一、基本概述

低位熱能制冷工藝（low-grade thermal energy refrigeration technology）是一種以低品位熱能（如工業(yè)余熱、太陽(yáng)能、地?zé)岬龋?qū)動(dòng)的綠色制冷技術(shù)。該工藝通過(guò)吸收式制冷、吸附式制冷和噴射式制冷三種模式驅(qū)動(dòng)低品位熱能制冷，減少對(duì)電能的依賴，擴(kuò)展了用于制冷的能源類型，提高能源的利用效率，并且采用天然制冷劑，從源頭杜絕了環(huán)境破壞。

二、分類信息

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三、詳細(xì)解釋

低位熱能制冷工藝主要為吸收式制冷、吸附式制冷和噴射式制冷三種模式：

吸收式制冷：利用“制冷劑-吸收劑”工質(zhì)對(duì)（制冷劑與吸收劑的使用組合，如溴化鋰-水、氨-水工質(zhì)對(duì)）中吸收劑對(duì)制冷劑具有極強(qiáng)的溶解（吸收）能力，且這種溶解能力會(huì)隨溫度升高顯著下降的特性，通過(guò)熱能驅(qū)動(dòng)完成循環(huán)。低品位熱能加熱解吸器中的稀溶液，使制冷劑蒸發(fā)為高壓蒸汽；蒸汽在冷凝器中冷凝為液態(tài)，經(jīng)節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)吸熱產(chǎn)生冷量；蒸發(fā)器中產(chǎn)生的低壓制冷劑蒸汽導(dǎo)入吸收器被吸收劑吸收，形成稀溶液并泵送回解吸器中，完成循環(huán)。

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圖1 吸收式制冷示意圖。圖源：參考來(lái)源[6]

吸附式制冷：吸附式制冷是一種利用吸附劑對(duì)制冷劑的吸附與解吸特性，通過(guò)吸附、解吸兩個(gè)核心階段實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)的技術(shù)。該技術(shù)需采用特定的“吸附劑-制冷劑工質(zhì)對(duì)”（如硅膠-水、活性炭-甲醇工質(zhì)對(duì)），借助至少50℃的低品位熱（如太陽(yáng)能、工業(yè)廢熱等）驅(qū)動(dòng)吸附劑的再生，從而完成連續(xù)制冷過(guò)程。在吸附階段，吸附劑冷卻并發(fā)生吸附反應(yīng)，使得蒸發(fā)器中的制冷劑蒸發(fā)進(jìn)而產(chǎn)生制冷效果，此階段吸附熱和顯熱被冷卻介質(zhì)（通常為水或空氣）帶走；在解吸階段，吸附劑被加熱并解吸，導(dǎo)致制冷劑在冷凝器中冷凝并向環(huán)境釋放熱量，隨后利用低品位熱能對(duì)吸附床進(jìn)行再生，從而實(shí)現(xiàn)綠色可循環(huán)。

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圖2 吸附式制冷示意圖。圖源：參考來(lái)源[4]

噴射式制冷：以熱能產(chǎn)生的高壓蒸汽為動(dòng)力，通過(guò)噴射器實(shí)現(xiàn)制冷劑壓縮。低品位熱能加熱發(fā)生器產(chǎn)生高壓制冷劑蒸汽，蒸汽高速進(jìn)入噴射器形成真空，吸入蒸發(fā)器中的低壓蒸汽并混合壓縮；混合蒸汽冷凝為液體后，部分節(jié)流至蒸發(fā)器吸熱制冷，其余回流至發(fā)生器循環(huán)（常用水、氨作為制冷劑）。

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圖3 噴射式制冷示意圖。圖源：參考來(lái)源[5]

低位熱能制冷工藝采用水、甲醇、氨等零臭氧消耗潛能值和零全球變暖潛能值的天然制冷劑，搭配硅膠、活性炭、金屬氯化物等吸附劑，避免因使用氯氟烴、氫氯氟烴等傳統(tǒng)制冷劑對(duì)臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)制冷劑環(huán)境零負(fù)擔(dān)和零破壞。

低位熱能制冷工藝以其“天然制冷劑+低品位熱能”的技術(shù)特性，從源頭杜絕環(huán)境污染，通過(guò)能源梯級(jí)利用與效率提升實(shí)現(xiàn)深度節(jié)能減排，是綠色發(fā)展理念在制冷領(lǐng)域的典型實(shí)踐。

四、應(yīng)用領(lǐng)域/前景

低位熱能制冷工藝具有制冷劑無(wú)污染、廢棄熱源利用、能源梯級(jí)利用等特性，在綠色發(fā)展和節(jié)能減排領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。

在鋼鐵、化工等領(lǐng)域，低位熱能制冷工藝可回收冷卻循環(huán)水（50-80℃）中的熱能進(jìn)行制冷，實(shí)現(xiàn)廢棄熱源再利用，提高能源利用效率。

在廢熱回收制冷領(lǐng)域，低位熱能制冷工藝可利用船舶運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的廢熱驅(qū)動(dòng)低位熱能制冷，在貨輪或捕撈船的主機(jī)、副機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量高溫冷卻水（60-90℃）和廢氣余熱（經(jīng)初步利用后仍有120-200℃），可通過(guò)吸收式或吸附式制冷技術(shù)轉(zhuǎn)化為冷量，用于冷藏艙保鮮、艙室空調(diào)等，實(shí)現(xiàn)了船舶廢熱的高效回收與綠色制冷。

在冷熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域，低位熱能制冷工藝可通過(guò)將低位熱能制冷冷水機(jī)組集成至分布式能源系統(tǒng)，利用燃料電池廢熱、燃?xì)廨啓C(jī)排氣等低品位熱源驅(qū)動(dòng)制冷，實(shí)現(xiàn)熱能的梯級(jí)利用，可將能源綜合利用效率提升至70%以上。

在太陽(yáng)能制冷領(lǐng)域，低位熱能制冷工藝可借助硅膠-水、沸石－水等吸附工作對(duì)，搭配平板集熱器或真空管集熱器收集太陽(yáng)能熱（70-90℃），構(gòu)建“光-熱-冷”一體化系統(tǒng)，年均能耗較傳統(tǒng)電空調(diào)降低60%以上，同時(shí)可與太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全年能源綜合利用。而且低位熱能制冷工藝全生命周期能耗低吸附式制冷無(wú)需機(jī)械壓縮機(jī)，僅需少量泵功（如循環(huán)水泵），運(yùn)行功率較機(jī)械壓縮制冷降低50%～70%。

低位熱能制冷工藝發(fā)展前景廣闊：通過(guò)研發(fā)高效吸附材料、優(yōu)化熱質(zhì)傳遞與循環(huán)、跨技術(shù)集成，可開(kāi)發(fā)高制冷效率，長(zhǎng)穩(wěn)定工作時(shí)間和多應(yīng)用場(chǎng)景的商業(yè)化產(chǎn)品；通過(guò)改進(jìn)制冷機(jī)制，發(fā)展出相較于純吸附式制冷在低溫?zé)嵩矗?lt;100℃）場(chǎng)景中更有優(yōu)勢(shì)的蒸汽噴射器制冷和在高溫?zé)嵩聪戮C合性能更優(yōu)的間接制冷模式，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)與能源充分利用的綠色發(fā)展目標(biāo)。

五、綠色應(yīng)用難點(diǎn)

在實(shí)際應(yīng)用層面，低位熱能制冷工藝尚存在以下需改進(jìn)的問(wèn)題：

第一，低位熱能制冷工藝的基礎(chǔ)循環(huán)性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）較低（0.4-1.5），相比機(jī)械壓縮制冷（性能系數(shù)為3-5）仍有不小差距。

第二，低位熱能制冷工藝使用的化學(xué)吸附劑（如氯化鈣、金屬氫化物）存在膨脹、團(tuán)聚等問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性不足，需通過(guò)復(fù)合改性抑制，這會(huì)增加材料成本與復(fù)雜性。

第三，太陽(yáng)能、工業(yè)余熱等低位熱源的溫度和穩(wěn)定性易受環(huán)境或工況影響（如晝夜變化、生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)），導(dǎo)致制冷量輸出不穩(wěn)定。

第四，低位熱能制冷系統(tǒng)通常包含發(fā)生器、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器等核心部件，且為匹配低品位熱源的能量密度，設(shè)備尺寸往往遠(yuǎn)大于壓縮式制冷機(jī)組。

本詞條貢獻(xiàn)者：

董文鈞 北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授

本詞條審核專家：

王曉東 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員，低溫科學(xué)與技術(shù)全面重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者，入選國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才

參考來(lái)源：

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來(lái)源: 科普中國(guó)

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