基於部分高效節能製冷技術的發展探討

基於部分高效節能製冷技術的發展探討

21世紀已經進入經濟快速發展的時期，與此同時，製冷空調產品也隨之普及，在各種生產技術、科學研究領域、生活空間都存在著製冷技術的身影。可以這樣說，製冷技術的發展都是為了滿足人們的需要，為人類生活質量的改善起到十分重要的作用。但是不容忽略的是，空調製冷技術在推進社會經濟發展的同時，也給我們的生存環境造成嚴重的破壞。

1 空調製冷技術發展歷程及應用現狀

在史前時代，人類已經發現在食物缺少的季節里，如果把獵物保存在冰冷的地窖里或埋在雪裡，就能保存更長的時間。在中國，古代帝王為了能夠在夏季也能不受酷暑的折磨，早在3000年前的周朝，就有了冰窯,在當時稱為「凌陰」,將冬天的天然冰儲藏在內，供夏季使用,其管理者稱「凌人」，這也是最原始的儲冰技術。戰國時期，隨著技術的進步，出現了「冰鑒」，「冰鑒」可以說是我國最早的冰箱原型。但是在唐朝以前，古人只是利用天然冰，並不會製冰。然而，天然冰的儲存存在一定的困難，並不能滿足人們在夏季對冰的需求。唐朝末期，人們利用硝石溶解於水時吸熱的特性製冰，開創了人工製冰的先河，在一定程度上解決了人們對用冰的需求。到了13世紀,義大利馬可·波羅來中國,把我國製冷技術帶回義大利,使得製冰技術傳遍歐洲。

現代空調製冷技術起源於英國，技術成熟於美國，在1872年，波義耳發明氨壓縮機，此後才陸續出現冰箱等製冷設備。1930年代，各種氟利昂製冷劑出現，加快了製冷技術的發展。

在製冷技術二百多年的發展歷史中，國外先進國家的空調製冷技術已經發展較快。我國的空調行業以及空調製冷技術的發展大多引進國外技術發展而來，在當前我國改革開放強調低能耗、綠色環保的可持續發展指導下，我國空調行業的製冷技術發展主要集中在製冷劑的研發和新技術的應用方面。雖然在《蒙特利爾議定書》簽訂以後，在各方的努力之下，通過削減HCFCS和HFCS類製冷劑的使用，大力研發新型製冷劑如R410A、R32、R290。

2 製冷空調的發展趨勢及展望

當前，在「節能減排」的國家政策下，製冷空調行業工作中的重要課題就是節能高效的新技術的運用以及新型製冷劑的研發。筆者將近年有發展潛力的製冷新技術進行簡單介紹，並簡略分析其優缺點。

2.1 太陽能製冷技術

太陽能是公認的未來人類最合適、最安全、最綠色、最理想的替代能源之一，具有取用方便、能量巨大、無污染、安全性好等優點。利用太陽能驅動空調系統一方面可以極大地減少不可再生能源及電力資源消耗，另一方面因較低的耗電減少了因燃燒煤等常規燃料發電帶來的環境污染問題，是當前空調製冷技術領域研究的熱點。其工作原理主要是依靠光伏效應和珀耳帖效應，實現太陽能製冷有「光-熱-冷」、「光-電-冷」、熱-電-冷」等途徑。太陽能驅動製冷根據能量轉換方式的不同可以分為以下兩種方式——光熱轉換製冷和光電轉換製冷。

2.1.1 光-熱轉換

此方式是進行光-熱轉換，再以熱能製冷。主要研究為太陽能吸收式製冷、太陽能吸附式製冷和太陽能噴射式製冷，上述3種製冷方式在我國已經取得了一系列研究成果。表1是幾類太陽能熱驅動空調技術特徵和參數的比較。

在上述的太陽能空調中，目前以溴化鋰-水吸收式空調示範應用最多，但在國內並不常見，歐洲市場應用較普遍。

2.1.2 光-電轉換

此方式是先實現光-電轉換，再以電力製冷。目前，常用的光伏發電驅動方式分為兩種：光伏直供模式與間接驅動模式。其原理圖如圖1（a）、圖1（b）所示。

光伏直接驅動主要由光伏方陣、DC/DC穩壓設備、直流負載組成，主要通過光伏方陣的光電效應產生電流，經由穩壓器後直接輸出給直流負載，相對於間接驅動模式，直接驅動模式由於中間過程較少，能量損失較少。

光伏間接驅動模式由光伏方陣、充放電控制器、蓄電池組、逆變器組成，原理與直接驅動相同，不同之處在於增加了蓄電池組來貯存太陽能電池方陣受光照時發出的電能，並隨時向負載供電。對於交流負載，則需要相應的增加逆變器，將蓄電池的直流電轉換為交流電。該模式光伏發電需要經過2～3次的能量轉換，能量損失約為6%～8%。

近些年隨著光伏產業的興起，光伏發電成本的下降促使光伏應用市場不斷擴大，太陽能光伏製冷技術也隨之發展起來，對於光電製冷的研究也越來越多。光伏製冷就是將光伏發電和製冷技術結合在一起而產生的，主要是在普通的製冷設備上進行開發，對空調的製冷負荷和太陽電池的發電功率的一致性加以利用，即在日照越強烈越需要製冷的時候，製冷系統所提供的的冷量越大。

2.1.3 太陽能製冷技術的研究進展及問題

對於光-熱轉換模式，由於吸附式製冷採用低品位熱能驅動，並採用了環保型製冷劑，在近些年發展速度較快，有著相當的應用前景，德國Solarnext公司，日本Nishyodo和Mayekawa公司曾報道過其太陽能吸附式空調產品。但是化學吸附存在性能衰減、熱效率較低、吸附劑的傳熱強化往往會帶來製冷劑的傳質弱化等問題一直是其發展的瓶頸。目前吸附式製冷已經形成產業，相比於國外，國內發展比較緩慢，而在歐盟，由於政策支持，吸附式製冷產業已經迅速培育起來，成為太陽能空調以及冷熱電聯供的重要載體。

在光伏製冷方面，在國內，北京航空航天大學楊宇飛提出了光伏直接驅動的蒸汽壓縮式製冷系統，由於除濕能力較弱，僅建立了模擬模型，未見實際運用驗證。

美的在2010年開發的「Q-HAP 太陽能空調技術」以及同年格力推出的太陽能變頻空調就是利用了該項技術。格力電器在2014年推出的光伏直驅變頻多聯機,將太陽能與永磁同步變頻離心機有機集合起來，研發出光伏直驅變頻離心機，該離心機可以直接利用太陽能供電，提高了太陽能利用率，從而優化建築能源配置、降低建築能耗、減少二氧化碳排放量的目的。

在國外，日本三菱化學公司、ICL股份有限公司和弗呂霍夫有限公司合作開發了名為一的卡車用光伏空調, 使用三菱化學公司生產的薄膜太陽電池, 在汽車運行時為蓄電池充電, 汽車停止時驅動空調。據估算, 一輛10 t卡車一年可削減約柴油消耗量約1 500 L。

雖然太陽能製冷技術有著諸多優點，但是仍然面臨眾多問題。

1）由於太陽能的來源主要受控於自然條件，一旦天氣狀況較差，很難保證充足的用冷量，這就註定了該技術的發展具有相當的局限性。與其他技術結合使用是個方向，如，蓄冰技術或者備份常規製冷空調系統。但又會增加初投資，而太陽能製冷空調的初投資本身就比常規空調的投資高10~16倍，使得投資回收期更加漫長。

2）該技術系統佔地面積較大，難以適用於高層建築，必須對太陽能採集設備與建築進行優化設計。

3）太陽能光伏電池作為一種高耗能產品，在製作過程中也會產生相應的污染，並且存在報廢電池的回收問題。據統計，生產一塊1 m×1.5 m的太陽能板必須燃燒超過40 kg煤，但即使中國最沒有效率的火力發電廠也能夠用這些煤生產130 kW·h的電（一般一塊1 m×1.6 m的太陽能板一年發電量在250 kW·h；以上），這足夠讓2.2 W的發光二極體(LED)燈泡按照每天工作12 h計算髮光30年。

4）低成本的蓄能材料開發：低溫（0～15 ℃）及中溫（60～120 ℃）蓄能材料，目前全球各國都在進行開發。

5）克服太陽能能流不穩定，密度低的缺點，積極發展太陽能聚光技術，開發太陽能冷熱電聯產系統是未來的研發重點。

6）提高太陽能轉化效率。提高太陽能集熱器的集熱效率，改善集熱器的結構。雖然將太陽能空調中的太陽能集熱器與太陽能熱水器相通用是提高轉化效率的一個途徑，但是隨著近年我國北方開始實行「煤改電」，北方地區逐步普及的空氣源熱泵終會取代太陽能熱水器，因而該途徑並不是一個一勞永逸的辦法。

7）無論是太陽能電池還是太陽能集熱器，由於表面積灰、塗層和光電元件老化等原因，都會出現性能衰減的問題，另外吸收式制冷機也存在性能衰減問題。因此，降低性能衰減也是今後太陽能空調的一個研究方向。

2.2 熱聲製冷技術

熱聲製冷技術是21世紀全新的製冷技術,在最近的20年, 世界許多的物理學家和機械工程師們都致力於研究這種基於熱聲理論的新型熱機和制冷機, 無論是在理論方面還是工程應用方面都取得了突破性的進展, 許多研究已經進入到了實用的商業化階段。與傳統的蒸汽壓縮式製冷相比，熱聲技術利用聲波進行「天然泵熱」，其結構優美而又簡練，幾乎可以解決傳統製冷技術的所有缺陷。其突出特點就是無明顯運動部件、使用環保工質、可以利用低品位熱源。

2.2.1 熱聲製冷技術原理

聲波製冷的工作原理都基於熱聲效應，熱聲效應機理可簡單描述為在聲波稠密時加入熱量，在聲波稀疏時排出熱量，則聲波得到加強；反之聲波稠密時排出熱量，在聲波稀疏時吸人熱量，則聲波削弱。隨著研究的深入，熱聲製冷的設計水平及製造工藝也在不斷的提高。

熱聲制冷機主要功能器件包括聲源、冷熱端換熱器、熱聲板疊和諧振管。熱聲效應主要發生在板疊區間，板疊間的氣體工質在聲源的驅動下在平衡位置來回振動時被壓縮或者膨脹，並與固體板疊發生熱交換，將熱量由低溫端泵向高溫端。圖2是其微觀原理圖。過程1：外界對微團做功，使之向右運動並絕熱壓縮，溫度升高體積減小。過程2：微團與固體壁面等溫換熱，溫度不變體積變小。過程3：微團對外界做功，向左運動並絕熱膨脹，溫度降低體積增大。過程4：微團與固體壁面等溫換熱，溫度不變體積增大。

2.2.2 熱聲製冷技術的研究進展及問題

從效率上來說，熱聲機械的效率已經可以和傳統內燃機和制冷機相媲美；從製冷量上考慮，已經有公司利用熱聲技術，燃燒35%的天然氣液化剩下的65%,該套裝置可以在-140 ℃的溫度下提供2 kW的製冷量；從製冷溫度來說，熱聲製冷幾乎覆蓋從常溫到低溫的所有溫區。如今，熱聲技術主要是與脈管製冷技術或者斯特林制冷機結合起來，應用於紅外線成像等領域。

熱聲技術可以說是一個極具潛力的製冷方式，既能滿足人們日常生活對製冷量的需求，又能滿足21世紀節能減排的需要。

然而，熱聲技術也有一些不容忽視的缺點。從理論上分析：1）熱聲理論目前只在線性熱聲方面有較為準確的方程描述，而在非線性方面只有初步的嘗試，沒有完全的定量分析。因此，理論上的未完全發展制約了工業上的應用。2）在線性熱聲理論方面，swift在推導熱聲方程時，採用了小振幅、短板疊等假設，先天性的制約了熱聲機械的能流密度，也就是採用線性熱聲理論設計出來的熱聲機械能量密度註定不會很高。為了滿足高能量場合的工業需求，只能設計較大的體積，因此將本身熱聲機械的輕便型和低成本的特徵拋棄了，與傳統機械的競爭力大大降低。從工業加工實用方面來講，以熱聲製冷為例子，首先是驅動器的問題：如果採用活塞驅動的時候，就會拋棄熱聲製冷的核心競爭力（無明顯運動部件），同時也會引起熱聲效應中的非線性現象，如果採用揚聲器的時候，不管是線圈驅動的，還是壓電材料驅動的，還是磁致伸縮換能器，都會存在能量密度不足的問題。

雖然熱身機械從結構上看起來特別簡單，但是裡面的原理極其複雜，尤其是涉及到其驅動源和產品——聲波的時候。因為聲波作為一個物理量，它抗干擾能力太差，結構上一點點的區別和設計不合理，就會對其造成很大的影響，在利用方面會出現巨大損失等。

因此，熱聲作為一個及具潛力的技術，面臨的主要問題是理論上的突破和創新，而現在很多研究都是在工程上，即設計技術方面的優化。雖然這樣會在短期內產生前人未有的突破，比如製冷量，COP等的提升，沒有從根本上解決問題。

2.3 輻射製冷技術

2.3.1 輻射製冷技術原理

輻射製冷是指熱物體通過大氣的紅外透明窗口，利用黑體輻射的方式，將熱量輻射到外空間的冷阱中，從而達到製冷的一種方式。眾所周知，只要物體的溫度高於絕對零度，該物體會對外輻射。由於輻射物體表面狀況、分子結構和溫度等條件的不同，造成輻射波長也各不同。而地表上的物體溫度大多在20~50 ℃之間，此溫度段的物體所輻射的波長基本在8～13 μm，地表上物體的熱能就是通過輻射換熱，將自身熱量以13 μm電磁波的形式通過「大氣窗口"排放到溫度接近絕對零度的外部太空，達到自身冷卻的目的。

圖3為輻射製冷系統的簡圖，系統四周保溫材料的作用是防止周圍高溫空氣通過對流與熱傳導的方式向內部空間的物體進行傳熱。因此，必須在製冷空間周圍加保溫材料，特別是需在其頂部加「透明」蓋板以阻止空氣對流帶入的熱量。「透明」蓋板和保溫材料可給輻射體「保冷」，但「透明」蓋板必須在8~13 μm波段有很高的透過率，並且在8~13 μm波段外的輻射有著很高的反射率。太陽輻射光譜主要集中在0.4~4 μm波段，因而該蓋板可以阻擋大部分太陽輻射，而系統內的輻射主要集中8~13 μm波段，這樣，系統內的熱量可以透過蓋板輻射到外太空，以達到冷卻的效果。常用的蓋板材料為PE薄膜。「透明」蓋板、保溫層與輻射體組成一個基本的輻射製冷系統，在內部產生低溫。

雖然輻射製冷的原理早在20世紀五六十年代已被人熟知，但將其應用於空調的研究工作，卻只有大約50年左右的歷史，而在國內僅有20年左右。但是輻射製冷作為一種無能耗的建築物空調手段，符合我國「節能減排」的政策，且在近些年得到了蓬勃的發展，表現出了很強的實際意義。曾有人預言，輻射製冷能夠給能源領域帶來翻天覆地的變化，使人類的保護環境的同時，也能夠更好更高效的利用能源，達到二者的和諧發展。

2.3.2 輻射製冷技術研究現狀

儘管輻射散熱的原理相對來說比較簡單，自然界中存在的輻射散熱現象比比皆是，如深秋清晨樹葉上面的霜，沙漠的晝夜溫差大以及撒哈拉銀蟻的散熱等，都是利用了輻射散熱的原理。早在七十年代，就有人嘗試利用外太空來散熱，但是直到現在還仍然存在諸多問題，早些年輻射製冷技術主要應用在衛星和紅外探測器上，近些年才將研究方向轉向民用建築、汽車等行業。2014年，斯坦福大學Shanhui Fan教授課題組在《Nature》上發表文章，將納米光學和熱輻射控制結合，提出了通過在納米尺度設計多層材料，達到在太陽光波段內高反射，在8~13 μm強發射的效果，有效實現了太陽直射時被動的「不插電」製冷，這也宣告了在白天陽光直射條件下，輻射製冷成為可能,解決了輻射製冷技術上的一個難題。但該材料製備工藝複雜，成本較高，不利於大規模應用。2017年，在Shanhui Fan的基礎之上，美國科羅拉多大學Xiaobo Yin等人將諧振的極性電介質微球隨機地鑲嵌在聚合物基質中，製備出對太陽能光譜完全透明的超材料，並且其在大氣窗口具有大於0.93的紅外發射率。當在超材料背襯面塗上一層銀金屬，該超材料在直射陽光下具有最高可達93W/m2的輻射冷卻功率。更重要的是，他們發現這種超材料可以實現大量商業化捲軸式生產，是發展輻射製冷的一種可行性能源技術和材料。該項技術解決了輻射製冷材料工藝複雜，生產成本較高的問題。但是對於該薄膜的使用壽命，維護運行、是否需要膜面保持一定的清潔度以及可能造成的光污染等方面都未提及。

由於輻射製冷的研究起步較晚，其技術應用案例大多應用在衛星和紅外探測器等領域；在沙漠、戈壁及旱季的草原等一些乾旱地區及缺乏淡水的島嶼，淡水非常稀缺，輻射製冷塗料的出現，能夠幫助人們大規模的收集露水，緩解缺水問題。中國科學技術大學的裴剛等人發明了一種太陽能集熱和輻射製冷綜合應用裝置使得該裝置能白天製取熱水和熱空氣，又能夜間製取冷空氣，有效解決了傳統的平板太陽能集熱器和輻射製冷裝置功能單一的局限性，提高了裝置和建築物屋頂單位面積的利用效率。

2.3.3 輻射製冷技術原理面臨的問題

總的來說，現階段限制商業化發展的關鍵在於：1）對新材料的開發，要達到商業化用途，必須有高性能、低成本的超材料作為基礎，並且該超材料不能對人或環境產生危害，在以往的研究中雖然選擇的輻射體材料具有較好的製冷效果，但某些高紅外發射率材料由於有刺激性氣味或者有毒，使得具有更佳製冷效果的材料不能被應用於商用。2）輻射製冷技術僅能實現製冷，不能實現冬季制熱，用戶在冬季取暖需要另外的輔助設備，給用戶經濟上帶來負擔。並且，現階段的技術能夠實現的溫降也不能夠滿足普通用戶的用冷需求，更不用說應用於冷庫等場所。3）輻射面受空氣清潔度影響很大，過低的空氣清潔度會導致輻射製冷效果的明顯下降。

2.4 磁製冷技術

2.4.1 磁製冷原理

磁製冷的原理主要是利用了就磁熱效應，又稱磁卡效應 (Magnetocaloric effect) 的製冷。所謂磁熱效應，是指磁性材料在變化的磁場下有序發生改變而產生的熱現象。當磁性材料被磁化時，溫度上升，向外界放出熱量，去磁時，溫度降低，從外界吸收熱量的現象。當使用某個循環將磁化放熱和去磁吸熱這兩個過程連接起來，通過控制外加磁場，達到對磁性材料吸放熱的控制，這樣就可以使得磁性材料不斷地從一端吸熱而在另一端放熱，進而達到製冷的目的。當前，普遍選用的磁製冷工質主要是順磁工質和鐵磁工質。本文將分別從順磁工質與鐵磁工質出發，介紹磁製冷的原理。

對於順磁工質，當不存在外加磁場時，由於順磁工質內部的熱運動或者熱振動，造成其內部的磁矩取向是隨機的，因而對應的磁熵較大。在等溫條件下，當給予外加磁場時，磁矩方向沿磁化方向趨於有序化，該過程導致工質磁熵下降，有序度增加，磁工質向外界排熱；在等溫條件下，當減弱外加磁場強度時，由於順磁工質內部的熱運動或者熱振動，磁矩又趨於無序，磁熵增加，磁工質從外界吸熱，從而達到製冷的目的，如圖4所示。

對於鐵磁性材料來說，在鐵磁材料的溫度處於居里溫度TC以下時，鐵磁性材料內部存在自發磁化，當鐵磁材料的溫度位於在居里溫度TC以上，材料由鐵磁性轉變為順磁性，此後的過程與順磁工質的製冷原理一致，在此不重複。原理圖如圖5所示。

關於磁製冷實現的過程可通過圖6進行簡單的描述：1）外磁化場作用在磁工質上，工質的磁熵減小，溫度上升。2）通過熱交換介質把磁工質的熱量帶走。3）移出外磁化場，磁工質內自旋系統又變得無序，在退磁過程中消耗內能，使磁工質溫度下降。4）通過熱交換介質磁工質從低溫熱源吸熱，從而實現製冷的目的。

2.4.2 磁製冷研究現狀及其問題

從1881 年, Warburg在金屬鐵中發現這種現象開始，對於磁製冷的研究便一直未曾中斷過。近年來，在磁製冷循環、樣機與數值模擬等方面, 室溫磁製冷技術已出現了不錯的進展,在理論方面，提出了諸如複合式磁製冷循環、耦合回熱式製冷的主動磁製冷循環等概念，隨著對運行機理理解的深入, 在樣機方面，室溫磁製冷樣機的形式也在不斷演化, 例如旋轉回熱器/磁體系統等，在數值模擬上面，已逐步構建出不同維度的模擬模型,在磁製冷材料上，目前各國學者對室溫磁製冷材料進行了大量研究，主要集中在Gd金屬及其化合物、Mn基化合物和Heusler合金等方面。

磁製冷技術是利用材料磁熱效應的新型固態製冷技術, 具有低振動、低雜訊的特性, 其換熱流體採用去離子水等環保介質。近年來, 室溫磁製冷技術出現了顯著進展, 也加快了實用化的步伐。已有學者將室溫磁製冷技術與地源熱泵技術進行了初步結合, 也有相關企業發布了擬商業化的製冷裝置原型機。

回顧近年來的發展,在室溫磁製冷系統這一塊，仍然面臨溫跨加大時制冷機效率偏低、料與磁路仍需改進以及磁製冷系統成本高等問題。在材料方面，磁製冷材料的磁熱效應不夠大。

但是，室溫磁製冷技術是一項應用前景很好的新技術，現階段具有較高的技術成熟度，預計在未來可以替代目前的商用、家用、工業以及其它特殊用途的製冷裝置。在近室溫區間具有廣闊的應用市場，隨著民用空調逐步向中央空調發展，預計在中央空調和汽車空調等領域，磁製冷技術會首先得到使用。

3 結束語

現如今，人類不得不面對環境資源問題。太陽能製冷技術、輻射製冷技術、熱聲製冷技術、磁製冷技術作為現階段製冷技術節能的發展方向，其中熱聲技術和磁製冷技術成熟度較高，有望率先實現大規模實用化。有利於減輕人類對環境的污染以及對常規能源的消耗。空調行業作為一個高耗能的產業，大力發展新型綠色節能環保技術是未來空調產業所必須考慮的。在節能環保的大背景之下，空調行業必須率先做出表率，為節能減排做出貢獻。