基于MATLAB的吸收式太陽能熱泵系統(tǒng)仿真與性能分析

孫 梅，劉忠晨

（1.山東建筑大學 信息與電氣工程學院，濟南 250101；2.山東省智能建筑技術(shù)重點實驗室，濟南 250101）

隨著全球能源危機凸顯，各國迫切需要進行能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，發(fā)展節(jié)能低碳型非常規(guī)新能源，減少能源消耗、提高能源利用效率成為關注焦點[1]。太陽能因具有安全性能好、綠色天然無公害、可再生等優(yōu)點，得到了更為普遍的應用[2]。應用吸收式太陽能熱泵系統(tǒng)既可減少不可再生能源的消耗，又可降低常規(guī)能源造成的環(huán)境污染[3]，其研究得到了廣泛關注。S.JEONG等[4]運用數(shù)值模擬預測了吸收式熱泵回收廢熱的瞬態(tài)運行特性，詳細研究了傳熱介質(zhì)的溫度和質(zhì)量流速、系統(tǒng)部件的傳熱面積、溶液循環(huán)率對系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果表明，增加驅(qū)動蒸汽溫度、余熱溫度及熱水、廢水質(zhì)量流速，可獲得更高的加熱能力；SOUSSI等[5]對太陽能輔助冷卻系統(tǒng)的模型進行了性能評估和實驗分析；BELLOS等[6]利用工程求解器EES測試了四種不同的太陽能集熱器對系統(tǒng)性能的影響；ATIZ等[7]對低溫地熱資源和太陽能的綜合集成系統(tǒng)的能量和發(fā)電性能進行了概念研究；彭爍等[8]創(chuàng)建了第二類吸收式熱泵的數(shù)學模型，探究了影響吸收式熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)、循環(huán)倍率和放氣范圍的主要因素；姚劍等[9]對太陽能耦合PV/T直膨式熱泵系統(tǒng)進行建模分析，認為降低PV背板溫度可提高熱泵效率。

目前，針對吸收式熱泵系統(tǒng)的研究主要集中在太陽能集熱器模型建立、熱力學方向研究、混合溶液工質(zhì)的研究、吸收式制冷循環(huán)的研究及吸收式制冷與安全性能源的結(jié)合等方面[10-13]。本文擬在上述研究的基礎上，對吸收式太陽能熱泵系統(tǒng)原理進行分析，根據(jù)質(zhì)量守恒和能量平衡方程，利用MATLAB軟件建立太陽能驅(qū)動的吸收式熱泵系統(tǒng)數(shù)學模型，探究蒸發(fā)溫度、發(fā)生溫度、冷凝溫度及環(huán)境溫度對系統(tǒng)性能的影響。

1 吸收式太陽能熱泵系統(tǒng)原理及系統(tǒng)介紹

1.1 吸收式太陽能熱泵系統(tǒng)工作原理

太陽能驅(qū)動的吸收式熱泵系統(tǒng)主要由太陽能供熱和吸收式循環(huán)兩部分組成，系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 吸收式太陽能熱泵系統(tǒng)原理

圖1 中，系統(tǒng)平臺為R134a-DMF工質(zhì)系統(tǒng)，以R134a為制冷劑，DMF為吸收劑。系統(tǒng)工作原理為：發(fā)生器內(nèi)的R134a-DMF二元混合稀溶液由太陽能供熱汽化，產(chǎn)出R134a蒸汽進入冷凝器，冷凝為液態(tài)的R134a溶液經(jīng)節(jié)流閥進入蒸發(fā)器，由蒸發(fā)器低壓作用變?yōu)闅鈶B(tài)后進入吸收器；同時，發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生的混合濃溶液進入換熱器，經(jīng)節(jié)流閥送至吸收器，與氣態(tài)R134a溶液混合，變?yōu)槎∪芤海a(chǎn)生的R134a-DMF稀溶液通過溶液循環(huán)泵進入熱交換器，再進入發(fā)生器，完成一次循環(huán)。

1.2 物性計算

R134a-DMF二元溶液的熱物性參數(shù)主要包括：溶液溫度T、壓力P、濃度X、焓h、質(zhì)量分數(shù)m、密度ρ、定壓比熱容Cp等，根據(jù)文獻[14，15]可得到溶液熱物性參數(shù)關系式。

溶液平衡方程反映平衡態(tài)R134a-DMF溶液溫度T、壓力P和濃度X的關系，即f（T，P，X）=0。R134a-DMF二元混合溶液平衡方程為

其中，T和T1分別表示壓力為P時，混合溶液的飽和溫度和露點溫度；X表示溶液濃度，Ai和Bi為回歸系數(shù)。

R134a-DMF二元混合溶液焓-濃度方程為

2 模型建立與參數(shù)設置

2.1 模型構(gòu)建

為簡化計算過程，建模過程作以下假設：

（1）系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定工作狀態(tài)；

（2）忽略管壁和設備的壓力損失及散熱損失；

（3）系統(tǒng)主要部件出口的工質(zhì)均為飽和液體；

（4）各部件出口處工質(zhì)達到熱力平衡狀態(tài)；

（5）泵功忽略不計。

吸收式太陽能熱泵系統(tǒng)質(zhì)量守恒方程為

能量平衡方程為

各組成設備主要性能參數(shù)：

蒸發(fā)器熱負荷

冷凝器熱負荷

發(fā)生器熱負荷

吸收器熱負荷

熱交換器能量平衡方程為

其中，m為機組各設備進出口流體的質(zhì)量流量，單位是kg/h；XL和XH為表示熱泵系統(tǒng)中混合稀溶液和濃溶液的濃度（%）；h為各設備進出口流體的焓，單位是kJ/kg；T為溫度，單位℃；cp為定壓比熱容。

2.2 參數(shù)設置與系統(tǒng)評價

采用MATLAB對吸收式太陽能熱泵系統(tǒng)進行仿真模擬，系統(tǒng)流程見圖2，各設備初始參數(shù)及系統(tǒng)各點的狀態(tài)參數(shù)見表1和表2。

圖2 系統(tǒng)仿真流程

表1 各設備初始參數(shù)

表2 系統(tǒng)各點狀態(tài)參數(shù)

系統(tǒng)評價指標為系統(tǒng)能效比（COP），即吸收式太陽能熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器熱負荷Qeva與發(fā)生器熱負荷Qgen的比值，計算公式為

3 結(jié)果分析

為研究主要換熱部件的溫度變化對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響，在不同工況條件下對吸收式太陽能熱泵系統(tǒng)進行模擬，分別改變蒸發(fā)溫度Te、冷凝溫度Tc、發(fā)生溫度Tg和環(huán)境溫度Tout，觀察系統(tǒng)運行達到穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)性能（COP）的變化情況。輸入輸出變量的參數(shù)范圍見表3。

表3 變量變化范圍

圖3給出了不同冷凝溫度下，環(huán)境溫度Tout從28.5℃變化至32.5℃時，系統(tǒng)COP的變化情況。由圖3可看出，隨著環(huán)境溫度Tout升高，系統(tǒng)性能系數(shù)提高。這是因為：環(huán)境溫度影響冷凝器的冷凝效率和吸收器風冷機的換熱量，進而影響系統(tǒng)性能系數(shù)COP；環(huán)境溫度越高，冷凝器壓力越高，可以保證與空氣進行換熱；溶液降溫，使蒸發(fā)器返回的蒸汽制冷劑能充分溶解至溶液。

圖3 環(huán)境溫度變化對系統(tǒng)性能的影響

圖4 給出了不同冷凝溫度下，系統(tǒng)COP隨發(fā)生溫度Tg變化的情況。由圖4可以看出，冷凝溫度不變時，隨著發(fā)生溫度Tg升高，系統(tǒng)性能系數(shù)降低，發(fā)生溫度一定時，冷凝溫度Tc越低，COP越高。這是因為：發(fā)生溫度升高，發(fā)生壓力隨之升高，在其他條件不變時，發(fā)生器出口濃溶液濃度減少，發(fā)生器汽化制冷劑蒸汽的能力下降，系統(tǒng)COP隨之下降。同樣，由于發(fā)生器和冷凝器相同，冷凝溫度降低，冷凝壓力降低，發(fā)生器壓力隨之降低，在其他條件不變時，發(fā)生器汽化制冷劑蒸汽能力提升，出口處溶液濃度增高，系統(tǒng)COP增高。

圖4 發(fā)生溫度變化對系統(tǒng)性能的影響

在不同的冷凝溫度下，能效比（COP）隨蒸發(fā)溫度Te變化的情況如圖5。由圖5可看出，在冷凝溫度不變時，COP隨蒸發(fā)溫度升高而提高。這是因為：蒸發(fā)溫度Te升高，蒸發(fā)壓力Pe加大，吸收壓力也隨之增加，稀溶液濃度下降，使得循環(huán)倍率降低，進而造成制冷量增加，系統(tǒng)性能系數(shù)增加。

圖5 蒸發(fā)溫度變化對系統(tǒng)性能的影響

4 結(jié) 論

對太陽能驅(qū)動的吸收式熱泵的性能影響因素進行模擬與分析，以系統(tǒng)能效比（COP）為性能評價指標，著重研究了發(fā)生溫度、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度及環(huán)境溫度對吸收式太陽能熱泵系統(tǒng)性能（COP）的影響，主要結(jié)論如下：

（1）在其他工況條件不變的情況下，系統(tǒng)性能系數(shù)COP隨環(huán)境溫度、蒸發(fā)溫度升高而升高，隨冷凝溫度、發(fā)生溫度的升高而降低，COP最高可達0.53。

（2）利用MATLAB建立吸收式太陽能熱泵系統(tǒng)數(shù)學模型，對影響制冷效果的主要因素進行熱力學分析，為吸收式太陽能熱泵系統(tǒng)能效的提高和后續(xù)的優(yōu)化控制奠定了基礎。

（3）建立的吸收式太陽能熱泵系統(tǒng)系統(tǒng)模型，雖對影響系統(tǒng)性能效果的主要因素進行熱力學分析，但只考慮了溫度因素，未深入考慮壓力及質(zhì)量流量等因素，同時，對太陽能集熱器驅(qū)動熱源模塊的影響也未考慮，有待進一步研究。