基于生物基溶剂与低GWP制冷剂的新型吸收式制冷系统热力学性能与多目标优化研究

《Energy》：Bridging molecular modeling and 3E cycle analysis in absorption cooling using biomass–based solvents

为解决传统吸收式制冷系统能效低、工质对环境影响大等问题，研究人员开展了以生物基溶剂（如GVL、RPC）与低全球变暖潜能值（GWP）制冷剂（如R1234ze(E)、R134a）为工质对的单效（SE-ARS）和压缩辅助（CA-ARS）吸收式制冷循环研究。通过SAFT-VR Mie状态方程精准建模，结合多指标（COP、ECOP、TEWI）评估，结果表明压缩辅助循环显著提升系统性能，优选工质对R32-GVL的COP可达0.70。该研究为开发高效环保的制冷技术提供了新思路。

　　

随着全球能源需求的持续增长和气候变化问题的日益严峻，开发高效、环保的制冷技术已成为能源领域的重要研究方向。吸收式制冷系统（ARS）因其能够利用低品位热能（如工业废热、太阳能）进行驱动，在节能减排方面展现出巨大潜力。然而，传统吸收式制冷系统普遍采用水-溴化锂（H₂O-LiBr）或氨-水（NH₃-H₂O）作为工质对，前者存在易结晶、腐蚀性强且在低温下易结冰的问题，后者则具有毒性、易燃且运行压力较高。此外，广泛使用的氢氟碳化物（HFCs）类制冷剂，如R134a，虽然热力性能优良，但其较高的全球变暖潜能值（GWP）正面临日益严格的法规限制。因此，寻找性能优异、环境友好的新型工质对，是推动吸收式制冷技术发展的关键。

为了解决上述挑战，研究人员将目光投向低GWP的氢氟烯烃（HFOs）类制冷剂（如R1234ze(E)、R1234yf）以及可持续的生物基溶剂。本研究旨在系统评估五种生物基溶剂——γ-戊内酯（GVL）、Rhodiasolv PolarClean（RPC）、丙二醇碳酸酯（PC）、Solketal（SKL）和萜品油烯（TPN）——与五种制冷剂（R32、R125、R134a、R1234ze(E)、R1234yf）组成的工质对在吸收式制冷系统中的热力学性能。研究团队采用统计缔合流体理论-变径Mie（SAFT-VR Mie）状态方程对纯组分及混合物的热物性进行精确建模，并在此基础上对单效吸收式制冷系统（SE-ARS）和压缩辅助吸收式制冷系统（CA-ARS）进行了详细的能量、?和环境（3E）分析，相关成果发表在能源领域权威期刊《Energy》上。

为开展研究，作者主要应用了以下几个关键技术方法：首先是热力学建模，使用SAFT-VR Mie状态方程精确计算纯组分及混合工质的相平衡、焓、熵等关键热物性参数，并确定了必要的二元交互作用参数。其次是循环模拟，构建了SE-ARS和CA-ARS的理论模型，通过质量守恒、能量守恒和相平衡条件求解系统在各状态点的参数，从而计算系统性能系数（COP）、?效率（ECOP）等关键性能指标。第三是多目标评估方法，结合熵权法（EWM）和专家评判，确定了各性能指标的权重，并采用逼近理想解排序法（TOPSIS）对不同的工质对进行综合排序。最后是环境效益评估，通过计算总当量变暖影响（TEWI）来量化系统在整个生命周期内的直接（制冷剂泄漏）和间接（能耗）温室气体排放影响。

工质对热物性表征与模型验证

研究人员首先利用SAFT-VR Mie方程对所选制冷剂和生物基溶剂的热物性进行了精确表征。通过拟合纯物质的饱和蒸气压、饱和液体密度等实验数据，获得了可靠的分子参数。对于混合物，通过引入一个可调的双元交互参数k_ij来准确描述气液相平衡行为。模型验证表明，SAFT-VR Mie方程能很好地复现实验测得的压力-组成（P-x）数据，为后续的循环性能计算奠定了坚实基础。所有溶剂均表现出高沸点、低挥发性、适中的粘度等适合吸收式制冷应用的物性。

吸收式制冷循环性能分析

基于验证的热力学模型，研究团队系统模拟了SE-ARS和CA-ARS在不同操作条件下的性能。关键发现包括：发生温度（T_g）对系统性能有显著影响，存在一个使COP达到最大值的最佳发生温度。对于SE-ARS，最佳T_g较高（如R134a-RPC系统约为353.79 K），而CA-ARS因机械压缩的辅助，可在更低的T_g下高效运行（如R134a-RPC系统约为326.10 K）。压缩辅助能显著提升系统性能，CA-ARS的COP通常比SE-ARS高出10%-20%。在研究的工质对中，R32与GVL或RPC的组合表现出最高的COP（CA-ARS中接近0.70），其次是R134a。低GWP的HFOs制冷剂R1234ze(E)也显示出良好的性能潜力，特别是在CA-ARS中，其性能接近R134a。相比之下，R125和R1234yf的综合性能较差。冷凝温度（T_cond）升高和蒸发温度（T_evap）降低均会导致系统COP下降。在CA-ARS中，压缩比（CR）存在一个平衡点，过高的CR会增加?损，导致?效率（ECOP）下降。

工质对综合性能排序与环境影响评估

为了全面比较不同工质对的优劣，研究采用了TOPSIS多准则决策方法，综合考虑了COP、ECOP、工作容量（WC）以及溶剂成本、安全性等因素。综合评价结果显示，结合了良好制冷性能和环境特性的工质对排名靠前。在环境方面，通过计算总当量变暖影响（TEWI）发现，尽管低GWP制冷剂（如R1234ze(E)）的直接排放影响小，但系统能效对TEWI的间接排放部分有决定性影响。高效的系统（如采用R32的CA-ARS）能有效降低因能耗产生的间接排放，从而获得更优的整体环境表现。

研究结论表明，采用生物基溶剂（特别是GVL和RPC）与低GWP制冷剂（如R32、R134a、R1234ze(E)）组合的工质对，在吸收式制冷系统中具有广阔的应用前景。压缩辅助（CA-ARS）技术能有效提升系统性能，尤其适用于低品位热源驱动或需要较低发生温度的场合。通过SAFT-VR Mie方程进行精准的热力学建模和基于多目标优化的工质对筛选方法，为设计和优化高效、环保的新型吸收式制冷系统提供了可靠的理论依据和工具。该研究不仅筛选出了有潜力的工质对，更重要的是为未来吸收式制冷技术向更高能效和更低环境影响的方向发展指明了路径，对推动制冷行业的绿色转型具有重要意义。