摘要 

空調(diào)制冷已經(jīng)成為人們健康、運(yùn)輸、食品保鮮等不可缺少的設(shè)施, 使得人們可以在地球上最冷和最熱的地方工作和生活. 本文首先分類介紹了三類典型的空調(diào)制冷技術(shù), 其次介紹了空調(diào)除濕、熱泵和低溫技術(shù)的應(yīng)用, 最后總結(jié)了空調(diào)制冷技術(shù)在未來發(fā)展中所面臨的能效提升、環(huán)保制冷和應(yīng)用拓展等機(jī)遇與挑戰(zhàn). 空調(diào)制冷技術(shù)已經(jīng)成為一種基礎(chǔ)應(yīng)用技術(shù), 除傳統(tǒng)的室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)、食品藥品保存和氣體液化等應(yīng)用以外, 目前已經(jīng)拓展到數(shù)據(jù)中心冷卻、電動車熱管理、清潔供熱、工業(yè)余熱回收、低溫生物醫(yī)學(xué)和大科學(xué)裝置中, 體現(xiàn)出強(qiáng)學(xué)科交叉融合趨勢.

空調(diào)制冷是控制環(huán)境溫度和濕度的技術(shù), 可以廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域, 并成為人們健康、運(yùn)輸、食品保鮮不可缺少的設(shè)備. 由于空調(diào)制冷技術(shù)對人類生產(chǎn)生活水平的顯著提高, 它被評為20世紀(jì)最偉大的20項(xiàng)工程技術(shù)成就之一.

由于人們對生活水平的要求和整體生產(chǎn)水平不斷提升, 空調(diào)制冷行業(yè)不斷發(fā)展壯大, 已經(jīng)發(fā)展成為一個非常重要也非常龐大的行業(yè). 表1所示為國際制冷學(xué)會統(tǒng)計發(fā)布的全球制冷、空調(diào)和熱泵運(yùn)行設(shè)備數(shù)量, 總量達(dá)到50億套, 其中包括26億套空調(diào)設(shè)備和20億套冰箱冷柜, 這些設(shè)備每年所消耗的電力占全球電力消耗約20%. 此外, 全球每年新增的制冷、空調(diào)和熱泵設(shè)備年銷售額約為5000億美元, 這個巨大的產(chǎn)業(yè)也為近1500萬人提供了就業(yè)崗位.

從表1可以看出, 空調(diào)制冷技術(shù)所涉及的應(yīng)用場景非常廣, 從與人們生活最密切相關(guān)的空調(diào)、食品、醫(yī)療健康和運(yùn)動, 到商業(yè)工業(yè)應(yīng)用中的大型空調(diào)、熱泵和低溫設(shè)備, 空調(diào)制冷的應(yīng)用已經(jīng)滲透到了各個行業(yè).這一方面是基于多年發(fā)展所形成的完善空調(diào)制冷技術(shù)體系, 另一方面也是空調(diào)制冷技術(shù)本身不斷與國民經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略需求和新興產(chǎn)業(yè)相結(jié)合所取得的成效.

未來, 全球氣候變化、城鎮(zhèn)化和居民生活質(zhì)量提升等諸多因素會導(dǎo)致空調(diào)需求更加旺盛, 全球人口增長導(dǎo)致糧食需求增加和生鮮電商的快速發(fā)展, 進(jìn)一步導(dǎo)致冷凍冷藏需求持續(xù)增長, 深空探測、低溫成像和冷凍醫(yī)療等前沿科技的發(fā)展也會帶來低溫技術(shù)的不斷更新, 而以上所列舉的僅僅是驅(qū)動空調(diào)制冷技術(shù)發(fā)展的部分因素. 基于以上考慮, 空調(diào)制冷技術(shù)的研究受到眾多研究者的重視, 并呈現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢: 空調(diào)制冷行業(yè)的發(fā)展除了受到政策和市場等需求驅(qū)動外, 還受到前沿科學(xué)研究成果的推動, 這令空調(diào)制冷技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)多元化和復(fù)雜化. 在這種形勢下, 對制冷空調(diào)的技術(shù)手段和典型應(yīng)用進(jìn)行梳理, 并對制冷空調(diào)的未來發(fā)展進(jìn)行展望是非常有必要的.

1 空調(diào)制冷技術(shù)體系

空調(diào)制冷應(yīng)用廣泛導(dǎo)致其技術(shù)體系較為復(fù)雜, 相關(guān)的技術(shù)分類也很多: 在中文術(shù)語中有空調(diào)、熱泵、普冷、深冷、低溫和超低溫等分類, 在英文中也有HVAC(air-conditioning)、refrigeration、heat pump和cryogenics等詞對應(yīng), 這些分類的依據(jù)大多是根據(jù)所處理的環(huán)境參數(shù), 并考慮了工作原理、工質(zhì)和應(yīng)用上的區(qū)別. 這里借鑒了空調(diào)制冷專家聯(lián)合編纂的2018~2019年《制冷及低溫工程學(xué)科發(fā)展報告》, 并綜合考慮了國際制冷學(xué)會技術(shù)報告所描述的技術(shù)應(yīng)用場景, 將相關(guān)技術(shù)分為制冷熱泵技術(shù)、熱濕控制技術(shù)和低溫技術(shù).

表1 空調(diào)制冷運(yùn)行設(shè)備數(shù)量統(tǒng)計

1.1 制冷熱泵技術(shù)

人類采用天然冰或深井水等低溫物體來滿足冷卻需求已具有較長歷史, 這些天然冷卻技術(shù)雖然有效, 但其使用受到眾多條件的限制, 無法滿足人們的需求, 因此人們開發(fā)了將熱量從低溫物體向環(huán)境轉(zhuǎn)移的人工制冷技術(shù)和設(shè)備. 根據(jù)熱力學(xué)定律可知, 熱量不會自發(fā)地從低溫狀態(tài)向高溫狀態(tài)轉(zhuǎn)移, 因此人工制冷技術(shù)往往需要消耗一些其他能量作為代價, 并通常伴隨著工質(zhì)熱力學(xué)狀態(tài)的變化. 根據(jù)產(chǎn)生制冷所需的不同過程, 常見制冷技術(shù)主要包括蒸氣壓縮式制冷、吸收式制冷、吸附式制冷、噴射式制冷、新興的固態(tài)制冷和半導(dǎo)體制冷等, 而在這些技術(shù)中所涉及的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功、電能或熱能向冷能的轉(zhuǎn)化.

1.1.1 蒸氣壓縮式制冷

蒸氣壓縮式制冷是普通制冷溫度下最常用的制冷方式, 并廣泛應(yīng)用于空調(diào)、冷凍和冷藏等多種場景, 可采用氨、二氧化碳、氯氟烴(chlorofluorocarbon, CFC)、氫氯氟烴(hydrochloroflurocarbon, HCFC)、氫氟烴(hydrofluorocarbon, HFC)和氫氟烯烴(hydrofluor-oolefin, HFO)等多種制冷劑, 其中CFC、HCFC和HFC類制冷劑由于臭氧層破壞和溫室效應(yīng)已經(jīng)或即將被淘汰.

圖1 (網(wǎng)絡(luò)版彩色)蒸氣壓縮式制冷. (a) 流程圖; (b) 壓焓圖; (c) 風(fēng)冷壓縮式制冷機(jī)

如圖1 所示為蒸氣壓縮式制冷的原理和設(shè)備圖,它依靠液體制冷劑的蒸發(fā)帶走熱量. 為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)的蒸發(fā), 還需要配合壓縮、冷凝和節(jié)流形成制冷循環(huán):

(1) 低溫低壓制冷劑液體4吸熱蒸發(fā)為低壓制冷劑蒸氣1, 該過程吸收低溫?zé)嵩礋崃? 即輸出冷量;

(2) 低壓制冷劑蒸氣1被壓縮為高溫高壓制冷劑蒸氣2, 該過程消耗機(jī)械功, 通常通過電能驅(qū)動壓縮機(jī)完成;

(3) 高溫高壓制冷劑蒸氣2冷凝為高壓制冷劑液體3, 該過程向高溫?zé)嵩瘁尫艧崃? 高溫?zé)嵩赐ǔ榄h(huán)境熱源;

(4) 高壓制冷劑液體3經(jīng)過節(jié)流回到低溫低壓制冷劑氣液混合物4的狀態(tài). 由于驅(qū)動循環(huán)運(yùn)行的過程是蒸氣壓縮過程,這種制冷方式被稱為蒸氣壓縮式制冷. 在該循環(huán)中, 低溫?zé)嵩春透邷責(zé)嵩吹臏囟葲Q定了蒸氣在壓縮前后的壓力, 進(jìn)而決定了壓縮過程的壓力比. 當(dāng)壓力比適中時,采用上述單次壓縮即可, 稱為單級壓縮式制冷循環(huán); 當(dāng)熱源溫差大導(dǎo)致壓力比過高時, 壓縮機(jī)可能無法完成所需壓力提升, 此時可以采用多次壓縮, 稱為多級或復(fù)疊式壓縮式制冷循環(huán). 常見的家用空調(diào)用壓縮式制冷循環(huán)性能系數(shù)(coefficient of performance, COP)為冷量輸出與電量輸入的比例, 一般在2.0~3.5之間, 熱源溫差和壓力比越高, 則COP越低.

除了采用制冷劑氣液相變的蒸氣壓縮式制冷外,壓縮空氣制冷亦獲得了實(shí)際應(yīng)用. 采用空氣作為制冷介質(zhì)可以構(gòu)建開式系統(tǒng), 空氣經(jīng)過等熵壓縮和等壓冷卻, 再進(jìn)行等熵膨脹就形成低溫冷空氣, 并可以直接用于周圍環(huán)境的冷卻, 飛機(jī)機(jī)艙制冷即是采用了這類制冷方式.

1.1.2 吸收式制冷

吸收式制冷同樣依靠液體蒸發(fā)輸出冷量, 但驅(qū)動吸收式制冷循環(huán)的是熱能, 該驅(qū)動熱能可以來自燃料燃燒、煙氣、蒸汽或熱水, 因此吸收式制冷可廣泛應(yīng)用于太陽能制冷、余熱制冷和直燃式制冷等. 吸收式制冷采用制冷劑-溶液吸收劑的二元工質(zhì)對, 常用的工質(zhì)對包括應(yīng)用于空調(diào)工況的水-溴化鋰溶液和應(yīng)用于冷凍工況的氨-水溶液.

圖2 (網(wǎng)絡(luò)版彩色)吸收式制冷. (a) 流程圖; (b) 壓力-溫度-濃度圖; (c) 單效吸收式制冷機(jī)

如圖2所示為水-溴化鋰吸收式制冷的工作原理和設(shè)備, 除輸出冷量的制冷劑蒸發(fā)過程外, 吸收式制冷循環(huán)還包括制冷劑的吸收、發(fā)生、冷凝和節(jié)流過程,其中蒸發(fā)、冷凝和節(jié)流與壓縮式制冷相似, 吸收和發(fā)生過程之間通過溶液增壓和節(jié)流過程耦合, 并起到熱驅(qū)動的蒸氣壓縮作用.

(1) 蒸發(fā)過程產(chǎn)生的低壓制冷劑蒸氣被溶液吸收, 該過程產(chǎn)生低壓濃溶液(制冷劑濃度增加)并向環(huán)境釋放熱量;

(2) 低壓濃溶液被泵加壓變?yōu)楦邏簼馊芤?

(3) 高壓濃溶液發(fā)生過程產(chǎn)生高壓制冷劑蒸氣, 溶液則變?yōu)楦邏合∪芤? 該過程消耗來自高溫?zé)嵩吹臒崃?

(4) 發(fā)生過程產(chǎn)生的高壓制冷劑蒸氣進(jìn)入冷凝器、節(jié)流裝置并回到蒸發(fā)器, 而高溫稀溶液則經(jīng)過節(jié)流回到吸收器, 從而完成整個循環(huán). 吸收式制冷是否可以正常工作取決于熱源溫度, 在熱源溫度過低無法驅(qū)動單效循環(huán)時可以采用兩級循環(huán), 而在熱源溫度較高時可以采用多效循環(huán)達(dá)到更高的效率. 常見的空調(diào)用溴化鋰-水吸收式制冷循環(huán)COP(冷量輸出/高溫?zé)崃枯斎?在0.7~1.4之間, 且取決于熱源溫度和循環(huán)種類.

1.1.3 吸附式制冷

吸附式制冷與吸收式制冷相似, 也是一種熱驅(qū)動的制冷技術(shù), 不同之處在于吸附式制冷采用了制冷劑-固體吸附劑的二元工質(zhì)對, 主要通過閥門開閉進(jìn)行工作狀態(tài)的切換. 如圖3所示, 通過高溫?zé)嵩醇訜嵛酱苍斐芍评鋭┑慕馕? 解吸出的蒸氣由冷凝器冷凝成液體, 經(jīng)過節(jié)流預(yù)冷進(jìn)入蒸發(fā)器中, 蒸發(fā)器中的液體由于另一個處于冷卻狀態(tài)的吸附床的吸附作用, 造成蒸發(fā)制冷. 兩個吸附床加熱/冷卻進(jìn)行切換并切換系統(tǒng)閥門, 可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷輸出. 硅膠-水物理吸附、金屬氯化物-氨化學(xué)吸附是常見的兩種形式, 其中水適合于空調(diào), 氨適合于冷凍. 由于化學(xué)吸附熱一般比物理吸附熱和吸收熱高, 近年來化學(xué)吸附還被廣泛應(yīng)用于儲熱過程, 并服務(wù)于太陽能熱利用和余熱利用, 其原理與吸附式制冷/熱泵相似.

圖3 (網(wǎng)絡(luò)版彩色)吸附式制冷. (a) 流程圖; (b) 克拉伯龍圖; (c) 吸附式制冷機(jī)

1.1.4 噴射式制冷

蒸氣噴射式制冷也是一種熱驅(qū)動制冷, 與吸收/吸附式制冷不同的是, 它僅需要制冷劑而不需要吸收/吸附劑. 水是噴射式制冷的最常用制冷劑, 此外也有研究采用二氧化碳、R245fa和R123等作為制冷劑. 噴射式制冷主要依靠噴射器的抽吸作用產(chǎn)生真空效應(yīng), 促使制冷劑蒸發(fā)從而制冷. 如圖4所示為一種跨臨界二氧化碳蒸氣噴射式制冷循環(huán), 冷凝器的制冷劑液體分為兩路: 一路經(jīng)過泵加壓后進(jìn)入發(fā)生器, 消耗高溫?zé)崃枯斎氩⒆優(yōu)楦邏褐评鋭┱魵? 高壓制冷劑蒸氣作為工作流體進(jìn)入噴射器; 另一路經(jīng)過節(jié)流閥后進(jìn)入蒸發(fā)器,由于高壓制冷劑蒸氣在噴射器中產(chǎn)生的真空作用, 蒸發(fā)器中的低壓制冷劑液體蒸發(fā)并輸出冷量, 而低壓制冷劑蒸氣則被引射進(jìn)入冷凝器. 噴射制冷還可以與蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)、吸收式制冷系統(tǒng)等進(jìn)行多種形式的耦合, 提升系統(tǒng)的制冷能力.

圖4 (網(wǎng)絡(luò)版彩色)蒸氣噴射式制冷. (a) 流程圖; (b) 壓焓圖

1.1.5 固態(tài)制冷

壓縮式制冷采用電能驅(qū)動, 并通過蒸發(fā)輸出冷量,效率高且適用范圍廣. 然而, 制冷劑泄漏會造成環(huán)保問題, 近年來新興的固態(tài)工質(zhì)制冷循環(huán)則不存在該泄漏問題. 目前固態(tài)制冷主要依靠磁熱、彈熱和電卡效應(yīng),通過磁場、應(yīng)力場和電場的變化驅(qū)動固態(tài)制冷工質(zhì)熵的改變, 并產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移的效果. 如圖5所示為一種主動回?zé)崾焦虘B(tài)制冷循環(huán)的工作原理: (1) 固態(tài)磁熱/彈熱/電卡工質(zhì)填充在主動固態(tài)制冷回?zé)崞?active calo-ric regenerator, ACR)中, 在施加外場(應(yīng)力場、電場、磁場)時工質(zhì)熵減小; (2) 活塞帶動流體自左向右流動,工質(zhì)釋放熱量并被流體傳遞至右側(cè)熱匯; (3) 卸載外場后, 固態(tài)工質(zhì)熵增加; (4) 活塞帶動流體自右向左流動,冷量被流體傳遞至左側(cè)制冷熱源, 并回到初始狀態(tài). 固態(tài)制冷具有理論效率、無運(yùn)動部件和無泄漏的多方面優(yōu)勢, 雖然已經(jīng)出現(xiàn)了部分產(chǎn)品, 但還無法與蒸氣壓縮式制冷競爭, 需要更多的基礎(chǔ)研究與技術(shù)推進(jìn).

圖5 (網(wǎng)絡(luò)版彩色)基于磁熱、彈熱和電卡效應(yīng)的固態(tài)制冷原理

1.1.6 非循環(huán)制冷

以上制冷都依靠循環(huán)維持連續(xù)的制冷輸出, 除此之外, 還有部分技術(shù)可以不通過熱力循環(huán)的方式產(chǎn)生制冷效應(yīng), 主要包括熱電制冷和新興的輻射致冷.

熱電制冷是利用塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)——佩爾捷效應(yīng)達(dá)到制冷的技術(shù), 由于半導(dǎo)體的佩爾捷效應(yīng)較強(qiáng),因此熱電制冷也稱為半導(dǎo)體制冷, 其制冷效率與制冷溫差和半導(dǎo)體材料的熱電優(yōu)值(thermoelectric figure of merit, ZT值)有關(guān). 一對電偶的制冷量是很小的, 為了獲得較大的冷量, 可將很多電偶對串聯(lián)成熱電堆. 單級熱電堆可達(dá)到大約50°C的溫差, 為了獲得更低的冷端溫度, 可采用串聯(lián)、并聯(lián)及串并聯(lián)的方法組合多級熱電堆. 目前半導(dǎo)體制冷器效率較低, 但具有體積小和無運(yùn)動部件等優(yōu)點(diǎn), 適用于一些特殊場合, 但在這種場合下主要考慮制冷溫度/冷量而非效率. 近年來熱電材料的研究發(fā)展使得ZT值大幅提高, 未來熱電制冷的應(yīng)用值得關(guān)注.

輻射致冷利用輻射傳熱方式將熱量排放到宇宙低溫背景, 從而達(dá)到制冷目的. 由于地表溫度低, 輻射致冷主要依靠紅外輻射進(jìn)行熱量傳輸, 而考慮到大氣層對于紅外輻射的吸收作用, 僅有一部分波長范圍內(nèi)的輻射可以透過大氣窗口向宇宙?zhèn)鬟f能量. 在特定環(huán)境下, 上述能量輸運(yùn)可導(dǎo)致物體表面獲得降溫的能力,且不需要任何外界能量驅(qū)動, 稱為輻射致冷. 目前實(shí)現(xiàn)夜間輻射致冷較為簡單, 但由于太陽光入射的存在, 日間輻射致冷較難, 需要同時實(shí)現(xiàn)對可見光的高反射率和紅外輻射的高發(fā)射率. 結(jié)合新型超材料的發(fā)展, 輻射致冷目前能夠在室外完成全天候低于環(huán)境溫度5~10°C的冷卻效果.

1.1.7 制冷與熱泵

在常見制冷技術(shù)中, 通過消耗一定的外在能量輸入, 可以從低溫?zé)嵩次諢崃? 并對高溫?zé)嵩瘁尫艧崃? 其中高溫?zé)嵩礊榄h(huán)境, 因此可實(shí)現(xiàn)制冷效果. 在同樣的技術(shù)體系下, 如果將低溫?zé)嵩刺鎿Q為環(huán)境或其他熱能輸入, 并利用對高溫?zé)嵩吹臒彷敵? 這種提升熱能溫度的技術(shù)就稱為熱泵. 對于市場上普遍應(yīng)用的熱泵空調(diào)器, 夏季室內(nèi)機(jī)起到蒸發(fā)器作用實(shí)現(xiàn)制冷輸出, 而冬季室內(nèi)機(jī)起到冷凝器作用實(shí)現(xiàn)制熱輸出. 熱泵空調(diào)機(jī)組通過四通換向閥實(shí)現(xiàn)室內(nèi)換熱器和室外換熱器的功能切換, 從而實(shí)現(xiàn)夏季制冷和冬季制熱兩種功能.

常見的熱能品位提升的熱泵技術(shù)包括蒸氣壓縮式熱泵、吸收式熱泵和吸附式熱泵, 它們通過消耗電能或高溫?zé)崮軐?shí)現(xiàn)對低溫?zé)崮艿臏囟绕肺惶嵘? 低溫?zé)崮芸梢詠碜原h(huán)境或余熱, 升溫后的熱輸出可以用于供熱、生活熱水或工業(yè)流程用熱. 空氣源熱泵熱水器和空氣源熱泵供熱系統(tǒng)均為典型的熱泵應(yīng)用產(chǎn)品.

1.2 熱濕控制技術(shù)

常見的空氣調(diào)節(jié)技術(shù)主要通過調(diào)控溫度和濕度實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣環(huán)境的熱舒適, 溫度調(diào)控可以通過制冷或熱泵制熱技術(shù)實(shí)現(xiàn), 而濕度處理方式主要包括各類除濕技術(shù)(冷凝除濕、溶液吸收除濕、固體吸附除濕)或加濕技術(shù)(水的直接蒸發(fā)、超聲加濕等). 本質(zhì)上講, 濕度是濕空氣中水蒸氣化學(xué)勢能的反映, 因此上述技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換形式可以進(jìn)行如下理解: 冷凝除濕是通過降低溫度而降低濕度, 對應(yīng)“冷能→濕空氣化學(xué)勢能” 的轉(zhuǎn)化; 蒸發(fā)冷卻是通過增加濕度而降低溫度, 對應(yīng) “濕空氣化學(xué)勢能→冷能”的轉(zhuǎn)化; 而溶液吸收除濕和固體吸附除濕則對應(yīng)“吸收/吸附材料化學(xué)勢能→濕空氣化學(xué)勢能”的轉(zhuǎn)化.

1.2.1 冷凝除濕

空氣濕度有絕對濕度、含濕量和相對濕度等多種表示方法, 其中相對濕度是影響熱舒適性的重要參數(shù),反映了含濕量與飽和含濕量之間的比例關(guān)系. 由于空氣的飽和含濕量隨溫度下降而下降, 因此在含濕量不變的情況下, 通過制冷技術(shù)降低空氣溫度時會導(dǎo)致相對濕度升高, 需要進(jìn)行除濕. 當(dāng)空氣溫度降低時, 相對濕度會逐步升高并在露點(diǎn)溫度下達(dá)到100%; 如果空氣溫度繼續(xù)降低, 相對濕度會維持在100%, 但飽和含濕量會繼續(xù)下降, 導(dǎo)致空氣含濕量降低, 在該過程中水蒸氣會冷凝變?yōu)橐后w水, 因此稱為冷凝除濕.

在冷凝除濕中, 壓縮式制冷或吸收式制冷等技術(shù)提供冷量, 并通過表面冷卻器降低空氣溫度從而達(dá)到除濕目的. 這種冷凝除濕涉及以下幾個問題: (1) 由于在冷凝除濕中空氣含濕量的降低伴隨著水的冷凝, 而水的汽化潛熱很高, 所以該過程需要消耗大量的冷量;(2) 由于空氣的露點(diǎn)溫度較低, 而為了達(dá)到除濕效果制冷蒸發(fā)溫度必須低于露點(diǎn)溫度, 因此夏季空調(diào)制冷蒸發(fā)溫度需要設(shè)定在7~12°C才能達(dá)到有效除濕, 該溫度比房間空氣實(shí)際需要的制冷溫度低15~20°C, 從而降低了制冷機(jī)的效率; (3) 為滿足除濕需求, 空氣會被冷卻到較低溫度, 這種低溫空氣會造成室內(nèi)部分區(qū)域過冷,并影響熱舒適, 因此在中央空調(diào)空調(diào)箱中還需要對冷凝除濕后的空氣進(jìn)行再熱. 以上幾個因素會導(dǎo)致制冷機(jī)在處理濕負(fù)荷時能耗高, 因此采用熱回收裝置或溫濕度獨(dú)立控制等方法提升效率非常必要.

1.2.2 溶液除濕

溶液除濕技術(shù)采用低水蒸氣分壓的溶液工質(zhì)作為干燥劑, 通過直接接觸吸收空氣中的水蒸氣, 從而達(dá)到除濕的目的, 可廣泛用于溫濕度獨(dú)立處理、新風(fēng)處理、全熱回收和工農(nóng)業(yè)干燥等場景, 常見的工質(zhì)包括氯化鋰水溶液和溴化鋰水溶液等. 溶液工質(zhì)吸收水蒸氣的過程伴隨著汽化潛熱和溶質(zhì)溶劑混合熱的釋放, 需要冷卻來維持該過程; 在溶液吸收較多水分后,其含水量和水蒸氣分壓升高導(dǎo)致除濕能力下降, 需要通過加熱再生降低其含水量并恢復(fù)除濕能力. 溶液工質(zhì)的低水蒸氣分壓使得該冷卻過程可以通過環(huán)境作為熱沉實(shí)現(xiàn), 同時也使得溶液工質(zhì)再生需要高溫?zé)嵩? 該熱源可以來自太陽能或工業(yè)余熱, 或者直接利用熱泵制冷系統(tǒng)的冷凝熱等.

圖6 (網(wǎng)絡(luò)版彩色)一種內(nèi)冷型溶液除濕器

溶液除濕同時伴隨著水分子和熱量的轉(zhuǎn)移, 因此傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化非常重要. 如圖6所示為一種帶內(nèi)冷的溶液除濕器, 這種除濕器可以同時實(shí)現(xiàn)溶液與空氣的高比表面積接觸、空氣的流動和溶液的冷卻, 具有較好的除濕性能. 此外, 在溶液除濕中還存在液滴夾帶和抗腐蝕等問題, 可以通過溶液改性、膜除濕和特種換熱材料等方式進(jìn)行改進(jìn).

1.2.3 固體除濕

除了采用溶液干燥劑外, 固體干燥劑也可以用在除濕中, 稱為固體除濕或固體吸附除濕. 常見的固體除濕材料包括硅膠等多孔材料以及金屬氯化物等吸濕鹽.與溶液除濕相同, 固體吸附劑在除濕過程中需要冷卻,且在除濕一段時間后需要加熱再生, 熱源同樣可以來自太陽能和余熱等. 由于固體干燥劑吸濕會飽和, 需要再生過程, 因而單個吸附床只能實(shí)現(xiàn)間斷除濕, 而采用兩個吸附床切換可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)除濕. 為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)的除濕和再生過程, 可采用如圖7所示的轉(zhuǎn)輪式固體吸附除濕裝置, 轉(zhuǎn)輪中固體吸附材料由電機(jī)帶動進(jìn)行轉(zhuǎn)動,在頂部除濕后吸附材料含水量增加, 之后吸附材料轉(zhuǎn)動至底部通過熱空氣加熱進(jìn)行再生, 底部吸附材料含水量降低從而恢復(fù)其除濕能力, 恢復(fù)除濕能力的吸附材料再轉(zhuǎn)動到頂部從而進(jìn)行連續(xù)除濕.

圖7 (網(wǎng)絡(luò)版彩色)轉(zhuǎn)輪式固體吸附除濕裝置

固體干燥劑的獨(dú)特屬性給固體除濕帶來了挑戰(zhàn),也帶來了優(yōu)勢: (1) 由于固體干燥劑不具有溶液干燥劑的流動性, 其傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化更具挑戰(zhàn), 而在多孔導(dǎo)熱材料中添加吸濕鹽的復(fù)合吸附劑是實(shí)現(xiàn)傳熱傳質(zhì)的協(xié)同強(qiáng)化的重要途徑; (2) 在露點(diǎn)溫度低于0°C的超低濕度工況下, 冷凝除濕產(chǎn)生的冷凝水會出現(xiàn)結(jié)冰進(jìn)而妨礙進(jìn)一步冷卻, 而選取合適材料的固體吸附除濕則不存在這個問題; (3) 隨著金屬-有機(jī)骨架材料等孔徑可設(shè)計的多孔材料發(fā)展迅速, 實(shí)現(xiàn)S型等溫吸附線、低蒸氣壓吸附和超高吸附量變得可能, 固體除濕技術(shù)也將迎來新的發(fā)展機(jī)遇.

1.2.4 蒸發(fā)冷卻

蒸發(fā)冷卻技術(shù)通過水的自然蒸發(fā)吸收熱量, 并帶來冷卻效果, 可以分為直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)和間接蒸發(fā)冷卻. 直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用空氣和水的直接接觸進(jìn)行冷卻, 冷卻溫度可以接近濕球溫度, 形式簡單, 易于實(shí)現(xiàn). 常見的開式冷卻塔就是一個很好的例子, 水在空氣里的直接蒸發(fā)在相對濕度較低的工況下可以得到加強(qiáng), 因此在干燥地區(qū)效果更明顯. 由于直接蒸發(fā)冷卻是等焓過程, 在降低空氣溫度的同時增加了濕度, 在室內(nèi)空氣處理時效果不佳, 在這種情況下可以采用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù): 通過換熱器將外側(cè)直接蒸發(fā)冷卻的冷量用于內(nèi)側(cè)空氣的等濕降溫.

1.3 低溫技術(shù)

當(dāng)所需冷量溫度較低時, 壓縮式制冷和吸收式制冷等常規(guī)制冷技術(shù)無法滿足實(shí)現(xiàn)低溫的需求, 需要低溫技術(shù)進(jìn)行應(yīng)對. 制冷(refrigeration)和低溫(cryogenics)往往用123 K作為分界線進(jìn)行劃分, 即高于該溫度的范圍是制冷, 而低于該溫度的屬于低溫. 低溫技術(shù)根據(jù)應(yīng)用主要分為氣體液化分離與低溫制冷機(jī)技術(shù), 前者以得到液化氣體為目的, 而后者以得到低溫冷量為目的.

1.3.1 氣體液化

氣體的存儲和分離往往需要?dú)怏w液化, 例如氣體在冷凝為液體后體積可以大大減小從而便于存儲, 而如果對多組分氣體進(jìn)行提純, 也可以通過氣體的液化和精餾實(shí)現(xiàn). 由于很多氣體的液化溫度低于或遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度, 氣體液化和分離需要達(dá)到較低溫度才能實(shí)現(xiàn). 在常見的液化氣體中, 空氣(氧氣、氮?dú)?、甲烷、氫氣和氦氣的液化最為重要.

圖8 簡單林德-漢普遜液化系統(tǒng). (a) 流程圖; (b) 循環(huán)溫熵圖

氣體液化可以通過可逆等溫壓縮和可逆等熵膨脹來實(shí)現(xiàn), 在實(shí)際過程中, 這種理想過程雖然無法實(shí)現(xiàn),但可以根據(jù)理想循環(huán)進(jìn)行實(shí)際循環(huán)的構(gòu)建. 如圖8所示為簡單林德-漢普遜液化系統(tǒng), 包含等溫壓縮、等壓降溫和等焓膨脹過程, 并通過氣體壓縮機(jī)和焦耳-湯普遜(Joule-Thompson, J-T)節(jié)流閥實(shí)現(xiàn). 該循環(huán)是1895年德國林德和英國漢普遜分別獨(dú)立提出的一次節(jié)流循環(huán),是繼復(fù)疊式氣體液化循環(huán)后第二個用于工業(yè)上液化氣體的循環(huán), 并可以通過預(yù)冷、雙壓系統(tǒng)和復(fù)疊式系統(tǒng)提升系統(tǒng)性能, 一般可以達(dá)到0.05~0.15的液化率和0.05~0.25的效率. 對于氖、氫和氦的液化, 簡單的節(jié)流過程無法實(shí)現(xiàn), 這就需要采用低溫膨脹機(jī)絕熱膨脹來輔助.

圖9 克勞特液化系統(tǒng). (a) 流程圖; (b) 循環(huán)溫熵圖

節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)的是等焓膨脹, 與理想的等熵膨脹相比不可逆損失大, 膨脹機(jī)等熵膨脹比節(jié)流等焓膨脹可獲得更低的溫度. 如圖9所示為采用了等熵膨脹的克勞特系統(tǒng), 被壓縮后的氣體分為兩股流體, 進(jìn)入膨脹機(jī)的流體產(chǎn)生冷量并輸出機(jī)械功, 進(jìn)入J-T節(jié)流閥的流體進(jìn)入氣液分離器. 在克勞特系統(tǒng)中仍然需要J-T節(jié)流閥產(chǎn)生低壓氣液混合物, 其原因是實(shí)際膨脹機(jī)是不能帶液膨脹的, 但即使只有一部分氣體進(jìn)行了等熵膨脹, 系統(tǒng)整體效率還是可以得到提升. 這些系統(tǒng)可以達(dá)到0.20~0.38的液化率和0.4~0.9的系統(tǒng)效率.

1.3.2 低溫制冷

低溫制冷機(jī)是輸出低溫冷量的系統(tǒng), 在先進(jìn)電子系統(tǒng)、超導(dǎo)磁體和馬達(dá)以及低溫生物學(xué)等應(yīng)用中是必備的系統(tǒng). 低溫制冷系統(tǒng)與氣體液化系統(tǒng)在熱力循環(huán)過程上具有相似性, 二者的區(qū)別在于: 低溫制冷機(jī)產(chǎn)生的是液體蒸發(fā)而帶來的冷量, 屬于閉式系統(tǒng); 氣體液化系統(tǒng)產(chǎn)生的是液體本身, 屬于半開式系統(tǒng). 低溫制冷機(jī)的技術(shù)種類繁多, 根據(jù)技術(shù)的驅(qū)動和冷量輸出特征可以分為以下幾類.

第一類系統(tǒng)依靠氣體壓縮機(jī)驅(qū)動, 并通過蒸發(fā)過程制冷. 這部分低溫制冷機(jī)主要分為兩類: (1) 焦耳-湯姆遜制冷機(jī). 它們都依賴于焦耳-湯姆遜效應(yīng)來產(chǎn)生低溫. 簡單林德-漢普森制冷機(jī)就屬于焦耳-湯姆遜制冷機(jī). 它的熱力循環(huán)過程與林德-漢普遜系統(tǒng)相同, 都包含了等溫壓縮、等壓降溫和等焓膨脹過程, 區(qū)別在于林德-漢普遜制冷機(jī)并不從制冷機(jī)中抽走液體, 而是從低溫源中吸熱以蒸發(fā)液體. (2) 使用膨脹機(jī)的低溫制冷機(jī), 包括克勞德制冷機(jī)等. 克勞德制冷機(jī)與克勞德液化系統(tǒng)的熱力循環(huán)相同, 但同樣不從制冷機(jī)中抽走液體,而只利用制冷劑蒸發(fā)過程輸出冷量.

第二類系統(tǒng)依靠氣體壓縮機(jī)驅(qū)動, 并通過氣體等溫膨脹過程制冷, 主要包括斯特林制冷機(jī)和維爾米勒制冷機(jī). (1) 斯特林制冷機(jī)包括氣體的等溫壓縮、等容降溫、等溫膨脹和等容升溫過程, 其中等溫壓縮過程需要外界機(jī)械功輸入和環(huán)境冷卻, 等溫膨脹過程輸出冷量, 而等容降溫和等容升溫之間需要進(jìn)行回?zé)崆覍ο到y(tǒng)性能十分重要, 其熱力學(xué)過程如圖10(a)所示.(2) 維爾米勒制冷機(jī)屬于熱驅(qū)動壓縮與斯特林制冷的耦合, 其中熱驅(qū)動壓縮子循環(huán)采用氣體為工質(zhì), 在高溫?zé)嵩磁c中溫?zé)嵩粗g工作并輸出機(jī)械功, 該機(jī)械功用于驅(qū)動斯特林制冷子循環(huán)的壓縮過程.

圖10 低溫制冷機(jī)溫熵圖. (a) 斯特林制冷機(jī); (b) 索爾凡制冷機(jī)

第三類系統(tǒng)依靠氣體壓縮機(jī)驅(qū)動, 并通過氣體等壓升溫過程制冷, 主要包括索爾凡制冷機(jī)和吉福特－麥克馬洪(Gifford-McMahon, GM)制冷機(jī). 這兩種制冷機(jī)的理想過程包括氣體的等溫壓縮、等壓降溫、等熵膨脹和等壓升溫, 其中等溫壓縮過程需要外界機(jī)械功輸入和環(huán)境冷卻, 等壓升溫的低溫段用于冷量輸出, 等壓升溫的高溫段用于冷卻等壓降溫過程, 其熱力學(xué)過程如圖10(b)所示. 在索爾凡制冷機(jī)中, 等熵膨脹過程對外做功; 在GM制冷機(jī)中, 膨脹過程中沒有對外功輸出, 而是用于內(nèi)部氣體的移動, 在回?zé)崞髦袩o壓降的理想情況下氣體轉(zhuǎn)移過程的凈功為零. 盡管索爾凡制冷機(jī)比GM制冷機(jī)的效率高, 但GM制冷機(jī)的位移器處泄漏少且驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單, 并可以通過多級化實(shí)現(xiàn)高效的低溫制冷.

第四類系統(tǒng)是脈沖管制冷, 它省去了諸如斯特林和GM等常規(guī)氣體制冷機(jī)中的冷腔膨脹活塞, 采用一根低熱導(dǎo)管子來代替, 從而在管子內(nèi)產(chǎn)生很大的溫度梯度, 以實(shí)現(xiàn)制冷效果. 脈沖管制冷機(jī)從根本上解決了冷腔振動、密封、磨損和難以加工等問題, 具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、冷頭振動小、壽命長和成本低等優(yōu)勢.除了基本型脈沖管制冷機(jī), 還有小孔型脈沖管制冷機(jī)、多路旁通脈沖管制冷機(jī)、雙活塞脈沖管制冷機(jī)、四閥式脈沖管制冷機(jī)和多級脈管制冷機(jī)等多種形式.通常脈沖管制冷機(jī)采用的工質(zhì)為氦氣, 但為了獲得更低的溫度, 也可采用氦-3作為工質(zhì)并獲得1.78 K的低溫.

除了以上介紹的幾種系統(tǒng)外, 常見的低溫制冷機(jī)還包括熱聲制冷機(jī)和吸附式低溫制冷機(jī), 這兩種制冷機(jī)屬于熱驅(qū)動低溫制冷. 熱聲制冷機(jī)依靠熱聲驅(qū)動器驅(qū)動諧振管內(nèi)氣體產(chǎn)生絕熱壓縮和膨脹, 并產(chǎn)生制冷作用, 可以和脈沖管進(jìn)行結(jié)合. 吸附式低溫制冷機(jī)則利用吸附床產(chǎn)生壓縮和真空作用, 并配合J-T節(jié)流閥產(chǎn)生制冷作用, 可采用氫氣、氧氣、氬氣、甲烷和氮?dú)獾茸鳛橹评鋭? 其中基于金屬吸氫材料-氫氣的化學(xué)吸附制冷方式可以獲得液氫低溫, 甚至通過升華作用可獲得低達(dá)7 K的溫度.

以上討論的這些低溫制冷機(jī)采用液體或氣體作為工質(zhì), 而當(dāng)溫度低于0.6 K時大部分材料為固體, 只能用液氦-4或液氦-3減壓蒸發(fā)達(dá)到低于0.6 K的低溫. 在溫度為0.6 K時, 液氦-4和液氦-3的蒸氣壓分別為37.5 mPa和72.6 Pa, 而維持這種低壓亦十分困難, 導(dǎo)致這類系統(tǒng)實(shí)際所能得的溫度下限為0.4 K. 為了解決超低溫范圍內(nèi)的冷量輸出, 可采用磁制冷和稀釋制冷機(jī): 低溫磁制冷與前述固體制冷原理一樣, 通過磁場影響順磁物質(zhì)的熵變, 從而代替流體的膨脹得到低溫, 并獲得mK級的低溫; 稀釋制冷機(jī)則通過超流氦-4稀釋氦-3的辦法制冷, 并可以獲得0.005 K的低溫.

2 空調(diào)制冷技術(shù)的應(yīng)用

空調(diào)制冷技術(shù)可以調(diào)控溫度和濕度兩個非常重要的環(huán)境參數(shù), 因此具有廣泛的應(yīng)用, 如空氣調(diào)節(jié)、清潔供熱、冷凍冷藏、能源利用、余熱回收、生物醫(yī)學(xué)和科學(xué)裝置等.

2.1 制冷除濕技術(shù)應(yīng)用

2.1.1 空氣調(diào)節(jié)

空氣調(diào)節(jié)是空調(diào)制冷技術(shù)最常見的應(yīng)用, 主要涉及溫濕度的調(diào)控, 一般特指降溫除濕過程, 可用于民用和商用場合, 目的是滿足人體對熱舒適性的需求, 近年來其應(yīng)用也拓展到了對檔案室和圖書館等場所的應(yīng)用.空調(diào)技術(shù)的發(fā)展顯著提升了人們的生存條件. 研究表明, 美國在20世紀(jì)將平均溫度超過27°C的天氣對死亡率的影響下降了約75%, 該下降趨勢在1960年后尤為明顯, 而家用空調(diào)的普及從本質(zhì)上解釋了這種現(xiàn)象.隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展, 空調(diào)成本在不斷降低, 普及率也在不斷上升. 統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示, 我國每百戶空調(diào)擁有量已達(dá)到115.6臺, 導(dǎo)致用電量巨大; 按照國際能源署IEA統(tǒng)計, 空調(diào)用電量占全球總用電量的10%, 這也表明空調(diào)已經(jīng)成為人們生活中必不可少的部分.

由于空氣調(diào)節(jié)涉及普冷范圍的降溫和濕度控制,因此主要技術(shù)包括壓縮式制冷、吸收式制冷和吸附式制冷等制冷技術(shù)和冷凝除濕、溶液除濕、固體吸附除濕和蒸發(fā)冷卻等熱濕環(huán)境控制技術(shù). 由于電網(wǎng)電力的普及, 壓縮式制冷配合冷凝除濕是最常用的技術(shù), 包括窗機(jī)空調(diào)、分體式空調(diào)和中央空調(diào)等多種形式, 此外汽車空調(diào)絕大部分也是采用的壓縮式制冷技術(shù). 2.1.2 數(shù)據(jù)中心冷卻

數(shù)據(jù)中心是電子信息產(chǎn)業(yè)的重要場所, 隨著5G通信、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等應(yīng)用的快速發(fā)展, 數(shù)據(jù)中心的數(shù)量和體量也飛速發(fā)展, 導(dǎo)致其耗能嚴(yán)重. 數(shù)據(jù)中心能耗根據(jù)用途分為IT設(shè)備能耗和輔助系統(tǒng)能耗兩大類: IT設(shè)備主要包括服務(wù)器、交換機(jī)等; 輔助系統(tǒng)有空調(diào)、配電系統(tǒng)等. 目前, 空調(diào)系統(tǒng)仍然是數(shù)據(jù)中心的主要能耗系統(tǒng), 占數(shù)據(jù)中心總功耗的40%左右.

數(shù)據(jù)中心主冷卻與室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)不同點(diǎn)在于:

(1)數(shù)據(jù)中心主冷卻對新風(fēng)需求少, 熱負(fù)荷較多, 而濕負(fù)荷較低;

(2) 數(shù)據(jù)中心冷卻需要在一年四季運(yùn)行;

(3) 數(shù)據(jù)中心的溫度較室外環(huán)境往往更高. 基于以上原因, 在采用壓縮式制冷等主動制冷技術(shù)達(dá)到降溫目的之外, 通過自然冷卻和傳熱強(qiáng)化等過程將熱量直接排放到室外環(huán)境中也是重要的技術(shù)手段.

此外, 包括CPU等部件運(yùn)行溫度可高達(dá)60°C以上, 這部分熱量可以用來驅(qū)動吸附式制冷機(jī)并產(chǎn)生冷量, 而冷量又可以用于機(jī)房降溫, 從而實(shí)現(xiàn)余熱的自產(chǎn)自銷.

2.1.3 太陽能制冷

可再生能源的利用對人類的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要.在眾多可再生能源中, 太陽能是目前使用最廣泛的, 將太陽能與制冷技術(shù)結(jié)合起來可以有效地緩解空調(diào)制冷對能源消耗嚴(yán)重的問題. 由于太陽能的利用分為光伏和光熱兩種主要技術(shù), 所以太陽能制冷也分為太陽能光伏制冷和太陽能光熱制冷.

在太陽能光伏制冷系統(tǒng)中, 太陽能光伏板為蒸氣壓縮式制冷機(jī)提供電源, 為解決太陽能的不穩(wěn)定性和間歇性可配備電池作為儲能裝置, 也可以采用來自電網(wǎng)的電作為替補(bǔ)驅(qū)動能源, 最后得到連續(xù)穩(wěn)定的制冷輸出. 由于太陽能光伏板供給直流電, 而蒸氣壓縮式制冷機(jī)需要交流電驅(qū)動, 因此一般還需要逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電. 近年來太陽能光伏直流直驅(qū)空調(diào)系統(tǒng)也已經(jīng)面世, 由于中間少了電力直流/交流的轉(zhuǎn)換,空調(diào)系統(tǒng)效率可以提升15%~20%.

在太陽能光熱制冷系統(tǒng)中, 太陽能集熱器為吸收式或吸附式制冷機(jī)提供熱源, 為解決太陽能的不穩(wěn)定性和間歇性可配備水箱等儲熱裝置, 也可以采用燃?xì)忮仩t作為替補(bǔ)驅(qū)動能源, 最后得到連續(xù)穩(wěn)定的輸出. 在太陽能光熱制冷中存在太陽能熱源溫度與吸收吸附式制冷機(jī)的溫度匹配問題, 例如平板式集熱器可提供100°C以下的熱水, 所以與單效溴化鋰-水吸收式制冷機(jī)或硅膠-水吸附式制冷機(jī)匹配; 槽式集熱器可以提供150°C以上的熱源, 可以與雙效溴化鋰水吸收式制冷機(jī)或氨水吸收式制冰機(jī)匹配.

2.1.4 電動車熱管理

受節(jié)能環(huán)保政策的大力推動, 電動車成為新能源產(chǎn)業(yè)的重要支柱, 并在我國得到快速發(fā)展. 由于電動車以電池作為儲能裝置, 其面臨了兩方面的問題: 首先電池只能在一個比較窄的溫度范圍內(nèi)高效工作, 所以其熱管理對有效供能十分重要; 其次電池的儲能密度比汽/柴油低, 且電池成本昂貴, 因此采用電池驅(qū)動的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計需要進(jìn)行優(yōu)化.

電動車的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)包括冷卻與加熱兩方面:

(1) 電池的傳熱較差, 導(dǎo)致電池溫度容易升高, 而高溫不但會帶來電池壽命的衰減, 還帶來了安全隱患, 必須通過電池冷卻防止電池溫度過高. 電池冷卻技術(shù)包括空氣冷卻、液體冷卻和熱管冷卻等, 其復(fù)雜度和效果依次遞增.

(2) 常用動力電池在–20°C時, 其可用放電容量僅能保持常溫的30%左右, 因此在低環(huán)境溫度下有必要提升電池溫度, 以保證其工作效率. 電池加熱技術(shù)包括循環(huán)高溫氣體加熱、循環(huán)高溫液體加熱和加熱板/膜類加熱法等.

電動車空調(diào)系統(tǒng)主要是為了提升駕駛舒適性, 但由于空調(diào)系統(tǒng)的能源同樣來自電池, 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行對電動車?yán)m(xù)航里程影響很大. 根據(jù)研究, 電動車夏季制冷消耗可導(dǎo)致續(xù)航里程下降18%~53.7%; 冬季暖風(fēng)消耗更可以導(dǎo)致續(xù)航里程下降60%以上, 其主要原因在于冬季暖風(fēng)以電阻加熱器提供, 效率比夏季空調(diào)工況低很多. 為了解決電動車冬季暖風(fēng)消耗過高的問題, 可以采用空氣源熱泵的形式提升效率, 但同樣存在低環(huán)境溫度下的高效運(yùn)行挑戰(zhàn), 空氣源電動熱泵化霜也是其面臨的另外一個難題.

2.1.5 食品藥品保存

冷凍冷藏技術(shù)對于糧食、食品和藥品的保存都非常重要. 冷凍冷藏缺失所造成的全球食品損失占全球食品供應(yīng)的20%; 市場上每2種藥品中就有1種是熱敏性藥品, 而很多熱敏性藥品需要在2~8°C之間保持. 此外, 疫苗有效性也非常依賴適宜溫度的保存. 保鮮技術(shù)除了可以提升食品的風(fēng)味, 還可有效抑制細(xì)菌和有毒病原體的生長, 預(yù)防食源性疾病. 在我國, 每年易腐食品的總調(diào)運(yùn)量達(dá)3億多噸, 綜合冷鏈流通率僅為19%,果蔬、肉類和水產(chǎn)品的流通腐損率分別達(dá)到20%~ 30%、12%和15%, 造成了巨大的損失. 可以看出, 冷凍冷藏對于食品行業(yè)是不可或缺的.

冷鏈裝備是冷鏈物流體系的核心, 是冷鏈物流的基礎(chǔ)設(shè)施, 在易腐食品加工、保鮮、儲運(yùn)、銷售、信息可追溯、食品安全等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用, 直接影響到環(huán)境、能源、食品價格、食品品質(zhì), 是冷鏈物流綠色可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵. 近年來, 隨著我國對食品安全和食品品質(zhì)的重視, 冷鏈裝備技術(shù)亦成為研究熱點(diǎn), 新技術(shù)和新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn). 冷凍冷藏所涉及的溫度范圍比空調(diào)更寬, 除了高于零度的冷藏, 更多的涉及低于零度的冷凍. 對于大多數(shù)凍結(jié)食品來講, –18°C是最經(jīng)濟(jì)的凍藏溫度. 表2給出了冷鏈各環(huán)節(jié)涉及制冷技術(shù)的冷鏈裝備和相關(guān)技術(shù), 除了采用有機(jī)制冷劑、氨和二氧化碳的壓縮式制冷機(jī)提供冷量外, 冷凍冷藏更多涉及的是冷量與食品之間的相互作用.

2.2 熱泵技術(shù)應(yīng)用

2.2.1 高效清潔供熱

采暖、生活熱水和工業(yè)流程等過程均需要供熱技術(shù)支撐. 統(tǒng)計年鑒顯示, 我國僅集中供熱在2018年就消耗了3.8億吉焦的熱量, 而沒有集中供熱的北方地區(qū)和長江中下游地區(qū)則只能利用分散式的鍋爐或普通熱泵空調(diào)供熱, 存在排放嚴(yán)重或熱舒適性差的問題. 清潔供熱是指采用清潔能源滿足熱需求的技術(shù), 是針對傳統(tǒng)供熱采用煤炭燃燒導(dǎo)致污染和排放嚴(yán)重所提出的,也受到“煤改電”“煤改氣”等政策的大力推動, 是近年來在節(jié)能減排政策推動下的新興發(fā)展領(lǐng)域. 相比電加熱取暖, 熱泵供熱可以利用一部分環(huán)境熱源的熱量, 所以效率要比電加熱更高, 運(yùn)行成本也更低.

表 2 冷鏈環(huán)節(jié)中的冷鏈裝備

熱泵技術(shù)以蒸氣壓縮式熱泵為主, 吸收式熱泵為輔. 根據(jù)低溫?zé)嵩磥碓? 熱泵可以分為水源熱泵、地源熱源和空氣源熱泵, 這幾種熱泵分別從河水/海水、土壤和空氣提取熱量并通過熱泵提升溫度用于供熱. 相比于水源熱泵和地源熱泵, 空氣源熱泵不需要抽取地下水或配置地埋管等, 安裝和使用都比較方便, 因此在我國北方煤改電供熱中獲得了快速推廣. 壓縮式空氣源熱泵除了應(yīng)用于熱水器, 還可以與供暖末端結(jié)合為室內(nèi)供熱. 由于空氣源熱泵市場很大, 相關(guān)技術(shù)研發(fā)也得到了快速發(fā)展, 多級熱泵、中間補(bǔ)氣增焓和小溫差換熱末端等技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生, 目前空氣源熱泵效率已經(jīng)達(dá)到較高的水平, 并可以在我國最寒冷的地區(qū)使用. 吸收式空氣源熱泵一般采用燃?xì)馊紵蛑袦靥柲軣嵩打?qū)動, 由于冬季向空氣吸熱的過程往往發(fā)生在零度以下, 因此吸收式空氣源熱泵采用氨水工質(zhì)對.

空氣源熱泵不僅在民用供熱展現(xiàn)出了強(qiáng)勁的優(yōu)勢,而且在物料/藥品干燥或大棚冬季控溫等方面也獲得了應(yīng)用, 但是工業(yè)應(yīng)用還比較少, 其主要原因在于當(dāng)前的熱泵技術(shù)在高溫輸出和大溫升工況下效率及穩(wěn)定性還有所欠缺.

2.2.2 工業(yè)余熱回收

統(tǒng)計年鑒顯示, 我國能源加工轉(zhuǎn)換中的余能占全國總能耗的26.3%, 而余能的絕大部分是熱能. 如果回收余能中的50%并加以利用, 則可以將社會總能耗降低至40.3億噸標(biāo)煤. 常見的余熱回收方式主要包括余熱直接利用、余熱發(fā)電、余熱制冷和熱泵余熱利用.

在工業(yè)余熱中, 低于150°C的低品位余熱體量巨大,在鋼鐵、水泥和玻璃等行業(yè)甚至占到總體余熱的約50%. 例如, 工業(yè)流程需要通過冷卻塔排放低于50°C低品位余熱, 不僅造成能源浪費(fèi), 還需要消耗額外水資源和電力維持冷卻塔運(yùn)行, 回收這部分余熱的意義十分重大. 余熱發(fā)電和余熱制冷技術(shù)在針對超低品位余熱利用時效率低且應(yīng)用場合有限, 因此熱泵技術(shù)成為回收低品位工業(yè)余熱的最佳選項(xiàng).

采用熱泵回收工業(yè)余熱的技術(shù)主要包括蒸氣壓縮式熱泵和吸收式熱泵, 吸收式熱泵又分為增量型的一類吸收式熱泵和升溫型的二類吸收式熱泵. 蒸氣壓縮式熱泵和一類吸收式熱泵輸出溫度大多在100°C以下,二類吸收式熱泵的輸出溫度則可以達(dá)到150°C以上, 其熱輸出可廣泛應(yīng)用于供熱、干燥、精餾和蒸汽發(fā)生等過程. 如圖11所示, 由于熱泵的熱輸出溫度越高, 在工業(yè)流程中的可用性越強(qiáng), 因此輸出溫度高的熱泵技術(shù)在工業(yè)余熱回收中具有廣泛前景. 近年來, 研究者也針對高溫?zé)岜谜归_了諸多研發(fā), 出現(xiàn)了包括水蒸氣壓縮式熱泵等新型高溫?zé)岜眉夹g(shù), 并可以達(dá)到150°C的高溫輸出, 為熱泵在工業(yè)余熱回收的進(jìn)一步拓展奠定了基礎(chǔ).

圖 11 (網(wǎng)絡(luò)版彩色)余熱和工業(yè)用熱需求體量隨溫度變化的簡化示意圖

2.3 低溫技術(shù)應(yīng)用

2.3.1 液化氣體

液化氣體的應(yīng)用是非常廣泛的, 工業(yè)流程所需要的液氮或純氧通常需要通過氣體液化分離技術(shù)提供.除此之外, 液化天然氣和液氫等重要能源供應(yīng)也依賴氣體液化技術(shù).

天然氣是當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)下的重要能源形式. 根據(jù)最新統(tǒng)計年鑒, 我國的能源消費(fèi)中天然氣的比例從2008年的3.2%增長到2018年的7.8%, 按照能量消費(fèi)總量更是在這10年間從1.1億噸標(biāo)煤增長到3.6億噸標(biāo)煤,是僅次于煤炭和石油的重要能源形式. 由于天然氣在常溫常壓下是氣體狀態(tài), 與煤炭和石油相比, 天然氣的運(yùn)輸更具挑戰(zhàn), 而天然氣的體積在液化后可縮小到原來的1/600左右, 大大方便了它的儲存和運(yùn)輸. 常規(guī)液化天然氣主要依靠單一工質(zhì)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)、混合工質(zhì)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)、氣體膨脹制冷循環(huán)等幾種基本循環(huán)以不同方式復(fù)疊而成的高效液化流程生產(chǎn)出來. 近年來, 包括頁巖氣等非常規(guī)天然氣的大量發(fā)現(xiàn)也推動了貧氣液化、煤層氣液化、含氫甲烷液化、天然氣帶壓液化和小型撬裝液化裝置等非常規(guī)天然氣液化技術(shù)的發(fā)展.

氫氣作為可從多種途徑獲取的理想能源載體, 具有來源廣泛、污染少且能量密度高的優(yōu)勢, 是化石能源向可再生能源過渡的重要橋梁. 氫能利用需要解決制取、儲運(yùn)和應(yīng)用等一系列問題, 而氫氣密度低導(dǎo)致的儲運(yùn)效率低是影響氫能應(yīng)用的重要因素. 用液氫作為儲運(yùn)方式, 不僅便于貯存和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸, 還能得到高純氫氣, 可滿足半導(dǎo)體、醫(yī)藥、食品等加工生產(chǎn)的需要. 根據(jù)液化規(guī)模的大小, 相應(yīng)的氫氣液化技術(shù)也會發(fā)生變化, 液化率低于100 L/h的一般采用J-T節(jié)流, 液化率在100~3000 L/h的一般采用氦膨脹制冷, 而液化率高于3000 L/h的一般采用氫膨脹制冷.

2.3.2 低溫生物醫(yī)學(xué)

低溫制冷技術(shù)與生命科學(xué)的結(jié)合形成低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù), 這類技術(shù)既可以用于保護(hù)或保存生物活體, 也可以對生物活體進(jìn)行破壞或者治療. 低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)與低溫保存、冷凍干燥、低溫醫(yī)療、基因等領(lǐng)域密切相關(guān), 主要涉及生物樣本低溫保存和低溫醫(yī)療裝備.

進(jìn)行低溫保存的生物樣本種類主要包括血液制品保存(4°C, –20°C)、干細(xì)胞保存(4°C, –80°C)、人類生殖細(xì)胞保存(–196°C)、種質(zhì)資源保存(–80°C, –196°C)、組織工程材料保存(–196°C)以及臨床醫(yī)學(xué)樣本保存(–80°C)等, 不但涉及普冷范圍的冷凍冷藏, 更多涉及的是低溫保存.

低溫醫(yī)療作為生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的一門新興的交叉學(xué)科, 是近年來涌現(xiàn)出的一種相當(dāng)有效的物理療法, 其原理在于: 通過低溫治療疾病, 改善機(jī)體功能,促進(jìn)人體健康. 冷凍手術(shù)是一種操作方便、價格低廉且只需簡單設(shè)備的技術(shù), 它在治療皮膚癌方面的成功率高達(dá)99%, 在治療女性低風(fēng)險乳腺癌方面的成功率高達(dá)99.4%. 核磁共振成像在醫(yī)學(xué)診斷中有著廣泛應(yīng)用, 有助于醫(yī)生對人體內(nèi)部深層結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致觀察, 而超導(dǎo)是核磁共振成像掃描儀維持強(qiáng)穩(wěn)定磁場的核心,超導(dǎo)體的正常維護(hù)運(yùn)行必須獲得低溫的保障.

2.3.3 大科學(xué)裝置

維持低溫是很多大科學(xué)儀器的必備條件, 在深空探測、量子芯片、可控核聚變、同步輻射光源、自由電子激光和大型強(qiáng)子對撞機(jī)等裝備上都有所應(yīng)用. 例如在深空探測中, 宇宙背景溫度極低, 要對該低溫背景下的天體進(jìn)行精準(zhǔn)觀測就必須提高探測靈敏度和穩(wěn)定性, 而維持空間望遠(yuǎn)鏡和相關(guān)設(shè)備的低溫狀態(tài)是其基礎(chǔ); 在量子芯片中, 同樣需要將芯片冷卻到mK級別的溫度才能維持正常運(yùn)行; 在可控核聚變和大型強(qiáng)子對裝機(jī)中, 超導(dǎo)是維持系統(tǒng)運(yùn)行的條件, 而液氦溫區(qū)低溫又是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的基礎(chǔ). 現(xiàn)在已經(jīng)建成的基于低溫技術(shù)的大科學(xué)工程有處于瑞士/法國的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(Large Hadron Collider, LHC)、美國的托克馬克聚變試驗(yàn)堆(Tokamak Fusion Test Reactor, TFTR)和散裂中子源(Spallation Neutron Source, SNS)、北京的正負(fù)電子對撞機(jī)(Beijing Electron Positron Collider, BEPC-II), 此外還包括上海光源二期、國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆和歐洲散裂中子源等很多在建裝置, 這些裝置也將為人類探索基礎(chǔ)科學(xué)提供更多的實(shí)驗(yàn)證據(jù).

3 空調(diào)制冷技術(shù)的挑戰(zhàn)

空調(diào)制冷已經(jīng)具有大而全的技術(shù)體系, 并已經(jīng)成為眾多行業(yè)及新興產(chǎn)業(yè)的支撐技術(shù). 目前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)從體量增加轉(zhuǎn)變向質(zhì)量提升, 對可持續(xù)發(fā)展和高新技術(shù)的需求越來越多, 在這種情況下, 空調(diào)制冷技術(shù)也面臨著新的壓力和挑戰(zhàn). 受到節(jié)能環(huán)保需求影響,制冷空調(diào)技術(shù)仍然面臨著較大的技術(shù)革新壓力. 根據(jù)國際制冷學(xué)會的估算, 與制冷行業(yè)相關(guān)的碳排放約為4.14 Gt二氧化碳當(dāng)量, 占全球溫室氣體排放的7.8%,這些對于全球變暖的影響37%來自含氟制冷劑(CFCs、HCFCs和HFCs)的排放或泄漏, 其余63%來自制冷系統(tǒng)所需電力在發(fā)電過程產(chǎn)生的間接排放. 為此, 制冷空調(diào)行業(yè)需要進(jìn)一步提高制冷設(shè)備的能效, 進(jìn)一步降低制冷劑對環(huán)境的破壞效應(yīng). 總的來說, 空調(diào)制冷技術(shù)未來將在以下幾個方向得到長足的發(fā)展.

3.1 能效提升

能效提升的方式主要有部件性能提升和系統(tǒng)改進(jìn)兩個方面, 部件提升方面主要包括換熱器和壓縮機(jī)的提升, 而系統(tǒng)改進(jìn)則包括流程改進(jìn)、熱力循環(huán)創(chuàng)新以及運(yùn)行控制優(yōu)化等.

換熱器是空調(diào)制冷系統(tǒng)的重要組成部件, 它造成的換熱不可逆損失是導(dǎo)致空調(diào)效率下降的重要原因之一. 小管徑的翅片換熱器、點(diǎn)波波紋板板式換熱器、印刷板路換熱器等新型換熱器可以顯著提升換熱效率. 壓縮機(jī)是蒸氣壓縮式系統(tǒng)的核心部件, 它通過電機(jī)帶動蒸氣壓縮過程, 因此其性能提升也包括提升電機(jī)效率和提升蒸氣壓縮效率兩方面.

流程改進(jìn)主要包括通過增強(qiáng)循環(huán)內(nèi)部回?zé)峤档脱h(huán)內(nèi)不可逆損失, 以及通過內(nèi)部流程與外部熱源之間的匹配降低外不可逆損失, 涉及溫度梯級利用和換熱過程匹配等方法. 熱力循環(huán)創(chuàng)新則更加強(qiáng)調(diào)對新熱力學(xué)過程的加入以改變原有循環(huán)架構(gòu), 難度大, 但效果往往也很好.

在熱力學(xué)循環(huán)形式確定的情況下, 提升換熱器性能、壓縮機(jī)性能和內(nèi)外熱回收是提升空調(diào)制冷系統(tǒng)效率的有效方式, 但也存在著顯著的邊界效應(yīng): 當(dāng)換熱器和壓縮機(jī)性能提升到一定程度后, 進(jìn)一步的提升難度加大, 系統(tǒng)成本上升, 但總體效率增加緩慢; 當(dāng)內(nèi)外回?zé)崽嵘揭欢ǔ潭群? 進(jìn)一步的回?zé)崽嵘龝@著增加系統(tǒng)復(fù)雜度, 造成系統(tǒng)控制復(fù)雜且成本上升, 但系統(tǒng)總體效率提升緩慢. 在這種情況下, 通過另起爐灶的方式打破原有熱力學(xué)循環(huán)方式是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率顯著提升的有效途徑.

運(yùn)行控制優(yōu)化是利用人工智能技術(shù)對空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化, 降低系統(tǒng)能耗, 這在空調(diào)系統(tǒng)中特別有效. 云平臺和大數(shù)據(jù)可以反饋給空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計, 從而獲得與實(shí)際運(yùn)行需求更加切合的空調(diào)產(chǎn)品. 仿生熱學(xué)和仿生材料學(xué)與空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合可以為下一代更高能效、更加舒適的空調(diào)系統(tǒng)提供新的思路和解決方案.

3.2 環(huán)保制冷

含氟制冷劑的泄露會帶來溫室效應(yīng)和臭氧層破壞效應(yīng). 為了降低這種環(huán)境破壞效應(yīng), 環(huán)保制冷主要可以從兩方面著手: 首先是使用低全球增溫潛勢(global warming potential, GWP)和低臭氧破壞潛勢(ozone de-pletion potential, ODP)的制冷劑, 其次是減少制冷劑的充注量和有效降低制冷劑的泄露.

替代制冷劑是空調(diào)制冷行業(yè)近年來的熱點(diǎn)話題,也是推動行業(yè)未來發(fā)展的重要政策因素. 傳統(tǒng)的制冷劑R22雖然性能理想, 但其GWP和ODP較高已經(jīng)被淘汰. 目前常用的空調(diào)制冷劑R134a和R410a也將在不久的未來被淘汰. 新型HFO類替代制冷劑R1234yf、 R1234ze(E)、R1234ze(Z)和R1233zd(E)等目前受到廣泛關(guān)注, 水、氨和二氧化碳等天然工質(zhì)也一直是熱點(diǎn)話題, 但這些制冷劑仍然面臨著壓力過高或過低、安全性和傳熱傳質(zhì)性能差等挑戰(zhàn).

除了使用低GWP和低ODP的制冷劑外, 減少制冷劑泄漏量也是可行的技術(shù)路線, 因此采用微通道換熱器降低空調(diào)制冷系統(tǒng)的充注量是很有潛力的方向. 此外, 由于新型HFO制冷劑具有可燃風(fēng)險, 降低充注量也會使其可燃性變得可控. 由于微通道換熱器的流動傳熱強(qiáng)化機(jī)理與常規(guī)換熱器有所不同, 同時涉及微細(xì)加工工藝, 其設(shè)計生產(chǎn)成本偏高, 需要高校和企業(yè)在未來共同努力推動其廣泛使用.

3.3 應(yīng)用拓展

空調(diào)制冷技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用包括室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)、冷凍冷藏、液化氣體和低溫制冷機(jī)等方面, 然而上文所介紹的應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)超出了該范圍, 數(shù)據(jù)中心冷卻、太陽能制冷、電動車熱管理、高效清潔供熱、工業(yè)余熱回收、低溫生物醫(yī)學(xué)和大科學(xué)裝置等諸多應(yīng)用都是與新興產(chǎn)業(yè)息息相關(guān)的. 其原因在于, 空調(diào)制冷技術(shù)已經(jīng)慢慢變?yōu)橐环N基礎(chǔ)應(yīng)用類技術(shù), 它為不同行業(yè)的發(fā)展提供支撐, 同時也配合國家發(fā)展需求而不斷改進(jìn).

傳統(tǒng)的空調(diào)制冷技術(shù)已經(jīng)較為成熟, 但在應(yīng)用于新興領(lǐng)域時仍然需要進(jìn)一步提升. 例如, 輸出溫度高和溫度提升能力強(qiáng)的熱泵技術(shù)必然會對進(jìn)一步拓展余熱回收起到重要作用, 但傳統(tǒng)制冷空調(diào)技術(shù)對于高溫?zé)岜玫募夹g(shù)積累仍然不夠多, 所以還需要高溫?zé)岜玫闹评鋭崃ρh(huán)、換熱技術(shù)和控制技術(shù)進(jìn)行深入研究.又如, 傳統(tǒng)的空調(diào)熱泵技術(shù)由于要滿足除濕要求, 蒸發(fā)溫度低, 系統(tǒng)效率低且熱舒適性差, 發(fā)展除濕與降溫耦合的新型熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)能效的倍增, 這些應(yīng)用拓展所驅(qū)動的研發(fā)不但可以助力新興領(lǐng)域的發(fā)展,也是空調(diào)制冷技術(shù)未來發(fā)展的必由之路.

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本文標(biāo)題：空調(diào)制冷技術(shù)解讀: 現(xiàn)狀及展望

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