太陽能溴化鋰吸收式熱泵應(yīng)用分析

匡勝嚴(yán)，侯俊杰，謝吉平，孫夏軍，歐翔

（遠(yuǎn)大空調(diào)有限公司，湖南長沙 410138）

0 引言

太陽能是公認(rèn)未來人類最合適、最安全、最綠色、最理想替代能源之一，具有取用方便、能量巨大、無污染、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。利用太陽能驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)一方面大大減少不可再生能源及電力資源消耗，另一方面較低的耗電減少了因燃燒煤等常規(guī)燃料發(fā)電帶來的環(huán)境污染問題，是當(dāng)前空調(diào)制冷技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1]。

早在1981年，GROSSMAN等[2]就提出采用太陽能為溴化鋰吸收式制冷機(jī)提供熱源，并在太陽能不足時(shí)采用其它形式的輔助能源。1998年BEST等[3]提出影響太陽能作為溴化鋰吸收式制冷機(jī)熱源的主要因素是環(huán)境，例如太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速等。BELLOS等[4]對(duì)于4種不同太陽能集熱器系統(tǒng)對(duì)比研究表明：真空集熱管是最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)；槽式集熱器系統(tǒng)?最佳。SOUSSI[5]對(duì)突尼斯某辦公樓采用雙效溴化鋰吸收式制冷進(jìn)行了研究，太陽能使用效率為25%～35%，機(jī)組COP介于0.65～1.29。AGRAWAL等[6]為印度哈默坡一座18.5 m×13 m×4.5 m的教室設(shè)計(jì)了一套太陽能單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，并用TRNSYS對(duì)該系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備選型進(jìn)行了模擬。

在國內(nèi)，1999年北京太陽能研究所在山東乳山建設(shè)了1座單效溴化鋰吸收式空調(diào)系統(tǒng)，夏季提供100 kW制冷量，冬季提供45 ℃生活熱水，系統(tǒng)制冷COP最高可達(dá)0.71[7]。2000年后，國內(nèi)吸收式技術(shù)和太陽能集熱技術(shù)快速發(fā)展，加速了太陽能空調(diào)產(chǎn)業(yè)化。遠(yuǎn)大空調(diào)有限公司研制了利用槽式太陽能集熱器驅(qū)動(dòng)、有燃?xì)鈧溆玫碾p效溴化鋰吸收式空調(diào)，在天津等地進(jìn)行了示范應(yīng)用[8]。北京天普、山東皇明、長沙遠(yuǎn)大和珠海興業(yè)等企業(yè)都建立了太陽能空調(diào)示范系統(tǒng)，已經(jīng)連續(xù)可靠運(yùn)行18個(gè)月，是國內(nèi)太陽能空調(diào)示范運(yùn)行最成功工程之一[9]。

在制冷領(lǐng)域，馬國強(qiáng)等[10]、王懷光等[11]和范介清等[12]分別對(duì)噴射式制冷、半導(dǎo)體制冷及吸附式制冷進(jìn)行了研究和報(bào)道。在供熱領(lǐng)域，丁力勤[13]和葉菁菁等[14]分別對(duì)太陽能和土壤源熱泵復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了模擬計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用分析。

以上太陽能研究主要集中在制冷上，對(duì)于太陽能供熱往往只是簡單進(jìn)行熱交換或其它供熱（土壤源或空氣源）方式進(jìn)行輔助供熱。當(dāng)太陽輻射比較弱，產(chǎn)生太陽能熱水溫度無法滿足采暖需求時(shí)，太陽能往往無法直接利用，大大降低了太陽能的利用率。針對(duì)上述問題，本文根據(jù)太陽能熱水的溫度制訂了不同的運(yùn)行模式，提出了采用燃?xì)怛?qū)動(dòng)溴化鋰吸收式熱泵回收太陽能低溫?zé)崴糜诓膳姆椒?，并研究分析了典型日太陽能熱泵運(yùn)行情況。

1 太陽能溴化鋰吸收式空調(diào)系統(tǒng)

太陽能溴化鋰吸收式空調(diào)系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)和溴化鋰吸收式空調(diào)系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。其基本流程為：集熱系統(tǒng)吸收太陽能熱量產(chǎn)生高溫?zé)崴蛘羝偻ㄟ^管道送入溴化鋰吸收式機(jī)組制冷，制取的冷水再經(jīng)泵送往空調(diào)末端。供熱時(shí)采用換熱器加熱采暖水。

1.1 太陽能集熱器

目前常見的太陽能集熱器有平板型、真空管型和聚焦型集熱器。平板型是當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣泛的集熱器，具有采光面積大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低等特點(diǎn)，但熱流密度低，集熱溫度一般不超過100 ℃。真空管型太陽能集熱器因吸熱體和玻璃管之間為真空，散熱損失小，可產(chǎn)生100 ℃以上熱量，熱效率較高，成本適中。聚焦型太陽能集熱器反射或折射方式形成焦面，接收器再將光能轉(zhuǎn)換為熱能，因此集熱溫度高，但成本較高[15]。

圖1為真空管式太陽能集熱系統(tǒng)，主要由真空管集熱器、油箱、板換、導(dǎo)熱油循環(huán)泵、保溫蓄熱罐、熱水泵及其它管道閥門組成。循環(huán)泵將導(dǎo)熱油（丙二醇）輸送至集熱器加熱后經(jīng)油箱至板換，形成集熱循環(huán)。導(dǎo)熱油最高供熱溫度240 ℃。板換的另一側(cè)為乙二醇防凍液，防凍液與導(dǎo)熱油換熱后產(chǎn)生80 ℃以上熱水，進(jìn)入蓄熱罐貯存，再經(jīng)熱媒水泵送入機(jī)組低溫發(fā)生器制冷。

圖1 太陽能溴化鋰吸收式空調(diào)系統(tǒng)

1.2 溴化鋰吸收式熱泵

溴化鋰吸收式熱泵是一種以熱能（蒸汽、燃?xì)?、高溫?zé)崴龋轵?qū)動(dòng)熱源、溴化鋰和水為工質(zhì)，通過回收低品位余熱熱量（如50 ℃以下低溫水等），制取滿足工藝或采暖用中高溫?zé)崴瑢?shí)現(xiàn)余熱回收利用、從低溫向高溫輸送熱能的供熱設(shè)備。

溴化鋰吸收式熱泵以單效循環(huán)為主，內(nèi)部流程如圖2所示。其運(yùn)行原理如下：來自冷凝器的冷劑水進(jìn)入蒸發(fā)器這個(gè)高真空環(huán)境中（2 kPa，絕壓），驟然蒸發(fā)，降溫至18 ℃，噴灑到換熱管上，使換熱管內(nèi)25 ℃的低溫水降溫至20 ℃。冷劑水吸收低溫水熱量變?yōu)樗羝?，被來自發(fā)生器的濃溶液吸收，放出熱量將中溫水由50 ℃加熱至54 ℃。變稀的溶液被泵送至發(fā)生器并被熱源加熱，產(chǎn)生水蒸汽和濃溶液。水蒸汽進(jìn)入冷凝器冷凝成水并放出熱量將中溫水由54 ℃加熱至60 ℃，冷劑水則進(jìn)入蒸發(fā)器再次蒸發(fā)吸收低溫水熱量。

溴化鋰吸收式熱泵中溫水的熱量主要來自于驅(qū)動(dòng)熱源熱量和低品位余熱的熱量，每輸入1份驅(qū)動(dòng)熱源可以回收約0.7份低品位余熱，輸出1.7份中溫?zé)崃?，是傳統(tǒng)鍋爐供熱效率的2倍。

溴化鋰吸收式熱泵與溴化鋰吸收式制冷機(jī)在原理和結(jié)構(gòu)上類似，只是在工況和使用目的不同。同一臺(tái)機(jī)組調(diào)整內(nèi)部壓力和溶液濃度在一定條件下可以實(shí)現(xiàn)兩種功能間轉(zhuǎn)換。

圖2 溴化鋰吸收式熱泵流程圖

1.3 太陽能溴化鋰吸收式熱泵

目前太陽能空調(diào)主要以單效熱水型溴化鋰吸收式機(jī)組為主。在實(shí)際應(yīng)用中為保證機(jī)組在太陽能無法提供熱源情況下也能正常滿足制冷需求，機(jī)組采用帶燃?xì)庋a(bǔ)燃功能的直燃熱水型機(jī)組，以保證制冷的穩(wěn)定性。

直燃熱水型機(jī)組通過內(nèi)外部閥門開閉可以實(shí)現(xiàn)制冷與熱泵功能相互切換。制冷流程如圖3所示。低溫發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器及吸收器運(yùn)轉(zhuǎn)，形成單效循環(huán)。太陽能高溫?zé)崴M(jìn)入低溫發(fā)生器驅(qū)動(dòng)機(jī)組運(yùn)行；冷水經(jīng)蒸發(fā)器對(duì)外供冷；冷卻水經(jīng)吸收器、冷凝器對(duì)外散熱。當(dāng)熱水制冷量不足時(shí)，在高溫發(fā)生器內(nèi)補(bǔ)充燃?xì)怛?qū)動(dòng)雙效循環(huán)。

直燃熱水型機(jī)組是一種單雙效相結(jié)合的溴化鋰吸收式冷水機(jī)組，熱水驅(qū)動(dòng)的單效循環(huán)制冷系數(shù)為0.7以上；燃?xì)怛?qū)動(dòng)的雙效循環(huán)制冷性能系數(shù)為1.3以上。

熱泵流程如圖4所示。機(jī)組內(nèi)部低溫發(fā)生器和冷凝器不運(yùn)轉(zhuǎn)，由高溫發(fā)生器、高溫冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器等組成單效循環(huán)。機(jī)組采用燃?xì)怛?qū)動(dòng)；太陽能低溫水進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)被機(jī)組回收熱量；中溫水（采暖水）經(jīng)吸收器、高溫冷凝器對(duì)外供熱。

圖3 制冷流程圖

圖4 制熱流程圖

2 系統(tǒng)動(dòng)行策略

太陽能溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)按照太陽能熱水品位，以余熱優(yōu)先利用的原則運(yùn)行，在太陽能不足的情況下采用燃?xì)庾鳛檩o助熱源。具體運(yùn)行策略如下。

夏季制冷工況：當(dāng)太陽能產(chǎn)生的熱水充足且能滿足空調(diào)需求時(shí)，采用熱水驅(qū)動(dòng)機(jī)組制冷；當(dāng)太陽能產(chǎn)生的熱水熱量少或者空調(diào)負(fù)荷比較大時(shí)，優(yōu)先采用熱水驅(qū)動(dòng)，不足部分采用燃?xì)庋a(bǔ)充；當(dāng)太陽能熱水溫度低或沒有時(shí)，直接采用燃?xì)庵评洹?/p>

為防止因熱水溫度太低從低溫發(fā)生器內(nèi)吸收熱量形成反作用，3種工況之間的切換通過熱水溫度與低溫發(fā)生器溶液溫度聯(lián)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)：當(dāng)熱水溫度高于溶液溫度時(shí)進(jìn)入機(jī)組制冷；當(dāng)熱水溫度低于溶液溫度時(shí)，切換三通閥，熱水不進(jìn)機(jī)組，在集熱系統(tǒng)自循環(huán)加熱，當(dāng)升溫到高于低溫發(fā)生器溶液一定溫度時(shí)進(jìn)入機(jī)組制冷。

冬季供熱工況：當(dāng)溫度高于供熱需求溫度（40 ℃左右），且供熱需求小時(shí)，太陽能熱水系統(tǒng)與采暖水通過換熱器換熱，機(jī)組不運(yùn)行；當(dāng)太陽能較弱時(shí)，機(jī)組采用熱泵模式運(yùn)行，燃?xì)怛?qū)動(dòng)機(jī)組回收太陽能產(chǎn)生的低溫水（15 ℃～35 ℃）熱量供熱，熱量不足時(shí)，在盡量回收太陽能熱量的同時(shí)增加燃?xì)庋a(bǔ)燃量。當(dāng)沒有太陽能時(shí)，機(jī)組切換成分隔式供熱模式，通過高溫發(fā)生器與高溫冷凝器組成真空鍋爐對(duì)外供熱。

3 太陽能溴化鋰吸收式熱泵性能

為研究各運(yùn)行模式下機(jī)組性能，選擇一臺(tái)BZDH30XD-R1直燃熱水型熱泵機(jī)組進(jìn)行測試（見圖5）。測試方法參考國標(biāo)GB/T 18362-2008《直燃型溴化鋰吸收式冷（溫）水機(jī)組》附錄A。在機(jī)組設(shè)計(jì)工況穩(wěn)定后對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，每隔20分鐘測1次，連續(xù)記錄不少于3次的平均值。

圖5 測試機(jī)組

機(jī)組共測試4種工況：單直燃制冷工況、直燃熱水制冷工況、熱泵工況以及分隔式制熱工況。機(jī)組制冷工況測試數(shù)據(jù)見表1。

機(jī)組測試的最大制冷量為350 kW。只采用燃?xì)怛?qū)動(dòng)時(shí)，機(jī)組的性能系數(shù)COP（制冷量/輸入能量）為1.41（燃?xì)鉄嶂蛋?.42 kW/(Nm3)計(jì)算）。

當(dāng)采用燃?xì)夂蜔崴p驅(qū)動(dòng)時(shí)，因?yàn)槿細(xì)鉃殡p效循環(huán)，機(jī)組制冷性能系數(shù)1.41；而熱水部分為單效循環(huán)，機(jī)組制冷性能系數(shù)僅為0.75，兩者綜合效率介于兩者之間，為1.16。熱水部分制冷量可根據(jù)太陽能熱水熱量確定，本測試機(jī)組熱水制冷量占總制冷量的25%。

表1 制冷工況測試數(shù)據(jù)

機(jī)組制熱工況測試數(shù)據(jù)如表2中所示。

機(jī)組熱泵工況測試供熱量425 kW，機(jī)組輸入的能量為249 kW（燃?xì)鉄崃颗c電力總和），低溫水回收熱量176 kW，機(jī)組的制熱效率COP（輸出熱量/輸入能量）為1.71，低溫水的熱量占總制熱量的41.4%。機(jī)組分隔式供熱工況時(shí)，機(jī)組制熱量269 kW，機(jī)組制熱效率93%。

表2 制熱工況測試數(shù)據(jù)

4 實(shí)際應(yīng)用分析

天津位于華北平原，屬于太陽能資源較豐富地區(qū)（二類），根據(jù)《全國各省市峰值日照時(shí)數(shù)查詢表》，天津市5～8月平均每天單位能量為5.48 kW?h/(m2?d)，11月至次年3月平均每天單位能量為3.31 kW?h/(m2?d)，適合采用太陽能制冷和供熱。

4.1 項(xiàng)目基本概況

天津市中北區(qū)某辦公樓，設(shè)計(jì)空調(diào)總冷負(fù)荷為650 kW，總熱負(fù)荷520 kW。項(xiàng)目中采用真空管式太陽能集熱器收集太陽能熱量。太陽能集熱器架設(shè)在屋頂，共由120組真空管式集熱管組成，每組采光面積為3.3 m2，集熱效率60%。

項(xiàng)目采用兩臺(tái)BZDH30XD型直燃熱水型溴化鋰吸收式機(jī)組，其中一臺(tái)具備制冷和采暖功能，另一臺(tái)具備制冷和熱泵功能。熱泵機(jī)組為第3部分的測試機(jī)組，性能參數(shù)詳見表1、2。

4.2 典型日動(dòng)行數(shù)據(jù)

選擇晴朗天氣對(duì)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行測試分析。低溫水進(jìn)出口溫度、中溫水進(jìn)出口溫度通過機(jī)組上的溫度傳感器測得；燃?xì)饬髁客ㄟ^機(jī)組流量計(jì)測得。數(shù)據(jù)記錄從8:00開始，每隔20分鐘記錄1次，直至17:00機(jī)組停機(jī)。

圖6依次記錄了室外溫度、低溫水出口溫度和中溫水出口溫度3組數(shù)據(jù)。測試當(dāng)天天氣晴朗，少云，太陽輻射充足，室外溫度在-6 ℃～3 ℃間波動(dòng)。低溫水出口溫度開始運(yùn)行的前2 h內(nèi)逐漸從32 ℃降低至14 ℃，主要是因?yàn)闄C(jī)組運(yùn)行時(shí)，蓄熱水罐內(nèi)儲(chǔ)存了一定量的熱水，溫度較高，機(jī)組運(yùn)行過程中不斷吸收蓄熱水罐內(nèi)熱水熱量，再加上早晨太陽輻射弱，以斜射為主，太陽能熱量非常有限，造成低溫水溫度下降。10:00～16:00，太陽輻射逐漸增強(qiáng)，太陽能水的溫度由14 ℃逐漸升高至36 ℃，說明太陽能集熱器回收的熱量大于機(jī)組余熱回收量，造成太陽能過剩。當(dāng)16:00以后，太陽斜射，集熱器回收太陽能熱量的能力減弱，太陽能提供的熱量小于熱泵的吸熱量，低溫水的出口溫度開始下降。從整體趨勢來看，低溫水的出口溫度與太陽輻射強(qiáng)度直接相關(guān)。

圖6 溫度隨時(shí)間變化趨勢

根據(jù)記錄的溫度與流量通過計(jì)算得出每個(gè)時(shí)間段太陽能熱水回收量、燃?xì)饬恳约肮崃块g的關(guān)系如圖7所示。機(jī)組運(yùn)行可以分為4個(gè)時(shí)期：初始期、過渡期、穩(wěn)定期及稀釋停機(jī)期。

機(jī)組在運(yùn)行初始期（8:00～9:00），由于內(nèi)部溶液處于冷態(tài)，需要消耗更多的燃?xì)馐谷芤荷郎?，同時(shí)建筑剛開始采暖，熱負(fù)荷大，機(jī)組除回收太陽能熱量外，需要燃?xì)庋a(bǔ)充更多的熱量。此時(shí)機(jī)組供熱量為485 kW，燃?xì)馓峁?28 kW，機(jī)組制熱性能系數(shù)COP為1.48，低于機(jī)組的設(shè)計(jì)COP值。機(jī)組運(yùn)行到過渡期（9:00～10:00），由于太陽能回收的熱量少，低溫水的溫度不斷下降，而供熱溫度不斷上升，對(duì)于機(jī)組而言都是不利因素，機(jī)組的制熱性能系數(shù)COP為1.52。當(dāng)機(jī)組達(dá)到穩(wěn)定期（10:00～16:00），太陽能充足，低溫水溫度緩慢上升，供熱需求量穩(wěn)定，機(jī)組制熱性能系數(shù)由1.62逐漸升高至1.72，基本達(dá)到額定設(shè)計(jì)COP。當(dāng)機(jī)組處于稀釋停機(jī)期（16:00～17:00）時(shí)，機(jī)組利用內(nèi)部存留的冷劑水回收熱量，同時(shí)補(bǔ)充少量天然氣驅(qū)動(dòng)，機(jī)組處于節(jié)能運(yùn)行階段，制熱性能系數(shù)COP達(dá)到2.15。

從最終統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來看，運(yùn)行當(dāng)天機(jī)組從太陽能中回收的熱量為1,230 kW，消耗的燃?xì)鉄崃繛?,949 kW，提供了3,179 kW熱量，運(yùn)行一天的平均制熱系數(shù)為1.63，機(jī)組運(yùn)行節(jié)能率38.7%。

圖7 熱量隨時(shí)間變化趨勢

5 結(jié)語

太陽能熱水驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式機(jī)組制冷已有成熟的應(yīng)用，而溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組則兼具太陽能熱水制冷和低溫太陽能熱水回收功能，為冬季太陽能采暖提供了新的模式和思路。本文得出的主要結(jié)論如下。

1）采用溴化鋰吸收式機(jī)組，通過輔助熱源的形式，同時(shí)根據(jù)太陽能熱水溫度，制訂的3種制冷模式包括熱水制冷、直燃熱水制冷和直燃制冷，3種供熱模式包括熱水換熱供熱、熱泵供熱和分隔式供熱，解決了太陽能不穩(wěn)定的問題。

2）直燃熱水型溴化鋰吸收式機(jī)組通過內(nèi)外部閥門間的開閉實(shí)現(xiàn)制冷功能與熱泵功能的切換，提高了設(shè)備和太陽能利用率、降低了能源消耗。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，在熱泵工況下，機(jī)組的制熱效率為1.71，節(jié)能率為41.4%。

3）實(shí)際案例典型日運(yùn)行數(shù)據(jù)分析表明：熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)隨著太陽能輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)而升高，平均制熱系數(shù)可以達(dá)到1.63，當(dāng)天回收1,230 kW熱量，相當(dāng)于節(jié)省130.6 m3燃?xì)?，?jié)能率為38.7%。

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