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吸附式製冷技術發展
熱驅動製冷系統不僅可以利用工業餘熱或回收廢熱驅動，亦可以利用太陽能熱水驅動，在提供工業冷卻與商業空調的需求的同時，有助於提高整體能源的使用效率與善用再生能源，是發展再生能源空調系統最重要的技術發展項目之一，因此熱能驅動製冷技術在國內外，再度受到各國重視與廣泛的討論，如何以政策配合民間推動與落實冷熱電三生系統的應用，以提高整體能源的使用效率，對節能減碳作出貢獻。
固體吸附式製冷系統的驅動熱源溫度較吸收式製冷系統低，被冀望是發展太陽能空調系統的較佳方案，緣此，本文特別以吸附式製冷系統為題，比較說明兩種熱驅動製冷系統的運轉原理與特性，介紹國內外吸附式製冷系統的發展與應用現況，探討現階段推動商業化普及應用的障礙，以及未來可能的技術發展重點。
1、國內技術發展現況
⏹溴化鋰-水吸收式製冷系統
論及熱驅動製冷系統在空調的應用，首推技術發展與商品成熟度最高的吸收式製冷系統（習稱吸收式冰水機、吸收式冷凍機），圖1所示為單效應溴化鋰-水吸收式製冷系統的結構與循環示意圖。
吸收式製冷系統的工作流體以水為冷媒、以溴化鋰水溶液為吸收劑，溴化鋰水溶液對水氣具有高度的親合性（吸收力），因此利用這種特性發展出吸收式製冷系統。
吸收式製冷系統的運轉原理為，當冷媒在蒸發器的低壓下（真空）吸收冰水的熱量蒸發時，使冰水降溫產生製冷效果；蒸發的氣態冷媒被吸收器的溴化鋰溶液所吸收以維持蒸發器的低壓狀態；吸收氣態冷媒的溴化鋰溶液濃度降低，吸收能力也隨著降低，為維持溴化鋰溶液強烈的吸收力，利用溶液泵浦將溴化鋰溶液送到發生器加熱，使溴化鋰溶液的濃度提高以恢復其高度的吸收力；在發生器加熱溴化鋰溶液產生的氣態冷媒被送到冷凝器液化後再送至蒸發器製冷，在發生器提高濃度後的溴化鋰溶液吸收能力提高，被送到吸收器吸收蒸發的氣態冷媒，如此構成連續式的單效應吸收式製冷循環。
圖1單效應溴化鋰-水吸收式製冷循環
⏹密閉式固體吸附製冷系統
圖2所示為密閉式固體吸附式製冷系統的結構與循環示意圖。
固體吸附式製冷系統同樣以水為冷媒，以矽膠或沸石為吸附劑（adsorbent），通常以工作對來稱呼冷媒與吸附劑的配對，不同的工作對具有不同的適用溫度條件與特性，目前較成熟的商業化固體吸附式製冷系統，最常用的為以矽膠-水或沸石-水為工作對的吸附式製冷系統。
如圖2所示，吸附式製冷系統的結構通常包括一冷凝器（通常為水冷式）、一蒸發器（或稱冰水器）、兩個稱為吸附床的熱交換器，以及構成系統循環的組件，如切換閥與膨脹裝置。
由於固體吸附式製冷系統，固體吸附劑無法像吸收式製冷系統的吸收劑（溴化鋰溶液）一樣循環流動，所以為了達到連續製冷的目的，必須設置兩個吸附床熱交換器，當一個吸附床熱交換器通以冷卻水進行吸附製冷時，另一個吸附床熱交換器則通以熱水進行脫附再生，通常以運轉時間來進行兩個吸附床熱交換器吸附與脫附運轉模式的切換。
以水（冷媒）-矽膠（吸附劑）為工作對的固體吸附式製冷系統為例，當水在蒸發器內蒸發造冷時，蒸發的氣態冷媒被充滿矽膠（吸附劑）的吸附床吸附以維持蒸發器的低壓，當吸附床吸附水氣達飽和狀態後無法再吸附氣態冷媒，此時必須進行脫附以再生並還原其吸附能力。
因此將吸飽氣態冷媒的吸附床利用熱水加溫進行脫附（再生），被脫附的氣態冷媒則送至冷凝器液化後，液態冷媒便可送至蒸發器造冷，脫附完成後的吸附床吸附能力恢復，則可以再吸附氣態冷媒進行製冷。
圖2密閉式固體吸附製冷系統結構與循環示意圖
表1所示為國外吸附式製冷系統技術發展與商業化產品的現況，日本的商業化成熟度與安裝案例較多，主要的生產廠商為Union產業株式會社與前川（Mayekawa）製作所，目前其主要目標市場以工業製程的廢熱回收或商業場所的太陽熱能應用為主，所以機組容量也較大，製冷能力在100kW以上。
歐盟的德國Sortech與瑞典的ClimateWell對於太陽能製冷技術的研發也很早即投入，由於氣候與使用條件的不同，目前商業化的產品在15kW以下。
中國大陸則以上海交大的王如竹教授投入吸附式製冷技術的研發為代表，所發表的研究論文與吸附床的研究最多，不過商業化的產品目前無法得知其發展情形與應用現況。
傳統採用矽膠-水為工作對、吸附劑以填充方式製作的吸附床熱交換器的缺點為，因吸附劑的特性以及以填充方式製作吸附床的因素，不僅使得系統的效率差，同時因為吸附劑的使用量大，使得系統的體積與重量過大、製造成本也相當高。
為改善上述缺點以提升系統效率、減少體積重量與降低製造成本，日本三菱樹脂公司（MitsubishiPlasticINC.）發展一種產品命名為AQSOA的沸石系吸附劑。
圖3所示為三菱樹脂所發展成為AQSOA吸附劑與傳統矽膠及Y型沸石吸附劑的吸附特性比較圖。
AQSOA共有三個系列的產品，其產品編號分別為AQSOA-FAM-Z01、Z02、Z05，針對不同的使用溫度條件，可以應用在開放式的除濕輪與密閉式的吸附式製冷系統。
表1國外吸附式製冷產品的現況
產品
國別/廠家
日本
Mayakawa
日本
Union
德國
SortechAC
瑞典
ClimateWell
中國
上海交大
工作對
矽膠-水
矽膠-水
矽膠/沸石-水
氯化鋰-水
矽膠-水
製冷能力
105kW
175~500kW
8kW/15kW
10kW
8.5kW
熱源溫度
60~80℃
60~80℃
72/65℃
85~100℃
85℃
冷卻水溫度
32℃以下
32℃以下
27/32℃
儲冷量56kWh
32℃
冰水溫度
5~15℃
14/9℃
18/15℃
儲熱量64kWh
5℃
重量
6600kg
8500~16500kg
295kg/590kg
990kg
1500kg
*1:
吸附量為每公斤乾燥的吸附材所能吸附的水氣重量
*2:
相對蒸氣壓的定義為（吸附材外界的水氣壓力）÷（吸附材在特定溫度下的飽和水氣壓力）
（相當於環境溫度等於吸附材溫度時相對濕度所對應的相對蒸氣壓力）
圖3日本三菱樹脂AQSOA吸附材的特性
圖4所示為利用AQSOA吸附劑的適用溫度範圍，以及塗佈AQSOA的銅管鋁鳍片熱交換器的外觀，Z01適用的再生溫度條件為60~100℃、Z02適用的再生溫度條件為80~100℃。
表2則為塗佈AQSOA的熱交換器產品規格，針對可使用的熱源溫度範圍與製冷能力需求，可以選用塗佈不同AQSOA吸附劑的熱交換器，提供系統製造與設計方便選用規格化的產品，已達商業化量產的程度。
圖4AQSOA吸附劑適用的溫度範圍與塗佈的熱交換器
表2日本三菱樹脂公司塗佈AQSOA吸附劑之熱交換器規格
外型尺寸
L×W×H[mm]
體積
[L]
銅管外徑
[mm]
鰭片間距[mm]
鰭片厚度
[mm]
重量
[kg]
額定能力[kW]
Z01Z02
製品外觀
250*400*50
5
9.52
2
0.1
1.0
1
3
250*600*100
15
9.52
2
0.1
3.0
4
9
300*833*100
25
9.52
2
0.1
5.0
7
15
200*1800*50
18
9.52
2
0.1
3.6
5
11
註1:
熱交器重量為塗佈AQSOA後的重量。
註2:
額定能力為在5分鐘內假設Z01的吸附率為0.18kg/kg、Z02的吸附率為0.25kg/kg的蒸發潛熱。
表3使用矽膠與AQSOA之吸附式製冷主機比較
項目
傳統型
吸附式製冷主機
新型
吸附式製冷主機
比較
吸附劑
矽膠
沸石
－
製冷能力
350kW
350kW
－
熱源溫度
75℃
70℃
－
外型
尺寸
L
6,430mm
5830mm
－
W
3,000mm
2470mm
－
H
3,560mm
2830mm
－
吸附劑重量
3,200kg
945kg
降低70%
製品容積
68.67m3
40.75m3
降低41%
製品重量
27ton
15.1ton
降低44%
表3所示為日本吸附式製冷系統的發展現況，日本三菱樹脂與日本前川（Mayekawa）製作所共同合作開發，採用三菱樹脂公司AQSOA-FAM-Z01於2011年1月在日本機械學會誌Vol.113No.1094所發表關於吸附式製冷系統的成果，其中列示以製冷能力350kW的傳統採用矽膠為吸附劑，以及採用AQSOA-FAM-Z01為吸附劑的差異，在吸附劑的重量減少70%、機組體積減少41%以及機組重量減少44%。
2、國內外產業應用發展
圖5所示為根據熱源的種類與溫度條件所適用熱驅動製冷系統的型式。
如果餘熱回收設備所產生的熱源型式為熱水，則通常只能用來驅動單效應、熱水型吸收式冰水機，而熱水最低的操作溫度條件通常為85℃以上。
如果餘熱回收設備是利用廢熱鍋爐來產生蒸汽（steam）的熱源型式，則依所產生蒸汽壓力（錶壓）的高低可以選擇使用單效應或雙效應蒸氣驅動型的吸收式冰水機。
一般而言，如果熱源蒸汽的壓力在1~2kgf/cm2G（3kgf/cm2G以下），則僅能用來驅動單效應蒸汽型的吸收式冰水機；如果熱源蒸汽壓力在3~8kgf/cm2G，則可以使用雙效應蒸汽型吸收式冰水機，得到較高的COP值。
如果熱源蒸汽壓力超過8kgf/cm2G則通常需要降壓同時去過熱，才能用來驅動雙效應型吸收式冰水機。
圖5廢熱源形式於製冷系統的應用區分
假如餘熱回收的熱源形式為熱水，且溫度在60℃以上但低於85℃，或是熱水是經由太陽能集熱器所產生，此時便可以考慮使用固體吸附式製冷系統。
圖6為利用太陽熱能驅動吸附式製冷的再生能源空調系統流程。
固體吸附式製冷系統的優點是其驅動熱源溫度比吸收式製冷系統低，目前國內外均有以太陽能驅動吸附式製冷系統的應用案例，不過大部分均仍屬於示範運轉階段，要真正商業化仍有待技術的突破解決太陽能集熱器設置面積過大、與降低系統設置成本。
圖6太陽能再生能源空調系統流程
目前台灣地區唯一仍在商業運轉的吸附式製冷系統的案例，安裝地點為金車飲料公司中壢廠，主要用途為製程熱回收與冷卻。
該廠主要生產的產品為罐裝咖啡，於2003年導入吸附式製冷主機以回收咖啡殺菌後的熱水作為驅動吸附式製冷主機的熱源，將所產製的冰水再提供殺菌後產品的冷卻。
圖7所示為該廠吸附式製冷系統的流程示意圖，系統的構成包括殺菌釜、熱水回收槽（一次與二次熱水儲槽）、吸附式製冷主機、開放式與密閉式冷卻水塔與冷水槽（一次與二次熱水儲槽）。
系統的運轉流程大致說明如下：
裝罐後咖啡的溫度約85℃，此時送入殺菌釜以1.5kgf/cm2G飽和蒸汽（飽和溫度約127℃）加熱至120℃，維持30分鐘進行殺菌。
殺菌釜的蒸氣冷凝水約70℃，以泵浦回收送至熱水儲槽，熱水儲槽70℃的熱水首先驅動吸附式製冷系統後降溫至60℃，再經過製程的加熱用途可進一步冷卻至50℃。
罐裝咖啡冷卻所需的冷水溫度為25℃的常溫水，而且必須分階段緩慢降溫冷卻，以保持咖啡的品質，並防止冷卻速度過快造成罐體變形，因此50℃的熱回收水會再經過密閉式冷卻水塔降溫至高於外氣乾球溫度後，再流經吸附式製冷主機的蒸發器進一歨降低溫度至25℃以下，作為殺菌後罐裝咖啡的冷卻需求。
另外吸附式製冷主機的吸附床的吸附循環與脫附循環的冷卻需求，則是利用另外冷卻水迴路，經由開放式冷卻水塔來提供吸附式主機所需的散熱需求。
圖7金車飲料公司吸附式製冷系統應用例
3、產品效率與未來發展重點
表4吸附式與吸收式製冷系統的特性比較
吸附式製冷系統
吸收式製冷系統
性
能
COP
0.3~0.6（冰水出水溫度7~15℃）
0.7~1.2（冰水出水溫度7~9℃）
驅動熱源溫度
熱源溫度100℃以下沒有限制，額定能力50%以上熱源温度65℃以上即可驅動
必須穩定供應85℃以上的熱源，額定能力50%以上熱源温度必須達80℃以上，75℃無法驅動
熱水流量與
冷卻水溫度
可以熱水流量±50%以上的變動，冷卻水溫度沒有限制，冷卻水溫度愈低COP值愈高
熱水流量必須穩定，冷卻水溫度限制22℃以上，以避免溶液結晶
運轉操作性
冷卻水溫度
管理
運轉中冷卻水溫度不用管理，冷卻水配管不需要配置三通閥
運轉中冷卻水溫度必須控制22℃以上，冷卻水配管需要配置三通閥
開機時間
運轉開始後10分鐘即可供應冰水
運轉開始後需30分鐘方可供應冰水
停機操作
可以立即停止運轉
需進行15分鐘的溶液稀釋方可停機
操作與維護
不需日常點檢，定期維護所需時間約1天
需進行日常點檢，定期維護所需時間約3天以上
環保性
環境保護
吸附式製冷系統吸附材為矽膠、沸石等，冷媒為水，運轉期間不會產生事業廢棄物，廢棄物處理沒有限制，不會對環境造成傷害
吸收式製冷系統吸收液為溴化鋰，冷媒為水，吸收液含重金屬添加劑，運轉期間在維護時進行溶液交換或添加重金屬添加劑，會產生事業廢棄物，廢棄物處理有限制，會對環境造成傷害
綜合以上所述，整理如表4所示吸收式與吸附式製冷系統的特性比較。
至於兩種製冷系統的適用條件可以熱源的形式與溫度來加以區分，由於現階段國內燃料與電力價格結構，不管以鍋爐油或瓦斯等燃料直接燃燒或以鍋爐產生蒸汽來驅動熱能製冷系統，在操作運轉成本明顯高於電力驅動的壓縮式製冷系統，因此其適用場合僅以餘熱回收或太陽能熱水的應用條件的討論為主。
首先在吸收式製冷系統的應用條件方面，目前商業化吸收式製冷系統可使用驅動熱源的形式，可分為熱水型、蒸汽型與直燃型。
依熱源溫度的高低又可以分為單效應型與雙效應型。
單效應型吸收式冰水機的COP值約0.7，雙效應型吸收式冰水機的COP值約在1.1~1.2之間。
我們可以餘熱回收設備所產生的熱源型態與溫度的高低，來對吸收式製冷系統的適用型式與適用條件加以分類。
圖8所示為一典型採用矽膠-水為工作對的商用密閉式固體吸附式製冷主機，在不同的熱水、冷卻水溫度條件下，系統製冷能力與COP的性能表現特性圖。
在熱水溫度85℃、冷卻水入水溫度31℃、冰水溫度從入水14℃降為出水9℃的標準操作條件下，可以得到製冷機的100%額定製冷力、性能係數COP=0.6。
從圖中可以明顯看出，隨著熱水溫度的提高、以及冷卻水溫度的降低，製冷能力以及COP兩者的性能表現皆同時提升。
這意謂著當熱水溫度提高與冷卻水溫度降低時，單位輸入熱能所能產生的冷媒量增加，系統冷媒循環量增加的結果，使製冷能力與COP均顯著提升。
固體吸附式製冷系統的優點是其驅動熱源溫度比吸收式製冷系統低，例如，從圖8可以看出，在冷卻水入水溫度31℃、熱水溫度67℃時、COP≒0.5，且製冷能力仍有額定能力的50%。
若冷卻水溫度降低至28℃，要維持50%的製冷能力，熱溫度只須要58℃即可達到。
固體吸附式製冷系統利用低溫熱源的優越性明顯優於吸收式製冷系統。
圖8典型商用矽膠-水吸附式製冷主機的運轉特性
目前影響吸附式製冷系統普及應用的主要障礙為系統設置成本過高，而造成系統成本過高的主要原因為COP值過低，由於COP值過低所以系統的尺寸與重量也就相對的大，在材料與製作加工成本上也就相對的高，因此如何提高COP值關係著吸附式製冷系統在未來是否能普及化應用，以及成為綠建築再生能源空調系統最佳的選項與解決方案亟需克服的重要課題。
由於固體吸附劑為多微孔介質，比表面積大、導熱性能很低，因而吸/脫附所需時間長，單位重量吸附劑的製冷功率較小。
根據早期的研究工作發現，基於基本循環的吸附式製冷有許多需要改進的地方，如吸附式製冷過程是非連續的，吸附劑與冷媒的吸/脫附量、吸附速率，與系統內部（尤其是吸附床的傳熱效率）等等的問題，這些問題正是吸附式製冷其效率不高的主要原因。
因此可以想見為提高系統的COP值，以降低機體尺寸重量與成本，可以歸納出兩個重點方向。
首要重點是針對吸附材料的改質或研究發展新的吸附材料，在這方面的技術發展主要為降低吸附材脫附溫度的性能，提高吸附劑的冷媒吸/脫附量、以及其吸附速率。
脫附溫度降低表示驅動熱源溫度可以降低，驅動熱源溫度降低之後，表示一些低溫餘熱可以被活用，吸附床吸/脫附切換的熱能損失也就降低，若以太陽熱能驅動的話，太陽能集熱器的設置面積與成本也就可以降低;另外吸脫附量增加，表示單位熱能產生的冷媒量增加，製冷能力與COP值也就提高；吸附速率提高代表單位製冷能力所需的吸附材重量與體積減少，熱交換器的面積也減少，系統的體積與重量降低之後，成本也就隨著降低。
如前所述，由於吸附劑為孔洞材質熱傳效果差，且其循環為非連續式，所以通常會有兩個吸附床進行吸附與脫附的切換，也就表示每一次吸附脫附切換過程均要進行預冷與預熱的過程。
所以另外一個重點是針對吸附床熱交換器與吸附材結合的製作加工方式，以改善與提升吸附床熱交換器的熱傳效果，增進系統效率。
雖然再生能源的量遠遠超過全世界各國每年所需的初級能源消耗量的總合，理論上他可以滿足全世界的能源需求。
但實際上，再生能源的能量密度相當低，不及化石能源的百分之一，必須耗用相當大的土地面積方得以取得取得所需的能量；另外，在技術面與經濟面上，特別是新興的再生能源如太陽光熱、太陽光電、潮汐能等的普及使用仍存在極大的困難度。
即便再生能源的使用具有挑戰性的難題，但基於地球永續發展的觀點，將再生能源導入當今以化石能源為主的能源經濟體系是勢在必行而且是刻不容緩的。
吸附式製冷系統的優點吻合了當前能源和環境協調發展的趨勢。
固體吸附式製冷系統可採用太陽能或廢熱等低溫熱源作為驅動熱源，是太陽能利用和其他低溫熱源利用的有效工具，不僅可緩解對石化燃料的依賴，同時亦可促進再生能源的普及與活用。
近10年來吸附式製冷系統的研究不斷受到重視與深化，國外持續進行對固體吸附式製冷和熱泵的研究工作，從吸附工作對的改質、吸附床的熱質傳和系統循環及結構等方面，推動了吸附式製冷系統的發展。
我們期待吸附式製冷系統未來在技術與成本能有突破性的發展，以真正實現綠建築再生能源空調的願景。
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