吸收式熱泵能效分析及模擬研究

周 勇 魏 航 李永田 阮曉娜

1．陜西新奧新能能源發展有限公司

2．光伏科學與技術國家重點實驗室

0 引言

近年來，隨著我國城鎮化高速發展，導致北方省份冬季供暖需求大幅度增長，預計到2025年將達到11 957百萬m2[1]，在北方城鎮建筑采暖方式中，以集中供暖占主導地位。以長春為例[2]，集中供熱率為95．7%；另以西安市為例[3]，集中供熱面積占比達57．54%。在北方城鎮的集中供暖方式中，熱電聯產是能源綜合利用效率最高的一種方式[4]，隨著燃煤電廠熱電聯產的改造，集中供暖方式占比會進一步增大。

隨著集中供暖面積的擴大，以及電廠進行熱電聯產改造的推行，長距離大溫差供熱技術由于可以提高熱電廠供熱能力、提升熱網輸送能力、提高長距離供熱的經濟性等優勢，將會得到廣泛的應用。吸收式熱泵機組作為長距離大溫差供熱技術的核心裝備，已進行了大量的研究，得到了廣泛的推廣和應用。本文結合吸收式熱泵在集中供熱系統中的研究現狀，對能效進行了分析，結合流程模擬軟件，建立了吸收式熱泵的模擬模型，對參數進行了模擬，并采用靈敏度分析的方法對關鍵參數進行了分析，為吸收式熱泵的設計提供借鑒。

1 能效評估分析

能效評估方法主要以系統?分析方法為主[5，6]。能量的形式主要有功和熱，受熱力學第二定律限制，功和熱之間的轉換是不可逆的，熱轉換為功是需要代價的，而功可以完全轉化為熱。熱、功之間的不可逆性也說明不同形式的能量，在數量上沒有差異，但是在質量上存在差異，需要統一到同一標準進行比較分析，以熱力學第二定律為基礎，以理想卡諾循環效率作為計算依據，將熱量轉換為功的能力作為能量品位的量度。因此，將不同能源在理想情況下對外所能夠做功的大小和總熱量的比值定義為該種能源的能級系數。用λ表示，其計算公式如下：

式中：λ——能級系數；Q——該種形式能源的總能量/kJ；W——總能量中可以轉化為功的部分/kJ。

1.1 各種能源能級系數計算方法

1）燃料燃燒后的煙氣

燃料燃燒后煙氣的能級系數可以根據煙氣的溫度與環境溫度來進行計算。

式中：λfuel——燃料燃燒后煙氣的能級系數；T0——環境參考溫度/K；Tfuel——燃料完全燃燒后煙氣的溫度/K；η——平均轉化效率。

2）熱水、蒸汽

熱水的能級系數計算公式如下：

式中：Tg——供水溫度/K；Th——回水溫度/K。

3）市政蒸汽的能級系數計算公式如下：

式中：Tsteam——蒸汽的飽和溫度/K。

4）供冷和供熱能級系數計算公式如下：

式中：λc——供冷能級系數；λh——供熱能級系數；T——室內溫度/K。

5）能源轉化系數評價指標計算公式如下：

式中：E——熱電聯產輸出的電量/GJ；WHVACi——冷熱源所需消耗的第i種能源的總量/GJ；λi——第i種能量的能級系數。

1.2 傳統換熱與大溫差吸收式換熱的能質系數對比分析

1）傳統換熱過程

熱力網一次供水的能質系數為：

熱力網二次供水的能質系數為：

過程的?效率為：

以圖1中參數為例進行計算，當環境溫度取0℃時，130℃供水，該換熱過程的?效率為62．89%；當供水溫度降低至85℃時，該換熱過程的?效率提高至75．84%。可見，這種不可逆損失是由參與換熱的冷熱物流溫度不匹配導致傳熱溫差大所造成的。

2）吸收式換熱過程

吸收式換熱過程T-Q圖如圖1所示，一次網由于供水溫度較高，先作為溴化鋰吸收式熱泵熱源發生器的驅動熱源，然后經過板式換熱器與二次網給水加熱后，作為溴化鋰吸收式熱泵蒸發器的熱源后返回。二次網供水分三路加熱，一路通過板式換熱器加熱，第二路通過熱泵的冷凝器加熱，第三路通過熱泵的吸收器加熱。

圖1 普通換熱過程與吸收式換熱過程T-Q示意圖

依據上述計算公式，板式換熱器換熱的?效率為78．08%；吸收式熱泵換熱的?效率為77．74%；吸收式換熱過程整體?效率為77．88%。

因此，吸收式換熱過程較傳統的板式換熱過程熱力學完善度有所提高。從熱力學第一定律來看，熱流體大溫降所釋放的熱量全部換熱到冷側流體中；從熱力學第二定律來看，充分利用熱流體高溫段的有效能，作為驅動力，使低溫向高溫傳熱，進而降低回水溫度。

通過分析，當作為驅動力的一次網供水溫度越高，或二次網供回水溫度越低，則可以將一次網回水溫度降得更低，熱量的利用效率也會越高。

2 溴化鋰吸收式熱泵模型建立

2.1 溴化鋰吸收式熱泵模擬物性選擇

在進行溴化鋰熱力計算時，溴化鋰水溶液的比熱容、比焓及平衡方程尤為重要，結合相關研究文獻實驗數據[7]、關聯式計算數據[8]與Aspen Plus內置數據進行對比分析，確定了軟件內置物性數據的可靠性，誤差均在3%以內，模擬軟件的物性參數和計算值可以用來進行工程設計。根據電解質的性質，溴化鋰是一種極易溶于水的強電解質，Aspen Plus推薦采用ELECNRTL物性方法來進行計算，并選擇用軟件自帶的電解質導向（Elec Wizard），確定過程中的離子組分，主要電離反應如下：

2.2 模型搭建

1）流程描述

依據溴化鋰單效吸收式熱泵原則流程(見圖2)，大致可分為如下幾個過程：稀溶液的加壓和預熱過程（從點1-3）；發生器蒸汽發生過程（從點3-4/7）；濃溶液的換熱冷卻及節流過程（從點4-6）；吸收過程（從點6-1）；冷劑水循環過程（從點7-10）。

圖2 吸收式換熱流程圖

2）基本假設

a．忽略過程中的壓力損耗；忽略過程中的散熱損失。

b．模擬過程為穩態過程；吸收器簡化為混合及換熱兩個單元過程，前者為傳質過程，后者為傳熱過程。

c．各個換熱設施的平均傳熱溫差需保證在5℃以上。

3）模型搭建

Aspen Plus提供了多種不同的傳熱、傳質單元，由于軟件中沒有單獨的吸收器模塊，可采用Mixer和HeatX模塊進行組合替代，即水蒸氣和濃溶液先混合，混合過程吸收放熱，溶液溫度上升后再通過換熱器給二次網進水加熱；同樣，可采用HeatX和Flash2組合模塊模擬發生器，即一次網進水給稀溶液加熱，溶液溫度上升后進入閃蒸罐進行蒸發；濃溶液與稀溶液換熱、冷凝器、節流閥軟件中都有自帶的模塊來進行模擬，分別為HeatX和Valve。

結合本項目的數據，確定本次模擬運行的初始參數：溴化鋰稀溶液濃度初步確定為58%；冷凝器需要將40℃的熱水加熱至50℃，水蒸氣的出口狀態為飽和液相，在冷凝器平均傳熱溫差為6℃時，確定發生器的蒸發壓力為13．5 kPa；根據氣液相平衡，濃溶液液相溫度為100℃。為了保證熱網一次網回水溫度在20℃以下，蒸發溫度初步定為17．5℃，對應的飽和蒸汽壓力為2 kPa。根據以上初始數據搭建流程模擬模型，并進行模擬計算，Aspen Plus流程模擬流程見圖3。

圖3 吸收式換熱Aspen Plus流程模擬示意圖

2.3 靈敏度分析

1）提高一次網進水溫度

制熱系數COP隨一次網進水溫度的升高而增大；隨著一次網進水溫度升高，一次網出水溫度逐漸降低，濃溶液濃度逐漸增大，即：放氣范圍增大。提高一次網進水溫度相當于提高了發生器的蒸發能力，有利于提高系統供熱能力，見圖4。

圖4 一次網高溫熱水溫度對吸收式熱泵的影響

2）提高發生器壓力

隨著發生器壓力的升高，一次網出水溫度逐漸升高，濃溶液濃度逐漸下降，制熱系數COP逐漸下降，一次網總放熱量逐漸下降。提高發生器壓力相當于降低了發生器的蒸發能力，不利于系統供熱能力的提高，但也不是發生器壓力越低越好，發生器壓力過低將會影響冷凝器的冷凝溫度，不利于傳熱，且壓力低，濃溶液濃度會逐步增加，會出現結晶的風險。詳見圖5。

圖5 發生器壓力對吸收式熱泵的影響

3）改變稀溶液濃度

隨著稀溶液濃度的升高，一次網出水溫度逐漸升高，濃溶液濃度逐漸升高，制熱系數COP和一次網總放熱量逐漸下降。降低稀溶液濃度相當于提高發生器的蒸發能力，有利于提高系統供熱能力，但隨著稀溶液濃度降低將會降低吸收溫度，影響傳熱溫差。詳見圖6。

圖6 稀溶液濃度對吸收式熱泵的影響

3 結論

1）采用系統?分析方法可以有效地對吸收式熱泵進行評價分析，吸收式熱泵是一種系統?效率較高的換熱方式之一；

2）采用Aspen Plus可以對吸收式換熱器進行模擬計算；

3）提高一次網進水溫度、降低發生器壓力、降低稀溶液濃度可以提高熱泵COP值，并提高系統供熱能力。