间的气体工质在声源的驱动下在平衡位置来回振动时被压缩或者膨胀,并与固体板叠发生热交换,将热量由低温端泵向高温端。图2是其微观原理图。过程1:外界对微团做功,使之向右运动并绝热压缩,温度升高体积减小。过程2:微团与固体壁面等温换热,温度不变体积变小。过程3:微团对外界做功,向左运动并绝热膨胀,温度降低体积增大。过程4:微团与固体壁面等温换热,温度不变体积增大。

2.2.2  热声制冷技术的研究进展及问题

从效率上来说,热声机械的效率已经可以和传统内燃机和制冷机相媲美;从制冷量上考虑,已经有公司利用热声技术,燃烧35%的天然气液化剩下的65%,该套装置可以在-140 ℃的温度下提供2 kW的制冷量;从制冷温度来说,热声制冷几乎覆盖从常温到低温的所有温区。如今,热声技术主要是与脉管制冷技术或者斯特林制冷机结合起来,应用于红外线成像等领域。

热声技术可以说是一个极具潜力的制冷方式,既能满足人们日常生活对制冷量的需求,又能满足21世纪节能减排的需要。

然而,热声技术也有一些不容忽视的缺点。从理论上分析:1)热声理论目前只在线性热声方面有较为准确的方程描述,而在非线性方面只有初步的尝试,没有完全的定量分析。因此,理论上的未完全发展制约了工业上的应用。2)在线性热声理论方面,swift在推导热声方程时,采用了小振幅、短板叠等假设,先天性的制约了热声机械的能流密度,也就是采用线性热声理论设计出来的热声机械能量密度注定不会很高。为了满足高能量场合的工业需求,只能设计较大的体积,因此将本身热声机械的轻便型和低成本的特征抛弃了,与传统机械的竞争力大大降低。从工业加工实用方面来讲,以热声制冷为例子,首先是驱动器的问题:如果采用活塞驱动的时候,就会抛弃热声制冷的核心竞争力(无明显运动部件),同时也会引起热声效应中的非线性现象,如果采用扬声器的时候,不管是线圈驱动的,还是压电材料驱动的,还是磁致伸缩换能器,都会存在能量密度不足的问题。

虽然热身机械从结构上看起来特别简单,但是里面的原理极其复杂,尤其是涉及到其驱动源和产品——声波的时候。因为声波作为一个物理量,它抗干扰能力太差,结构上一点点的区别和设计不合理,就会对其造成很大的影响,在利用方面会出现巨大损失等。

因此,热声作为一个及具潜力的技术,面临的主要问题是理论上的突破和创新,而现在很多研究都是在工程上,即设计技术方面的优化。虽然这样会在短期内产生前人未有的突破,比如制冷量,COP等的提升,没有从根本上解决问题。

2.3  辐射制冷技术

2.3.1  辐射制冷技术原理

辐射制冷是指热物体通过大气的红外透明窗口,利用黑体辐射的方式,将热量辐射到外空间的冷阱中,从而达到制冷的一种方式。众所周知,只要物体的温度高于绝对零度,该物体会对外辐射。由于辐射物体表面状况、分子结构和温度等条件的不同,造成辐射波长也各不同。而地表上的物体温度大多在20~50 ℃之间,此温度段的物体所辐射的波长基本在8~13 μm,地表上物体的热能就是通过辐射换热,将自身热量以13 μm电磁波的形式通过“大气窗口"排放到温度接近绝对零度的外部太空,达到自身冷却的目的。

图3为辐射制冷系统的简图,系统四周保温材料的作用是防止周围高温空气通过对流与热传导的方式向内部空间的物体进行传热。因此,必须在制冷空间周围加保温材料,特别是需在其顶部加“透明”盖板以阻止空气对流带入的热量。“透明”盖板和保温材料可给辐射体“保冷”,但“透明”盖板必须在8~13 μm波段有很高的透过率,并且在8~13 μm波段外的辐射有着很高的反射率。太阳辐射光谱主要集中在0.4~4 μm波段,因而该盖板可以阻挡大部分太阳辐射,而系统内的辐射主要集中8~13 μm波段,这样,系统内的热量可以透过盖板辐射到外太空,以达到冷却的效果。常用的盖板材料为PE薄膜。“透明”盖板、保温层与辐射体组成一个基本的辐射制冷系统,在内部产生低温。

虽然辐射制冷的原理早在20世纪五六十年代已被人熟知,但将其应用于空调的研究工作,却只有大约50年左右的历史,而在国内仅有20年左右。但是辐射制冷作为一种无能耗的建筑物空调手段,符合我国“节能减排”的政策,且在近些年得到了蓬勃的发展,表现出了很强的实际意义。曾有人预言,辐射制冷能够给能源领域带来翻天覆地的变化,使人类的保护环境的同时,也能够更好更高效的利用能源,达到二者的和谐发展。

2.3.2  辐射制冷技术研究现状

尽管辐射散热的原理相对来说比较简单,自然界中存在的辐射散热现象比比皆是,如深秋清晨树叶上面的霜,沙漠的昼夜温差大以及撒哈拉银蚁的散热等,都是利用了辐射散热的原理。早在七十年代,就有人尝试利用外太空来散热,但是直到现在还仍然存在诸多问题,早些年辐射制冷技术主要应用在卫星和红外探测器上,近些年才将研究方向转向民用建筑、汽车等行业。2014年,斯坦福大学Shanhui Fan教授课题组在《Nature》上发表文章,将纳米光学和热辐射控制结合,提出了通过在纳米尺度设计多层材料,达到在太阳光波段内高反射,在8~13 μm强发射的效果,有效实现了太阳直射时被动的“不插电”制冷,这也宣告了在白天阳光直射条件下,辐射制冷成为可能,解决了辐射制冷技术上的一个难题。但该材料制备工艺复杂,成本较高,不利于大规模应用。2017年,在Shanhui Fan的基础之上,美国科罗拉多大学Xiaobo Yin等人将谐振的极性电介质微球随机地镶嵌在聚合物基质中,制备出对太阳能光谱完全透明的超材料,并且其在大气窗口具有大于0.93的红外发射率。当在超材料背衬面涂上一层银金属,该超材料在直射阳光下具有最高可达93W/m2的辐射冷却功率。更重要的是,他们发现这种超材料可以实现大量商业化卷轴式生产,是发展辐射制冷的一种可行性能源技术和材料。该项技术解决了辐射制冷材料工艺复杂,生产成本较高的问题。但是对于该薄膜的使用寿命,维护运行、是否需要膜面保持一定的清洁度以及可能造成的光污染等方面都未提及。

由于辐射制冷的研究起步较晚,其技术应用案例大多应用在卫星和红外探测器等领域;在沙漠、戈壁及旱季的草原等一些干旱地区及缺乏淡水的岛屿,淡水非常稀缺,辐射制冷涂料的出现,能够帮助人们大规模的收集露水,缓解缺水问题。中国科学技术大学的裴刚等人发明了一种太阳能集热和辐射制冷综合应用装置使得该装置能白天制取热水和热空气,又能夜间制取冷空气,有效解决了传统的平板太阳能集热器和辐射制冷装置功能单一的局限性,提高了装置和建筑物屋顶单位面积的利用效率。

2.3.3  辐射制冷技术原理面临的问题

总的来说,现阶段限制商业化发展的关键在于:1)对新材料的开发,要达到商业化用途,必须有高性能、低成本的超材料作为基础,并且该超材料不能对人或环境产生危害,在以往的研究中虽然选择的辐射体材料具有较好的制冷效果,但某些高红外发射率材料由于有刺激性气味或者有毒,使得具有更佳制冷效果的材料不能被应用于商用。2)辐射制冷技术仅能实现制冷,不能实现冬季制热,用户在冬季取暖需要另外的辅助设备,给用户经济上带来负担。并且,现阶段的技术能够实现的温降也不能够满足普通用户的用冷需求,更不用说应用于冷库等场所。3)辐射面受空气清洁度影响很大,过低的空气清洁度会导致辐射制冷效果的明显下降。

2.4  磁制冷技术

2.4.1  磁制冷原理

磁制冷的原理主要是利用了就磁热效应,又称磁卡效应 (Magnetocaloric effect) 的制冷。所谓磁热效应,是指磁性材料在变化的磁场下有序发生改变而产生的热现象。当磁性材料被磁化时,温度上升,向外界放出热量,去磁时,温度降低,从外界吸收热量的现象。当使用某个循环将磁化放热和去磁吸热这两个过程连接起来,通过控制外加磁场,达到对磁性材料吸放热的控制,这样就可以使得磁性材料不断地从一端吸热而在另一端放热,进而达到制冷的目的。当前,普遍选用的磁制冷工质主要是顺磁工质和铁磁工质。本文将分别从顺磁工质与铁磁工质出发,介绍磁制冷的原理。

对于顺磁工质,当不存在外加磁场时,由于顺磁工质内部的热运动或者热振动,造成其内部的磁矩取向是随机的,因而对应的磁熵较大。在等温条件下,当给予外加磁场时,磁矩方向沿磁化方向趋于有序化,该过程导致工质磁熵下降,有序度增加,磁工质向外界排热;在等温条件下,当减弱外加磁场强度时,由于顺磁工质内部的热运动或者热振动,磁矩又趋于无序,磁熵增加,磁工质从外界吸热,从而达到制冷的目的,如图4所示。

对于铁磁性材料来说,在铁磁材料的温度处于居里温度TC以下时,铁磁性材料内部存在自发磁化,当铁磁材料的温度位于在居里温度TC以上,材料由铁磁性转变为顺磁性,此后的过程与顺磁工质的制冷原理一致,在此不重复。原理图如图5所示。

关于磁制冷实现的过程可通过图6进行简单的描述:1)外磁化场作用在磁工质上,工质的磁熵减小,温度上升。2)通过热交换介质把磁工质的热量带走。3)移出外磁化场,磁工质内自旋系统又变得无序,在退磁过程中消耗内能,使磁工质温度下降。4)通过热交换介质磁工质从低温热源吸热,从而实现制冷的目的。

2.4.2  磁制冷研究现状及其问题

从1881 年, Warburg在金属铁中发现这种现象开始,对于磁制冷的研究便一直未曾中断过。近年来,在磁制冷循环、样机与数值模拟等方面, 室温磁制冷技术已出现了不错的进展,在理论方面,提出了诸如复合式磁制冷循环、耦合回热式制冷的主动磁制冷循环等概念,随着对运行机理理解的深入, 在样机方面,室温磁制冷样机的形式也在不断演化, 例如旋转回热器/磁体系统等,在数值模拟上面,已逐步构建出不同维度的仿真模型,在磁制冷材料上,目前各国学者对室温磁制冷材料进行了大量研究,主要集中在Gd金属及其化合物、Mn基化合物和Heusler合金等方面。

磁制冷技术是利用材料磁热效应的新型固态制冷技术, 具有低振动、低噪声的特性, 其换热流体采用去离子水等环保介质。近年来, 室温磁制冷技术出现了显著进展, 也加快了实用化的步伐。已有学者将室温磁制冷技术与地源热泵技术进行了初步结合, 也有相关企业发布了拟商业化的制冷装置原型机。

回顾近年来的发展,在室温磁制冷系统这一块,仍然面临温跨加大时制冷机效率偏低、料与磁路仍需改进以及磁制冷系统成本高等问题。在材料方面,磁制冷材料的磁热效应不够大。

但是,室温磁制冷技术是一项应用前景很好的新技术,现阶段具有较高的技术成熟度,预计在未来可以替代目前的商用、家用、工业以及其它特殊用途的制冷装置。在近室温区间具有广阔的应用市场,随着民用空调逐步向中央空调发展,预计在中央空调和汽车空调等领域,磁制冷技术会首先得到使用。

3  结束语

现如今,人类不得不面对环境资源问题。太阳能制冷技术、辐射制冷技术、热声制冷技术、磁制冷技术作为现阶段制冷技术节能的发展方向,其中热声技术和磁制冷技术成熟度较高,有望率先实现大规模实用化。有利于减轻人类对环境的污染以及对常规能源的消耗。空调行业作为一个高耗能的产业,大力发展新型绿色节能环保技术是未来空调产业所必须考虑的。在节能环保的大背景之下,空调行业必须率先做出表率,为节能减排做出贡献。


本文选自《制冷与空调》2019年1月刊6-12页,作者:刘鹏飞  肖星;未经许可,不得转载


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