自1987年《蒙特利爾議定書》發(fā)布以來，改變制冷和空調(diào)的工作方式一直是近年來的熱門話題。人們急切需要相應(yīng)對(duì)策用以緩解由于使用空調(diào)制冷而導(dǎo)致的對(duì)臭氧消耗和隨之而來的全球變暖的現(xiàn)實(shí)。

“卡路里冷卻”（Caloric Cooling）是利用固體材料進(jìn)行制冷、供暖通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）的技術(shù)，它的原理是基于作為制冷介質(zhì)的“卡路里固態(tài)材料”的不同的熱物理效應(yīng)（機(jī)械熱，電熱和磁熱效應(yīng)）。這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)使用對(duì)環(huán)境有害并導(dǎo)致全球變暖的溫室氣體。它可以在噪音很小的情況下運(yùn)行，并且其系統(tǒng)組件有回收的潛力?！翱防锢鋮s”有可能最終成為傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷的真正替代品。

“卡路里熱泵（Caloric heat pump）”研究的目標(biāo)是基于活性“卡路里”再生（ACR：Active Caloric Regenerative）熱泵循環(huán)，該循環(huán)是基于布雷頓循環(huán)（Brayton-based cycle），其中“卡路里”固體材料既充當(dāng)制冷劑又充當(dāng)熱泵系統(tǒng)的再生器。系統(tǒng)的四個(gè)循環(huán)過程如圖所示。

如圖所示，ACR系統(tǒng)通過從較冷的外部環(huán)境提取熱量，然后將熱量通過系統(tǒng)傳送到室內(nèi)。從在ACR再生器中施加外場(chǎng)Y并將其保持在最大值（Y1）的條件開始，圖a可以看到其絕熱場(chǎng)減弱，直到達(dá)到最小值（Y0）。因此，“卡路里”固體材料表現(xiàn)出其獨(dú)特的熱物理效應(yīng)，材料溫度會(huì)降低。然后，輔助流體從較熱的熱交換器（HHEX）流向較冷的熱交換器（CHEX），穿過再生器并對(duì)其進(jìn)行加熱（圖b）。在絕熱條件下外場(chǎng)從Y0增加到Y(jié)1（圖c），由于材料的熱物理效應(yīng)，蓄熱器進(jìn)一步發(fā)熱。因此，通過再生器，較冷的熱交換器（CHEX）轉(zhuǎn)換成較熱的熱交換器（HHEX），在HHEX處流體被加熱（圖d），從而建立所需要的ACR循環(huán)。

活性“卡路里”再生（ACR）熱泵循環(huán)：a 絕熱場(chǎng)減弱；b HHEX到CHEX的熱量轉(zhuǎn)移；c 絕熱場(chǎng)增強(qiáng)；d CHEX到HHEX的熱量轉(zhuǎn)移

本文繪制了使用不同熱效應(yīng)材料的固態(tài)熱泵能量性能圖。進(jìn)行研究時(shí)考慮了多種熱效應(yīng)材料，并基于活性“卡路里”再生（ACR）熱泵循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。數(shù)值計(jì)算是通過二維模型執(zhí)行的，該二維模型已在先前的研究中得到驗(yàn)證，模型通過有限元方法進(jìn)行求解。所使用的固體材料是電熱和機(jī)械熱驅(qū)動(dòng)的，作為基準(zhǔn)磁熱材料的“釓”也通過了比較測(cè)試。我們?cè)u(píng)估了“卡路里”固體材料熱泵的熱物理性能，如溫度跨度，加熱功率和性能系數(shù)COP。從全局考慮出發(fā)同時(shí)評(píng)估這三個(gè)能量參數(shù)，我們認(rèn)為機(jī)械熱是最適合熱泵應(yīng)用的熱效應(yīng)，尤其是基于彈性熱的Ni-Ti和重?zé)岬囊已趸柘鹉z，對(duì)比所需能耗，這種獨(dú)具創(chuàng)新的熱泵系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)令人滿意的性能系數(shù)和所需的溫差需求。