摘要 

空調(diào)制冷已經(jīng)成為人們健康、運輸、食品保鮮等不可缺少的設施, 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, 其次介紹了空調(diào)除濕、熱泵和低溫技術的應用, 最后總結了空調(diào)制冷技術在未來發(fā)展中所面臨的能效提升、環(huán)保制冷和應用拓展等機遇與挑戰(zhàn). 空調(diào)制冷技術已經(jīng)成為一種基礎應用技術, 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)學和大科學裝置中, 體現(xiàn)出強學科交叉融合趨勢.

空調(diào)制冷是控制環(huán)境溫度和濕度的技術, 可以廣泛應用于不同領域, 并成為人們健康、運輸、食品保鮮不可缺少的設備. 由于空調(diào)制冷技術對人類生產(chǎn)生活水平的顯著提高, 它被評為20世紀最偉大的20項工程技術成就之一.

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所示為國際制冷學會統(tǒng)計發(fā)布的全球制冷、空調(diào)和熱泵運行設備數(shù)量, 總量達到50億套, 其中包括26億套空調(diào)設備和20億套冰箱冷柜, 這些設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)制冷技術所涉及的應用場景非常廣, 從與人們生活最密切相關的空調(diào)、食品、醫(yī)療健康和運動, 到商業(yè)工業(yè)應用中的大型空調(diào)、熱泵和低溫設備, 空調(diào)制冷的應用已經(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)制冷技術體系, 另一方面也是空調(diào)制冷技術本身不斷與國民經(jīng)濟戰(zhàn)略需求和新興產(chǎn)業(yè)相結合所取得的成效.

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致空調(diào)需求更加旺盛, 全球人口增長導致糧食需求增加和生鮮電商的快速發(fā)展, 進一步導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的不斷更新, 而以上所列舉的僅僅是驅動空調(diào)制冷技術發(fā)展的部分因素. 基于以上考慮, 空調(diào)制冷技術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動外, 還受到前沿科學研究成果的推動, 這令空調(diào)制冷技術的發(fā)展呈現(xiàn)多元化和復雜化. 在這種形勢下, 對制冷空調(diào)的技術手段和典型應用進行梳理, 并對制冷空調(diào)的未來發(fā)展進行展望是非常有必要的.

1 空調(diào)制冷技術體系

空調(diào)制冷應用廣泛導致其技術體系較為復雜, 相關的技術分類也很多: 在中文術語中有空調(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, 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《制冷及低溫工程學科發(fā)展報告》, 并綜合考慮了國際制冷學會技術報告所描述的技術應用場景, 將相關技術分為制冷熱泵技術、熱濕控制技術和低溫技術.

表1 空調(diào)制冷運行設備數(shù)量統(tǒng)計

1.1 制冷熱泵技術

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)境轉移的人工制冷技術和設備. 根據(jù)熱力學定律可知, 熱量不會自發(fā)地從低溫狀態(tài)向高溫狀態(tài)轉移, 因此人工制冷技術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)制冷和半導體制冷等, 而在這些技術中所涉及的能量轉換為機械功、電能或熱能向冷能的轉化.

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已經(jīng)或即將被淘汰.

圖1 (網(wǎng)絡版彩色)蒸氣壓縮式制冷. (a) 流程圖; (b) 壓焓圖; (c) 風冷壓縮式制冷機

如圖1 所示為蒸氣壓縮式制冷的原理和設備圖,它依靠液體制冷劑的蒸發(fā)帶走熱量. 為了實現(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, 該過程吸收低溫熱源熱量, 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, 該過程消耗機械功, 通常通過電能驅動壓縮機完成;

(3) 高溫高壓制冷劑蒸氣2冷凝為高壓制冷劑液體3, 該過程向高溫熱源釋放熱量, 高溫熱源通常為環(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). 由于驅動循環(huán)運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, 低溫熱源和高溫熱源的溫度決定了蒸氣在壓縮前后的壓力, 進而決定了壓縮過程的壓力比. 當壓力比適中時,采用上述單次壓縮即可, 稱為單級壓縮式制冷循環(huán); 當熱源溫差大導致壓力比過高時, 壓縮機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際應用. 采用空氣作為制冷介質(zhì)可以構建開式系統(tǒng), 空氣經(jīng)過等熵壓縮和等壓冷卻, 再進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, 飛機機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, 但驅動吸收式制冷循環(huán)的是熱能, 該驅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)對包括應用于空調(diào)工況的水-溴化鋰溶液和應用于冷凍工況的氨-水溶液.

圖2 (網(wǎng)絡版彩色)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

如圖2所示為水-溴化鋰吸收式制冷的工作原理和設備, 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熱源的熱量;

(4) 發(fā)生過程產(chǎn)生的高壓制冷劑蒸氣進入冷凝器、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/高溫熱量輸入)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, 也是一種熱驅動的制冷技術, 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行工作狀態(tài)的切換. 如圖3所示, 通過高溫熱源加熱吸附床造成制冷劑的解吸, 解吸出的蒸氣由冷凝器冷凝成液體, 經(jīng)過節(jié)流預冷進入蒸發(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/冷卻進行切換并切換系統(tǒng)閥門, 可以實現(xiàn)連續(xù)制冷輸出. 硅膠-水物理吸附、金屬氯化物-氨化學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. 由于化學吸附熱一般比物理吸附熱和吸收熱高, 近年來化學吸附還被廣泛應用于儲熱過程, 并服務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

1.1.4 噴射式制冷

蒸氣噴射式制冷也是一種熱驅動制冷, 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, 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)過泵加壓后進入發(fā)生器, 消耗高溫熱量輸入并變?yōu)楦邏褐评鋭┱魵? 高壓制冷劑蒸氣作為工作流體進入噴射器; 另一路經(jīng)過節(jié)流閥后進入蒸發(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)等進行多種形式的耦合, 提升系統(tǒng)的制冷能力.

圖4 (網(wǎng)絡版彩色)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,通過磁場、應力場和電場的變化驅動固態(tài)制冷工質(zhì)熵的改變, 并產(chǎn)生熱量轉移的效果. 如圖5所示為一種主動回熱式固態(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)制冷回熱器(active calo-ric regenerator, ACR)中, 在施加外場(應力場、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, 需要更多的基礎研究與技術推進.

圖5 (網(wǎng)絡版彩色)基于磁熱、彈熱和電卡效應的固態(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, 還有部分技術可以不通過熱力循環(huán)的方式產(chǎn)生制冷效應, 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的逆效應——佩爾捷效應達到制冷的技術, 由于半導體的佩爾捷效應較強,因此熱電制冷也稱為半導體制冷, 其制冷效率與制冷溫差和半導體材料的熱電優(yōu)值(thermoelectric figure of merit, ZT值)有關. 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. 目前半導體制冷器效率較低, 但具有體積小和無運動部件等優(yōu)點, 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, 未來熱電制冷的應用值得關注.

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, 上述能量輸運可導致物體表面獲得降溫的能力,且不需要任何外界能量驅動, 稱為輻射致冷. 目前實現(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, 需要同時實現(xiàn)對可見光的高反射率和紅外輻射的高發(fā)射率. 結合新型超材料的發(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

在常見制冷技術中, 通過消耗一定的外在能量輸入, 可以從低溫熱源吸收熱量, 并對高溫熱源釋放熱量, 其中高溫熱源為環(huán)境, 因此可實現(xiàn)制冷效果. 在同樣的技術體系下, 如果將低溫熱源替換為環(huán)境或其他熱能輸入, 并利用對高溫熱源的熱輸出, 這種提升熱能溫度的技術就稱為熱泵. 對于市場上普遍應用的熱泵空調(diào)器, 夏季室內(nèi)機起到蒸發(fā)器作用實現(xiàn)制冷輸出, 而冬季室內(nèi)機起到冷凝器作用實現(xiàn)制熱輸出. 熱泵空調(diào)機組通過四通換向閥實現(xiàn)室內(nèi)換熱器和室外換熱器的功能切換, 從而實現(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熱能實現(xiàn)對低溫熱能的溫度品位提升, 低溫熱能可以來自環(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)均為典型的熱泵應用產(chǎn)品.

1.2 熱濕控制技術

常見的空氣調(diào)節(jié)技術主要通過調(diào)控溫度和濕度實現(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實現(xiàn), 而濕度處理方式主要包括各類除濕技術(冷凝除濕、溶液吸收除濕、固體吸附除濕)或加濕技術(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勢能的反映, 因此上述技術的能量轉換形式可以進行如下理解: 冷凝除濕是通過降低溫度而降低濕度, 對應“冷能→濕空氣化學勢能” 的轉化; 蒸發(fā)冷卻是通過增加濕度而降低溫度, 對應 “濕空氣化學勢能→冷能”的轉化; 而溶液吸收除濕和固體吸附除濕則對應“吸收/吸附材料化學勢能→濕空氣化學勢能”的轉化.

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, 通過制冷技術降低空氣溫度時會導致相對濕度升高, 需要進行除濕. 當空氣溫度降低時, 相對濕度會逐步升高并在露點溫度下達到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提供冷量, 并通過表面冷卻器降低空氣溫度從而達到除濕目的. 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) 由于空氣的露點溫度較低, 而為了達到除濕效果制冷蒸發(fā)溫度必須低于露點溫度, 因此夏季空調(diào)制冷蒸發(fā)溫度需要設定在7~12°C才能達到有效除濕, 該溫度比房間空氣實際需要的制冷溫度低15~20°C, 從而降低了制冷機的效率; (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行再熱. 以上幾個因素會導致制冷機在處理濕負荷時能耗高, 因此采用熱回收裝置或溫濕度獨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, 從而達到除濕的目的, 可廣泛用于溫濕度獨立處理、新風處理、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致除濕能力下降, 需要通過加熱再生降低其含水量并恢復除濕能力. 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)境作為熱沉實現(xiàn), 同時也使得溶液工質(zhì)再生需要高溫熱源, 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移, 因此傳熱傳質(zhì)強化非常重要. 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行改進.

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現(xiàn)間斷除濕, 而采用兩個吸附床切換可以實現(xiàn)連續(xù)除濕. 為了實現(xiàn)連續(xù)的除濕和再生過程, 可采用如圖7所示的轉輪式固體吸附除濕裝置, 轉輪中固體吸附材料由電機帶動進行轉動,在頂部除濕后吸附材料含水量增加, 之后吸附材料轉動至底部通過熱空氣加熱進行再生, 底部吸附材料含水量降低從而恢復其除濕能力, 恢復除濕能力的吸附材料再轉動到頂部從而進行連續(xù)除濕.

圖7 (網(wǎng)絡版彩色)轉輪式固體吸附除濕裝置

固體干燥劑的獨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)強化更具挑戰(zhàn), 而在多孔導熱材料中添加吸濕鹽的復合吸附劑是實現(xiàn)傳熱傳質(zhì)的協(xié)同強化的重要途徑; (2) 在露點溫度低于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)結冰進而妨礙進一步冷卻, 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-有機骨架材料等孔徑可設計的多孔材料發(fā)展迅速, 實現(xiàn)S型等溫吸附線、低蒸氣壓吸附和超高吸附量變得可能, 固體除濕技術也將迎來新的發(fā)展機遇.

1.2.4 蒸發(fā)冷卻

蒸發(fā)冷卻技術通過水的自然蒸發(fā)吸收熱量, 并帶來冷卻效果, 可以分為直接蒸發(fā)冷卻技術和間接蒸發(fā)冷卻. 直接蒸發(fā)冷卻技術利用空氣和水的直接接觸進行冷卻, 冷卻溫度可以接近濕球溫度, 形式簡單, 易于實現(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, 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: 通過換熱器將外側直接蒸發(fā)冷卻的冷量用于內(nèi)側空氣的等濕降溫.

1.3 低溫技術

當所需冷量溫度較低時, 壓縮式制冷和吸收式制冷等常規(guī)制冷技術無法滿足實現(xiàn)低溫的需求, 需要低溫技術進行應對. 制冷(refrigeration)和低溫(cryogenics)往往用123 K作為分界線進行劃分, 即高于該溫度的范圍是制冷, 而低于該溫度的屬于低溫. 低溫技術根據(jù)應用主要分為氣體液化分離與低溫制冷機技術, 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氣體液化, 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行提純, 也可以通過氣體的液化和精餾實現(xiàn). 由于很多氣體的液化溫度低于或遠低于環(huán)境溫度, 氣體液化和分離需要達到較低溫度才能實現(xiàn). 在常見的液化氣體中, 空氣(氧氣、氮氣)、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現(xiàn), 在實際過程中, 這種理想過程雖然無法實現(xiàn),但可以根據(jù)理想循環(huán)進行實際循環(huán)的構建. 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, 并通過氣體壓縮機和焦耳-湯普遜(Joule-Thompson, J-T)節(jié)流閥實現(xiàn). 該循環(huán)是1895年德國林德和英國漢普遜分別獨立提出的一次節(jié)流循環(huán),是繼復疊式氣體液化循環(huán)后第二個用于工業(yè)上液化氣體的循環(huán), 并可以通過預冷、雙壓系統(tǒng)和復疊式系統(tǒng)提升系統(tǒng)性能, 一般可以達到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)流過程無法實現(xiàn), 這就需要采用低溫膨脹機絕熱膨脹來輔助.

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, 進入膨脹機的流體產(chǎn)生冷量并輸出機械功, 進入J-T節(jié)流閥的流體進入氣液分離器. 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, 其原因是實際膨脹機是不能帶液膨脹的, 但即使只有一部分氣體進行了等熵膨脹, 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

低溫制冷機是輸出低溫冷量的系統(tǒng), 在先進電子系統(tǒng)、超導磁體和馬達以及低溫生物學等應用中是必備的系統(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). 低溫制冷機的技術種類繁多, 根據(jù)技術的驅動和冷量輸出特征可以分為以下幾類.

第一類系統(tǒng)依靠氣體壓縮機驅動, 并通過蒸發(fā)過程制冷. 這部分低溫制冷機主要分為兩類: (1) 焦耳-湯姆遜制冷機. 它們都依賴于焦耳-湯姆遜效應來產(chǎn)生低溫. 簡單林德-漢普森制冷機就屬于焦耳-湯姆遜制冷機. 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-漢普遜制冷機并不從制冷機中抽走液體, 而是從低溫源中吸熱以蒸發(fā)液體. (2) 使用膨脹機的低溫制冷機, 包括克勞德制冷機等. 克勞德制冷機與克勞德液化系統(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)依靠氣體壓縮機驅動, 并通過氣體等溫膨脹過程制冷, 主要包括斯特林制冷機和維爾米勒制冷機. (1) 斯特林制冷機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行回熱且對系統(tǒng)性能十分重要, 其熱力學過程如圖10(a)所示.(2) 維爾米勒制冷機屬于熱驅動壓縮與斯特林制冷的耦合, 其中熱驅動壓縮子循環(huán)采用氣體為工質(zhì), 在高溫熱源與中溫熱源之間工作并輸出機械功, 該機械功用于驅動斯特林制冷子循環(huán)的壓縮過程.

圖10 低溫制冷機溫熵圖. (a) 斯特林制冷機; (b) 索爾凡制冷機

第三類系統(tǒng)依靠氣體壓縮機驅動, 并通過氣體等壓升溫過程制冷, 主要包括索爾凡制冷機和吉福特－麥克馬洪(Gifford-McMahon, GM)制冷機. 這兩種制冷機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, 其熱力學過程如圖10(b)所示. 在索爾凡制冷機中, 等熵膨脹過程對外做功; 在GM制冷機中, 膨脹過程中沒有對外功輸出, 而是用于內(nèi)部氣體的移動, 在回熱器中無壓降的理想情況下氣體轉移過程的凈功為零. 盡管索爾凡制冷機比GM制冷機的效率高, 但GM制冷機的位移器處泄漏少且驅動結構簡單, 并可以通過多級化實現(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)氣體制冷機中的冷腔膨脹活塞, 采用一根低熱導管子來代替, 從而在管子內(nèi)產(chǎn)生很大的溫度梯度, 以實現(xiàn)制冷效果. 脈沖管制冷機從根本上解決了冷腔振動、密封、磨損和難以加工等問題, 具有結構簡單、運轉可靠、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, 還有小孔型脈沖管制冷機、多路旁通脈沖管制冷機、雙活塞脈沖管制冷機、四閥式脈沖管制冷機和多級脈管制冷機等多種形式.通常脈沖管制冷機采用的工質(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, 常見的低溫制冷機還包括熱聲制冷機和吸附式低溫制冷機, 這兩種制冷機屬于熱驅動低溫制冷. 熱聲制冷機依靠熱聲驅動器驅動諧振管內(nèi)氣體產(chǎn)生絕熱壓縮和膨脹, 并產(chǎn)生制冷作用, 可以和脈沖管進行結合. 吸附式低溫制冷機則利用吸附床產(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、甲烷和氮氣等作為制冷劑, 其中基于金屬吸氫材料-氫氣的化學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7 K的溫度.

以上討論的這些低溫制冷機采用液體或氣體作為工質(zhì), 而當溫度低于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, 導致這類系統(tǒng)實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: 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)制冷技術的應用

空調(diào)制冷技術可以調(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)學和科學裝置等.

2.1 制冷除濕技術應用

2.1.1 空氣調(diào)節(jié)

空氣調(diào)節(jié)是空調(diào)制冷技術最常見的應用, 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, 近年來其應用也拓展到了對檔案室和圖書館等場所的應用.空調(diào)技術的發(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.隨著相關技術的發(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)擁有量已達到115.6臺, 導致用電量巨大; 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,因此主要技術包括壓縮式制冷、吸收式制冷和吸附式制冷等制冷技術和冷凝除濕、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. 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, 包括窗機空調(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. 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, 導致其耗能嚴重. 數(shù)據(jù)中心能耗根據(jù)用途分為IT設備能耗和輔助系統(tǒng)能耗兩大類: IT設備主要包括服務器、交換機等; 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)不同點在于:

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

(2) 數(shù)據(jù)中心冷卻需要在一年四季運行;

(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達到降溫目的之外, 通過自然冷卻和傳熱強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手段.

此外, 包括CPU等部件運行溫度可高達60°C以上, 這部分熱量可以用來驅動吸附式制冷機并產(chǎn)生冷量, 而冷量又可以用于機房降溫, 從而實現(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結合起來可以有效地緩解空調(diào)制冷對能源消耗嚴重的問題. 由于太陽能的利用分為光伏和光熱兩種主要技術, 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)的電作為替補驅動能源, 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需要交流電驅動, 因此一般還需要逆變器將直流電轉換為交流電. 近年來太陽能光伏直流直驅空調(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, 也可以采用燃氣鍋爐作為替補驅動能源, 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-水吸收式制冷機或硅膠-水吸附式制冷機匹配; 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或氨水吸收式制冰機匹配.

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, 因此采用電池驅動的空調(diào)系統(tǒng)設計需要進行優(yōu)化.

電動車的電池熱管理技術包括冷卻與加熱兩方面:

(1) 電池的傳熱較差, 導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. 電池冷卻技術包括空氣冷卻、液體冷卻和熱管冷卻等, 其復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)運行對電動車續(xù)航里程影響很大. 根據(jù)研究, 電動車夏季制冷消耗可導致續(xù)航里程下降18%~53.7%; 冬季暖風消耗更可以導致續(xù)航里程下降60%以上, 其主要原因在于冬季暖風以電阻加熱器提供, 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. 保鮮技術除了可以提升食品的風味, 還可有效抑制細菌和有毒病原體的生長, 預防食源性疾病. 在我國, 每年易腐食品的總調(diào)運量達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, 是冷鏈物流的基礎設施, 在易腐食品加工、保鮮、儲運、銷售、信息可追溯、食品安全等領域發(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, 冷鏈裝備技術亦成為研究熱點, 新技術和新產(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)凍結食品來講, –18°C是最經(jīng)濟的凍藏溫度. 表2給出了冷鏈各環(huán)節(jié)涉及制冷技術的冷鏈裝備和相關技術, 除了采用有機制冷劑、氨和二氧化碳的壓縮式制冷機提供冷量外, 冷凍冷藏更多涉及的是冷量與食品之間的相互作用.

2.2 熱泵技術應用

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, 是針對傳統(tǒng)供熱采用煤炭燃燒導致污染和排放嚴重所提出的,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, 運行成本也更低.

表 2 冷鏈環(huán)節(jié)中的冷鏈裝備

熱泵技術以蒸氣壓縮式熱泵為主, 吸收式熱泵為輔. 根據(jù)低溫熱源來源, 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用于熱水器, 還可以與供暖末端結合為室內(nèi)供熱. 由于空氣源熱泵市場很大, 相關技術研發(fā)也得到了快速發(fā)展, 多級熱泵、中間補氣增焓和小溫差換熱末端等技術應運而生, 目前空氣源熱泵效率已經(jīng)達到較高的水平, 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氣燃燒或中溫太陽能熱源驅動, 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用, 但是工業(yè)應用還比較少, 其主要原因在于當前的熱泵技術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, 還需要消耗額外水資源和電力維持冷卻塔運行, 回收這部分余熱的意義十分重大. 余熱發(fā)電和余熱制冷技術在針對超低品位余熱利用時效率低且應用場合有限, 因此熱泵技術成為回收低品位工業(yè)余熱的最佳選項.

采用熱泵回收工業(yè)余熱的技術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到150°C以上, 其熱輸出可廣泛應用于供熱、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, 因此輸出溫度高的熱泵技術在工業(yè)余熱回收中具有廣泛前景. 近年來, 研究者也針對高溫熱泵展開了諸多研發(fā), 出現(xiàn)了包括水蒸氣壓縮式熱泵等新型高溫熱泵技術, 并可以達到150°C的高溫輸出, 為熱泵在工業(yè)余熱回收的進一步拓展奠定了基礎.

圖 11 (網(wǎng)絡版彩色)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 低溫技術應用

2.3.1 液化氣體

液化氣體的應用是非常廣泛的, 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提供.除此之外, 液化天然氣和液氫等重要能源供應也依賴氣體液化技術.

天然氣是當前能源結構下的重要能源形式. 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%, 按照能量消費總量更是在這10年間從1.1億噸標煤增長到3.6億噸標煤,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、儲運和應用等一系列問題, 而氫氣密度低導致的儲運效率低是影響氫能應用的重要因素. 用液氫作為儲運方式, 不僅便于貯存和遠距離運輸, 還能得到高純氫氣, 可滿足半導體、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, 相應的氫氣液化技術也會發(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

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

進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)、干細胞保存(4°C, –80°C)、人類生殖細胞保存(–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)學工程學領域內(nèi)的一門新興的交叉學科, 是近年來涌現(xiàn)出的一種相當有效的物理療法, 其原理在于: 通過低溫治療疾病, 改善機體功能,促進人體健康. 冷凍手術是一種操作方便、價格低廉且只需簡單設備的技術, 它在治療皮膚癌方面的成功率高達99%, 在治療女性低風險乳腺癌方面的成功率高達99.4%. 核磁共振成像在醫(yī)學診斷中有著廣泛應用, 有助于醫(yī)生對人體內(nèi)部深層結構進行細致觀察, 而超導是核磁共振成像掃描儀維持強穩(wěn)定磁場的核心,超導體的正常維護運行必須獲得低溫的保障.

2.3.3 大科學裝置

維持低溫是很多大科學儀器的必備條件, 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子對撞機等裝備上都有所應用. 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行精準觀測就必須提高探測靈敏度和穩(wěn)定性, 而維持空間望遠鏡和相關設備的低溫狀態(tài)是其基礎; 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行; 在可控核聚變和大型強子對裝機中, 超導是維持系統(tǒng)運行的條件, 而液氦溫區(qū)低溫又是實現(xiàn)超導的基礎. 現(xiàn)在已經(jīng)建成的基于低溫技術的大科學工程有處于瑞士/法國的大型強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)、美國的托克馬克聚變試驗堆(Tokamak Fusion Test Reactor, TFTR)和散裂中子源(Spallation Neutron Source, SNS)、北京的正負電子對撞機(Beijing Electron Positron Collider, BEPC-II), 此外還包括上海光源二期、國際熱核聚變實驗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科學提供更多的實驗證據(jù).

3 空調(diào)制冷技術的挑戰(zhàn)

空調(diào)制冷已經(jīng)具有大而全的技術體系, 并已經(jīng)成為眾多行業(yè)及新興產(chǎn)業(yè)的支撐技術. 目前我國經(jīng)濟發(fā)展已經(jīng)從體量增加轉變向質(zhì)量提升, 對可持續(xù)發(fā)展和高新技術的需求越來越多, 在這種情況下, 空調(diào)制冷技術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)技術仍然面臨著較大的技術革新壓力. 根據(jù)國際制冷學會的估算, 與制冷行業(yè)相關的碳排放約為4.14 Gt二氧化碳當量, 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)需要進一步提高制冷設備的能效, 進一步降低制冷劑對環(huán)境的破壞效應. 總的來說, 空調(diào)制冷技術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)改進兩個方面, 部件提升方面主要包括換熱器和壓縮機的提升, 而系統(tǒng)改進則包括流程改進、熱力循環(huán)創(chuàng)新以及運行控制優(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. 壓縮機是蒸氣壓縮式系統(tǒng)的核心部件, 它通過電機帶動蒸氣壓縮過程, 因此其性能提升也包括提升電機效率和提升蒸氣壓縮效率兩方面.

流程改進主要包括通過增強循環(huán)內(nèi)部回熱降低循環(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)新則更加強調(diào)對新熱力學過程的加入以改變原有循環(huán)架構, 難度大, 但效果往往也很好.

在熱力學循環(huán)形式確定的情況下, 提升換熱器性能、壓縮機性能和內(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: 當換熱器和壓縮機性能提升到一定程度后, 進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; 當內(nèi)外回熱提升到一定程度后, 進一步的回熱提升會顯著增加系統(tǒng)復雜度, 造成系統(tǒng)控制復雜且成本上升, 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循環(huán)方式是實現(xiàn)系統(tǒng)效率顯著提升的有效途徑.

運行控制優(yōu)化是利用人工智能技術對空調(diào)制冷系統(tǒng)進行運行優(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)設計, 從而獲得與實際運行需求更加切合的空調(diào)產(chǎn)品. 仿生熱學和仿生材料學與空調(diào)系統(tǒng)相結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和臭氧層破壞效應. 為了降低這種環(huán)境破壞效應, 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)等目前受到廣泛關注, 水、氨和二氧化碳等天然工質(zhì)也一直是熱點話題, 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化機理與常規(guī)換熱器有所不同, 同時涉及微細加工工藝, 其設計生產(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 應用拓展

空調(diào)制冷技術的傳統(tǒng)應用包括室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)、冷凍冷藏、液化氣體和低溫制冷機等方面, 然而上文所介紹的應用已經(jīng)遠超出了該范圍, 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)學和大科學裝置等諸多應用都是與新興產(chǎn)業(yè)息息相關的. 其原因在于, 空調(diào)制冷技術已經(jīng)慢慢變?yōu)橐环N基礎應用類技術, 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.

傳統(tǒng)的空調(diào)制冷技術已經(jīng)較為成熟, 但在應用于新興領域時仍然需要進一步提升. 例如, 輸出溫度高和溫度提升能力強的熱泵技術必然會對進一步拓展余熱回收起到重要作用, 但傳統(tǒng)制冷空調(diào)技術對于高溫熱泵的技術積累仍然不夠多, 所以還需要高溫熱泵的制冷劑、熱力循環(huán)、換熱技術和控制技術進行深入研究.又如, 傳統(tǒng)的空調(diào)熱泵技術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)可以實現(xiàn)能效的倍增, 這些應用拓展所驅動的研發(fā)不但可以助力新興領域的發(fā)展,也是空調(diào)制冷技術未來發(fā)展的必由之路.

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本文標題：空調(diào)制冷技術解讀: 現(xiàn)狀及展望

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