2020年6月23日

七个离网制冷原型:来自EWB-USA的寒冷挑战赛的决赛选手

贡献:F.安德鲁·道迪，克里斯汀·布洛达·巴姆

一名缅甸男子在仰光运送冰块。“无国界工程师-美国制冷挑战赛”鼓励开发价格极其低廉的新技术，以改善服务不足社区的制冷。图片由作者提供

在一场离网制冷的全球设计竞赛中，一项极低成本的新技术提出了动力源，役畜和柴火就是其中之一。2019年9月，非营利组织美国无国界工程师组织(EWB-USA)发布了“寒冷挑战”，为开发冰箱和制冰机的概念验证原型征求建议。这次呼吁收到了来自36个团队的43份提案，这些团队代表了全球各地的大学、公司、非政府组织和个人。其中7个被选中，获得总计30万美元的研发资助。

“在没有电网的社区，价格合理的冰箱将不仅仅是一杯冷饮。它将以一种微小的方式改变世界，因为它会带来更广泛的开云体育体育赛事好处，比如改善营养和教育，”拉里·本特利(Larry Bentley)说。他和f·安德鲁·道迪(F. Andrew Dowdy)在一项开放慈善基金的支持下，代表EWB-USA发起了这项挑战。

道迪和本特利通过在无电网社区的工作，意识到制冷是一项艰巨的挑战。获得冷藏是联合国可持续发展目标的关键。冷藏有助于健康和营养，为农民和企业提供经济机会，并减轻妇女的负担。然而，在许多经济发展中地区，这种资源仍然匮乏。地球上可能有多达20亿人无法使用互联网。

部分原因可能是传统冰箱耗电量大。在西方国家，家用电器是家庭能源消耗的前五名。在服务不足的社区，来自中央电网的电力可能参差不齐，家庭系统通常只能处理小负荷。太阳能家庭系统越来越普遍，可以提供照明、电视和手机充电。然而，制冷是一个能源密集型得多的过程，已被证明是一个更大的障碍。

已经有几项开发高效离网冰箱的计划，包括由效率接入联盟(Efficiency for Access Coalition)颁发的全球LEAP奖。“寒战挑战”旨在补充这些努力，用一种略有不同的方法来解决问题。

首先，它的重点是可负担性。竞争的目标成本远低于现有的制冷方案，使用的能源通常可用于离网社区。

第二，包括社区制冷资源。这项挑战赛征集的不是小型家用冰箱，而是更大(150-250升)的冰箱或社区规模(100-1000公斤/天)的制冰机。冰箱的尺寸适合于小型商业应用，如商店或酒吧，这往往是最早采用制冷的地方。同样，制冰机可以为家庭或各种收入生产活动提供非常灵活的制冷来源。

最后，这一举措并不局限于蒸汽压缩制冷。“冷却挑战”面向所有冷却技术，包括热驱动工艺。设计参数可以在EWB-USA的网站上找到Chill Challenge详细设计参数．

这7项资助的金额从3万到5万美元不等，代表了多种制冷技术，包括蒸汽压缩、热吸附和天空辐射冷却。提交的各种想法给评审团留下了深刻的印象。道迪先生说:“只选择少数几个申请资助的提案真的很难。”

挑战中代表的技术

蒸汽压缩

由太阳能光伏板供电的蒸汽压缩制冷是目前应用最广泛的离网制冷技术。然而，使用这种技术很难达到Chill挑战的负担能力目标。获得资助的两项蒸汽压缩方案是针对制冰商的，它们比冰箱提供了一定的规模经济，并且可以通过储存冰来解决“黑暗的一天”的挑战，而不是使用电池储存。

• 太阳能冷却工程开云全站app登录官网入口下载将使用五台由太阳能光伏供电的SelfChill®冷却装置建造一台制冰机。这些是使用R-600a(异丁烷)作为低全球变暖潜势(GWP)制冷剂的直流直接驱动蒸汽压缩装置。可负担性的一个关键是将这些机组与当地生产的制冷柜相结合，以提供灵活、低成本的制冷选择。该装置将使用智能手机连接进行监控，并将支持现付现付融资。
• 普渡大学提出利用加热和冷却相结合的蒸汽压缩系统来制冰和干燥作物，以抵消制冰机的成本。该装置每天将生产100-150公斤冰，使用R-290(丙烷)作为低GWP制冷剂，太阳能光伏作为能源。这项研究将评估食品干燥和储存方法，包括它们的价格和季节性。该技术的潜在应用将集中在生产高价值和/或全年可用的食品的地点。

太阳能热吸附

利用吸附过程的太阳能制冷已被研究多年，但商业上的成功一直难以捉摸。热吸附系统的性能系数(COP)远低于蒸汽压缩系统，这是一个很大的挑战。热系统的低COP，加上太阳能光伏板的成本下降，有利于蒸汽压缩系统的离网应用。然而，真空管太阳能集热器的成本也在迅速下降。此外，热系统可以通过存储热水来解决“黑暗的日子”的突发事件，这可能比蒸汽压缩所需的电池存储更便宜。

• Xergy公司将建立一个吸附式冰箱，由太阳能热能驱动，使用氢和金属氢化物作为工作对。该装置将采用先进的热交换器设计，该公司认为这将使效率达到70%。开云体育体育赛事如果成功，该团队相信冰箱将为偏远的离网社区提供一个简单、易于维护的解决方案。
• 伦敦帝国理工学院提出利用太阳能集热器的热水来驱动扩散吸收制冷(DAR)过程。在丙烷和煤油冰箱上使用了几十年的基本工艺，已被证明是简单可靠的，没有活动部件，但COP使用氨和水作为工作对，通常是0.2或更低。该团队希望通过使用替代工作流体对和优化的单元设计来显著提高性能。

伦敦帝国理工学院的一个研究小组提出，可以利用这样的太阳辐射收集器的热水来驱动冰箱。图片由作者提供

生物质热吸附

理论上，使用生物质的吸附系统应该是相当实惠的。生物质，以燃料木材或木炭的形式，广泛用于离网社区的烹饪，是一种非常便宜的热能来源，即使是COP相对较低的过程也应该负担得起。

• 普渡大学提出测试一种由炉灶热量驱动的“冷库电池”。这本质上是一个间歇式吸附制冷系统——热源将产生制冷剂，制冷剂可以在稍后的时间释放以提供所需的冷却。虽然该装置将被设计成与炉灶一起使用，但也可以使用其他热源。
• 新叶动力科技将使用它的GreenCHILL^TM制造每天1000公斤制冰机的技术，可以由任何数量的生物质来源提供动力。这是一种吸附系统，使用R-717(氨)，该公司已在印度超过25个地点部署。据估计，该系统每天需要105公斤木材当量的生物质来生产1000公斤冰，并将使用太阳能光伏提供的电力来运行辅助设备。

天空辐射冷却

“夜空辐射”是一种众所周知的现象，古代波斯人用它来制造冰，并在20世纪70年代在“屋顶-池塘”房屋中进行了测试，用于住宅冷却。近年来，研究人员已经开发出通过红外波长辐射热量来增强这种效应的表面，这些热量可以通过大气窗口进入太空。同时，表面对阳光有很强的反射，这使得它们在暴露在充分阳光下的情况下保持温度低于环境温度。

• 奥雅纳工程开云全站app登录官网入口下载提出利用这一现象建立一个完全被动的冷却箱进行冷却，并采用相变材料进行冷库。开云体育体育赛事如果成功，这可能会导致一种不用电或不使用制冷剂的冰箱的开发，这对发展中国家的许多社区来说是一种简单而廉价的冷却解决方案。

团队的下一步

受资助者开发原型，并在今年剩余的时间里对其进行测试。EWB-USA预计最终研究结果将于2021年第一季度公布。该活动的领导层认为，这一原型开发阶段是为发展中国家带来负担得起的离网制冷解决方案的漫长过程的第一步。如果可行的技术得到证明，该组织打算募集资金，以支持进一步的开发和营销。

EWB-USA首席执行官Cathy Leslie说:“我们的Chill挑战的成功解决方案将改变数百万人的游戏规则，我们非开云体育体育赛事常自豪能够催化新的想法，并激发人们对这一重要开发工具的创造性思维。”

有关更多信息，请参见www.ewb-usa.org/chill-challenge．

作者简介

Christine Broda-Bahm是美国无国界工程师组织的高级作家。

标签:设计的挑战,事件,SDG2,太阳能冰箱