太陽能-第二類吸收式熱泵聯合供熱系統性能的數值研究

賀冬辰，陳宗帥，孫智冬，李紹勇

（蘭州理工大學 土木工程學院，甘肅 蘭州730050）

0 引言

當前，我國建筑能耗不斷提高，其中供熱、制冷能耗約占民用建筑總能耗的45%，且該數值仍在不斷攀升[1]。為了降低建筑能耗，作為可再生能源與新型節能技術典型代表的太陽能熱利用與第二類吸收式熱泵（Absorption Heat Transformer，AHT）得到廣泛關注。在太陽能利用方面，郝夢琳對槽式太陽能供熱光伏系統中集熱器的性能進行了實驗，實驗結果表明，影響集熱器集熱效率的因素包括傳熱工質溫度和太陽直射輻射量[2]。孫振鋒通過實驗研究不同氣象條件下太陽能空氣集熱采暖系統的運行情況得知，該系統可滿足北方農村地區的采暖需求[3]。在太陽能與第二類吸收式熱泵聯合方面，苗展麗通過對以太陽能作為驅動熱源的AHT系統進行了仿真研究得到，該系統的COP約為0.495，與相關試驗研究數據基本吻合[4]。Ma Z W利用AHT回收低溫廢熱，AHT機組可提供17.1～34.7℃的溫升，AHT機組的COP為0.471～0.475[5]。Liu F將太陽能輔助的AHT與燃氣鍋爐相結合，設計了一套蒸汽回收系統，對該系統進行評估得知環境溫度對系統性能的影響小于太陽輻射[6]。

為解決冬季民用建筑采暖產生的能耗和污染問題，本文將太陽能熱利用技術和AHT技術相結合構建了太陽能-第二類吸收式熱泵聯合供熱系統（Heating System with Solar-assisted Absorption Heat Transformer，HSSAAHT），并提出了4種運行模式以達到冬季穩定供暖的目的。本文建立了HSSAAHT仿真模型，并模擬了該系統在冬季典型日的運行情況，根據模擬結果分析了該系統的運行狀況、性能表現、能耗和經濟性。

1 HSSAAHT構成、運行模式和應用對象

1.1 HSSAAHT構成

HSSAAHT的構成主要包括太陽能集熱器陣列，蓄熱水箱，AHT機組，燃氣鍋爐，分集水器，循環水泵和溫度測量、控制元件。

1.2 HSSAAHT運行模式

圖1 HSSAAHT運行工藝流程圖Fig.1 The operation chart of HSSAAHT

HSSAAHT運行工藝流程圖如圖1所示。為了滿足不同工況，HSSAAHT具有4種運行模式，這4種運行模式包括3種冬季供熱模式和夜間防凍模式D。其中，3種冬季供熱模式分別為供熱模式A（太陽能獨立供熱）、供熱模式B（太陽能+AHT聯合供熱）、供熱模式C（太陽能+燃氣鍋爐聯合供熱）。白天，HSSAAHT向用戶供暖時，由于室外空氣溫度和太陽輻射強度能夠影響太陽能集熱器陣列收集太陽輻射能，導致蓄熱水箱的出口水溫ttank，out發生變化，溫度測量變送器測得蓄熱水箱的出口水溫，并將信號發送給溫度控制器，溫度控制器根據ttank，out的變化發出指令，自動切換3種供熱模式，從而穩定地向用戶提供60℃的熱水；夜間，HSSAAHT停止供暖時，為了防止因室溫過低導致樓宇房間內風機盤管結凍，HSSAAHT的運行模式切換至夜間防凍模式D，保證風機盤管中的水處于流動狀態，避免風機盤管結凍。

HSSAAHT的3種供熱模式對應的蓄熱水箱的出口水溫及4種運行模式下閥門和設備控制情況如表1所示。

表1 HSSAAHT的3種供熱模式對應的蓄熱水箱的出口水溫及4種運行模式下閥門和設備控制情況Table 1 The t tank，out corresponding to the three heatingmodes and control strategy of valve and equipment corresponding tofourmode of HSSAAHT

當運行模式為供熱模式A時，供熱熱水循環過程如下。蓄熱水箱→分水器→室內風機盤管（放熱）→集水器→供熱系統循環水泵→集熱器陣列（吸熱）→蓄熱水箱。

當運行模式為供熱模式B時，驅動熱水循環過程如下。蓄熱水箱→驅動熱水循環水泵→AHT的發生器和蒸發器（放熱）→電磁二通閥17→太陽能集熱器陣列（吸熱）→蓄熱水箱；供熱熱水循環過程如下。AHT的吸收器→電磁二通閥8→分水器→室內風機盤管（放熱）→集水器→供熱系統循環泵→電磁二通閥15→AHT中的吸收器（吸熱）；冷卻水循環過程如下。市政自來水管路→軟化水箱進水水泵→軟化水箱→AHT的冷凝器（吸熱）→市政自來水管路。此外，冬季市政自來水管路可以提供溫度穩定的10℃自來水[7]，經過軟化處理后，作為冷卻水進入AHT的冷凝器，吸收冷凝熱后返回市政自來水管路，避免了冬季室外空氣溫度過低使得冷卻塔結凍，進而導致AHT無法運行。

當運行模式為供熱模式C時，供熱熱水循環過程如下。蓄熱水箱→輔助燃氣鍋爐→分水器→室內風機盤管（放熱）→集水器→供熱系統循環水泵→太陽能集熱器陣列（吸熱）→蓄熱水箱。

當運行模式為夜間防凍模式D時，供熱熱水循環過程如下。蓄熱水箱→分水器→風機盤管→集水器→供熱系統循環水泵→電磁兩通閥18→蓄熱水箱。

1.3 應用對象概述

HSSAAHT的應用對象為位于蘭州地區（東經103°40＇，北緯34°）的某辦公樓。辦公樓地面層高為3.3m，建筑總面積為750m2。根據文獻[8]中的面積指標法，估算得到辦公樓的冬季供熱總熱負荷為45 kW。室內末端裝置采用風機盤管，相應的供、回水設計溫度分別為60，50℃。辦公樓工作時段（8：00-18：00）內，HSSAAHT根據氣象條件，自動切換3種供熱模式，以保證室溫達標。18：00-次日8：00，為防止因夜間室溫過低導致風機盤管結凍，HSSAAHT運行模式切換至夜間防凍模式D。

2 HSSAAHT主要部件分析及系統仿真模型

2.1 AHT的工作機理

AHT可以利用大量中溫熱源的熱能，輸出少量高于中溫熱源溫度的熱能，用于提高中溫熱源品質[9]。AHT機組由蒸發器、冷凝器、發生器、吸收器和溶液熱交換器5個主要部件以及溶液泵、溶劑泵、節流閥和設備間聯通管道組成。AHT機組的工作原理圖如圖2所示。

圖2 AHT機組的工作原理圖Fig.2Working principle diagram of the AHT unit

圖中：tWEi，tWGi，tWCi，tWAi分別為組各換熱器的進口水溫；tWEo，tWGo，tWCo，tWAo分別為各換熱器的出口水溫；QE，QG，QC，QA分別為各換熱器的負荷。

基于圖2和文獻[10]，[11]，將AHT機組各換熱器的能量平衡方程、質量平衡方程、傳熱溫差方程和循環工質的熱物性方程聯立，即可建立AHT機組的數學模型。

2.2 第二類吸收式熱泵的數值運算模型

基于AHT機組的數學模型，借助MATLAB軟件，構建AHT機組的數值運算模型，AHT機組數值運算流程圖如圖3所示。

圖3 AHT機組數值運算流程圖Fig.3 Numerical calculation flowchartof AHT unit

結合AHT機組數值運算流程，本文基于MATLAB軟件編寫了AHT機組模塊，并命名為AHT.m。當應用TRNSYS17構建HSSAAHT的仿真模型時，可調用AHT機組模塊。

2.3 HSSAAHT設備的選型計算

①太陽能集熱器陣列

本文選用平板型太陽能集熱器，以串聯方式構建太陽能集熱器陣列（Solar Collector Array，SCA），SCA總面積的計算式為[12]

式中：AC為SCA的總面積，m2；Q為辦公樓所需的總供熱負荷，W；η為太陽能保證率，取50%；It為SCA表面接收到的平均太陽輻射強度，取700 W/m2；η為SCA的瞬時集熱效率，取30%。f，η的取值僅作為太陽能集熱器陣列選型時的參考，在實際模擬過程中，這兩個數值隨著氣象情況不斷發生變化。

已知辦公樓冬季供熱總熱負荷為45 kW，基于式（1）得到SCA的總面積為107.15m2，因此，本文設計辦公樓的總面積為110m2。

②蓄熱水箱

由文獻[12]可知，蓄熱水箱的容積V與SCA的總面積相關，每平方米SCA對應的蓄熱水箱的容積為40～80 L，因此，總面積為110m2的SCA應匹配4 400～8 800 L（4.4～8.8m3）的蓄熱水箱。由于HSSAAHT無需高溫熱源，并且增大蓄熱水箱的容積V可能導致蓄熱水箱的熱損失增大、系統的運行效率下降，因此，本文設計蓄熱水箱的容積V為5m3。

③輔助熱源

本文選用燃氣鍋爐作為輔助熱源。冬季，當氣象條件惡劣時，HSSAAHT啟動燃氣鍋爐用于加熱供暖循環水，確保用戶側供水溫度滿足供熱需求。燃氣鍋爐功率須與供熱所需的總負荷匹配[12]，因此，本文設計燃氣鍋爐的容量為45 kW。

④AHT機組

為保證AHT機組的容量與供熱所需的總負荷相匹配，因此，選擇吸收器熱負荷為40 kW的AHT機組。設計蒸發器驅動熱水進、出口溫度分別為50，43.7℃，蒸發壓力、蒸發溫度分別為57.62 kPa，40.7℃；發生器驅動熱水進、出口溫度分別為50，42.1℃；冷凝器冷卻水進、出水溫度分別為10，15℃，冷凝壓力、冷凝溫度分別為2.05 kPa，18.1℃；流經吸收器循環熱水進、出口溫度分別為50，60℃；LiBr濃、稀溶液濃度分別為51.26%，47.76%；溶液熱交換器的換熱效率為80%。

2.4 HSSAAHT的仿真模型

由于TRNSYS軟件中缺少AHT機組模塊，因此，本文將基于MATLAB軟件構建的AHT.m模塊導入TRNSYS17中。借助TRNSYS17構建HSSAAHT仿真模型。太陽能-第二類吸收式熱泵聯合供熱系統仿真模型如圖4所示。

圖4 太陽能-第二類吸收式熱泵聯合供熱系統仿真模型Fig.4 Simulationmodel for heating system of solar-assisted AHT

由圖4可知，該模型略去供熱系統末端的形式，僅以用戶側供、回水溫度和用戶熱負荷表征末端風機盤管的換熱情況。

本文通過圖4中的仿真結果，分析了HSSAAHT的運行狀況和相關的性能參數變化。

3 模擬結果與分析

本文選取了冬至日（12月22日）作為HSSAAHT冬季供熱工況的典型日，典型日室外空氣溫度和太陽輻射強度隨時間的變化情況如圖5所示。

圖5 供熱期間典型日室外空氣溫度和太陽輻射強度隨時間的變化情況Fig.5 Hourly variation diagram of outdoor air temperature and solar radiation intensity on a typical day during heating period

由圖5可知，太陽輻射強度發生的時間段為8：00-18：00，在13：00太陽輻射強度達到峰值，為2 286 kJ/（h·m2）。室外空氣溫度的變化滯后于太陽輻射強度，在15：00達到峰值（5.3℃），室外空氣平均溫度為-3.79℃。

將上述室外空氣溫度和太陽輻射強度數據輸入到基于圖4所構建的HSSAAHT仿真模型，可獲取HSSAAHT中蓄熱水箱的出水溫度ttank，out，用戶側供、回水溫度tload，in，tload，out，AHT機組的主要性能參數隨時間的變化情況，以及AHT機組和輔助燃氣鍋爐的啟停狀況，從而分析典型日HSSAAHT中各部件的運行能耗、總能耗、太陽能收集量和太陽能保證率等。

典型日8：00-18：00，HSSAAHT的蓄熱水箱出口溫度、輔助燃氣鍋爐和AHT啟停和運行情況如圖6所示。

由圖6可知：在8：00-10：20，蓄熱水箱的出口溫度ttank，out≤50℃，HSSAAHT的運行模式為供熱模式C，此時啟動輔助燃氣鍋爐加熱采暖供水，直至ttank，out=60℃，由于太陽輻射強度逐漸增強和用戶側回水溫度較高，導致蓄熱水箱出口溫度持續升高；在10：20-13：00，蓄熱水箱的出口溫度50℃≤ttank，out＜60℃，此時HSSAAHT的運行模式為供熱模式B，啟動AHT機組并停止輔助燃氣鍋爐。該時段ttank，out呈現先下降后升高的變化趨勢，這是因為AHT機組運行時消耗了蓄熱水箱中水的熱量，導致ttank，out下降，然后，隨著太陽輻射強度的升高，太陽能集熱器陣列中的水吸收熱量，水溫升高并進入蓄熱水箱，使得ttank，out開始上升；在13：00-15：40，ttank，out≥60℃，HSSAAHT的 運 行 模 式 為供熱模式A，輔助燃氣鍋爐和AHT機組均停止運行，在14：30，ttank，out達到最高值（63.01℃）后開始下降；在15：40-17：10，ttank，out＜60℃，HSSAAHT再次運行供熱模式B。在太陽輻射強度下降和AHT運行的共同影響下，ttank，out迅速下降，直至ttank，out＜50℃。在17：10-18：00，HSSAAHT的運行模式為供熱模式C，此時太陽輻射強度較弱，因此，蓄熱水箱的出口溫度呈現緩慢下降的變化趨勢。

圖6 典型日8：00-18：00，HSSAAHT的蓄熱水箱出口溫度、輔助燃氣鍋爐和AHT機組啟停和運行情況Fig.6 Hourly variation diagram of outlet temperature of the regenerative tank and the state of start，stop and running for gas boiler and AHT unitof HSSAAHT during 8：00-18：00 on a typical day

圖7為供熱期間典型日用戶側進口水溫tload，in和用戶側出口水溫tload，out隨時間的變化情況。

圖7 供熱期間典型日用戶側進口水溫t load，in和用戶側出口水溫t load，out隨時間的變化情況Fig.7 Hourly variation diagram of the user-side inletwater temperature（t load，in）and user-side outletwater temperature（t load，out）on a typical day during the heating period

由圖7可知：在8：00-18：00，用戶側進口水溫tload，in最高值為63.01℃，最低值為50.05℃；用戶側出口水溫tload，out最高值為53.01℃，最低值為40.05℃。 由于tload，out和tload，in的平均值分別為60.86℃和50.41℃，本文設計用戶側供、回水溫度分別為60，50℃，因此，HSSAAHT可以滿足用戶供暖需求。

AHT機組的主要參數為性能系數COP、溫升能力ΔT和放氣范圍ΔX。圖8為供熱期間典型日HSSAAHT運行模式為供熱模式B時，AHT機組的主要參數隨時間的變化情況。需要說明的是，典型日內，供熱模式B僅在10：20-13：00和15：40-17：10這2個時段運行，其余時段AHT機組均停止運行。因此，AHT機組的主要參數COP，ΔX和ΔT的數值均為0。

圖8 供熱期間典型日HSSAAHT運行模式為供熱模式B時，AHT機組的主要參數隨時間的變化情況Fig.8 Hourly variation diagram ofmain performance parameters of AHT unitwhen HSSAAHT running heating mode B on a typical day during the heating period

由圖8可知：在10：20-13：00，蓄熱水箱的出口水溫持續升高，即進入AHT機組中的蒸發器和發生器的驅動熱水溫度持續升高，導致蒸發器和發生器的壓力升高，同時，由于吸收器的壓力與蒸發器的壓力相關，使得吸收器的吸收能力和發生器的發生能力提高，AHT機組的COP隨之升高，并且，發生器發生能力的提高導致濃溶液的濃度升高，吸收能力的提高導致稀溶液的濃度降低，最終導致AHT機組的ΔX升高；同理，在15：40-17：10，蓄熱水箱出口水溫持續下降，導致該時段AHT機組的COP、ΔX下降；另外，ΔT受蒸發溫度和發生溫度的影響，ΔT隨蒸發溫度的升高而升高，隨發生溫度的升高而降低，而在驅動熱水溫度發生變化時，發生溫度升高而蒸發溫度降低，因此，ΔT的變化趨勢與驅動熱水溫度的變化趨勢基本一致。

供熱期間典型日HSSAAHT的能耗和主要性能參數如表2所示。其中，根據文獻[13]所述得到太陽能保證率的計算公式為

式中：Qj為太陽能系統吸收的熱量，kW·h；Qz為太陽能系統能耗，kW·h。

表2 供熱期間典型日HSSAAHT的能耗和主要性能參數Table 2 Energy consumption and themain performance parameters of HSSAAHT on a typical day during heating period

由表2可知，HSSAAHT的總能耗為79.51 kW·h，太陽能保證率可達到0.615。本文所研究的對象位于Ⅱ類太陽能資源較豐富地區，HSSAAHT的太陽能保證率比文獻[14]所規定的推薦值（0.5）高出24.4%。在能量消耗和系統性能方面都有較好的表現。

供熱期間典型日，在HSSAAHT的總能耗中，電能消耗量為47.39 kW·h，燃氣消耗量為32.12kW·h，相當于3.68m3天然氣。按用電價格1.08元/（kW·h），天然氣價格1.75元/m3計算，當日HSSAAHT的運行費用為57.62元。建筑供暖熱負荷為450 kW·h，若以普通燃氣鍋爐為該建筑供熱，須消耗天然氣約61.05m3，當日運行費用將達到106.21元。因此，與燃氣鍋爐供熱相比，HSSAAHT具有較好的經濟性，且典型日為冬至日，氣象狀況不佳，HSSAAHT用電、用燃氣量較大，據此推斷出在冬季氣象條件較好時，HSSAAHT的太陽能利用率變大，HSSAAHT的經濟性更加顯著。

4 結論

①本文通過將太陽能熱利用技術與AHT技術相結合，設計了一套HSSAAHT，該系統通過切換多種運行模式，實現了冬季供暖目的，提高了系統的太陽能利用率和穩定性。

②HSSAAHT使用10℃的市政自來水作為AHT機組的冷卻水，可及時排放冷凝熱，確保AHT機組連續運行；同時，避免了當室外空氣溫度過低，且采用冷卻塔排放冷凝熱時AHT無法運行的問題。

③典型日室外空氣平均溫度為-3.79℃，太陽輻射強度為2 286 kJ/（h·m2）時，HSSAAHT用戶側的供、回水平均溫度可達到60.86，50.41℃，可以滿足冬季辦公樓用戶的供熱需求的。

④運行工況下，HSSAAHT的太陽能平均保證率為0.615高于設計工況，能夠滿足節能要求，在經濟性上也有良好表現。由于本文選取典型日為冬至日，氣象條件不理想，據此推斷出在冬季氣象條件較好時，HSSAAHT的太陽能保證率會進一步提高。