吸收式熱泵-太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)性能影響因素研究

蕭震宇

（山東建筑大學(xué)設(shè)計集團(tuán)有限公司）

受地理環(huán)境和氣候因素的影響，供熱系統(tǒng)在我國北方的冬春季應(yīng)用范圍廣泛。 然而由于我國北方的供暖方式通常采用化石燃料作為供熱能源，容易造成極大的資源浪費。 近年來，隨著社會和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展太陽能區(qū)域供熱的太陽能集熱器技術(shù)日漸成熟，為北方供暖系統(tǒng)帶來了新的發(fā)展。 如高亞南等通過分析太陽能供熱系統(tǒng)的影響因素和供熱規(guī)律，設(shè)計了一種用于辦公樓的供熱系統(tǒng)，為太陽能供熱系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論依據(jù)［1］。 劉仙萍等以夏熱冬冷地區(qū)的典型居住建筑為例，利用TRNSYS軟件研究光伏/光熱-地源熱泵（PV/T-GSHP）聯(lián)合供熱系統(tǒng)的運行性能和主要設(shè)計參數(shù)對聯(lián)合供熱系統(tǒng)運行性能的影響，認(rèn)為PV/T組件面積、地埋管間距和地埋管長度對供熱系統(tǒng)運行性能具有影響， 通過設(shè)置以上參數(shù)，可提高供熱系統(tǒng)的性能［2］。 賀冬辰等設(shè)計了一種太陽能-第二類吸收式熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)， 并利用TRNSYS軟件和MATLAB軟件構(gòu)建了仿真模型，從數(shù)值上分析了供熱系統(tǒng)的性能，認(rèn)為其所設(shè)計的供熱系統(tǒng)具有一定的有效性和可行性［3］。 通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，基于太陽能的供熱系統(tǒng)已取得一定成效，一定程度上解決了我國北方地區(qū)產(chǎn)生的資源浪費問題。 但劉遲等認(rèn)為，現(xiàn)有基于太陽能的供熱系統(tǒng)整體供熱能力有待提高［4］。因此，為解決該問題， 本研究以吸收式熱泵-太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)為研究對象，通過分析其性能影響因素，達(dá)到提高供熱系統(tǒng)供熱能力的目的。

1 系統(tǒng)原理

本研究采用的聯(lián)合供熱系統(tǒng)主要包括太陽能集熱系統(tǒng)、太陽能供熱系統(tǒng)和吸收式熱泵系統(tǒng)3個部分［5］。聯(lián)合供熱系統(tǒng)的熱源和系統(tǒng)中吸收式熱泵的驅(qū)動熱源均為聚光型太陽能集熱陣列，其集熱溫度為80～250 ℃，傳熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油。

考慮到聯(lián)合系統(tǒng)中太陽能的供熱原理，只有在太陽輻射強(qiáng)度夠強(qiáng)時運行，故本研究中聯(lián)合供熱系統(tǒng)分為晝間和夜間兩種工作模式，并通過溫差控制法自動切換工作模式［6］。當(dāng)平板集熱器出口溫度與蓄熱水箱平均溫度差達(dá)到設(shè)定值時，說明太陽輻射強(qiáng)度足夠強(qiáng)，聯(lián)合供熱系統(tǒng)的太陽能供熱系統(tǒng)運行； 反之， 太陽能供熱系統(tǒng)停止運行。

2 吸熱式熱泵-太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)熱力模型構(gòu)建

2.1 聯(lián)合供熱系統(tǒng)熱量平衡關(guān)系

在本聯(lián)合供熱系統(tǒng)運行的過程中，其熱量平衡關(guān)系［7］如下：

其中，Q1（τ）、Q2（τ）、Q3（τ）、Q4（τ）、Q5（τ）分別為τ時刻平板集熱器熱量、聚光型集熱器熱量、蓄熱水箱蓄熱量，系統(tǒng)供熱量、熱量損失量。

2.2 聯(lián)合供熱系統(tǒng)熱量關(guān)系

參考相關(guān)理論和經(jīng)驗［8］，聚光型集熱器熱量關(guān)系Q1可表示為：

式中 c1——傳熱介質(zhì)比熱容，kJ/（kg·K）；

m0——進(jìn)入蓄熱水箱3的吸熱介質(zhì)流量，kg/s；

T0、T11——進(jìn)入、離開蓄熱水箱3的吸熱介質(zhì)溫度，℃。

由于聚光型集熱器所集的熱量分別存儲于蓄熱水箱和供熱系統(tǒng)中［9］，因此存在：

式中 Q2——系統(tǒng)用熱量，kJ；

Q33——存儲于蓄熱水箱3的蓄熱量，kJ。

其中Q2可表示為：

式中 c2——發(fā)生器驅(qū)動介質(zhì)比熱容，kJ/（kg·K）；

m1——進(jìn)入吸收式熱泵的流量，kg/s；

T1、T10——進(jìn)入吸收熱泵和蓄熱水箱3的驅(qū)動熱源溫度，℃。

式中 c3——系統(tǒng)供水的比熱容，kJ/（kg·K）；

m3——進(jìn)入蒸發(fā)器的流量，kg/s；

Q32——存儲于蓄熱水箱2的熱量，kJ；

T1、T2——驅(qū)動介質(zhì)進(jìn)入和離開發(fā)生器的溫度，℃；

T7、T8——進(jìn)入蓄熱水箱2和吸收熱泵的回水溫度，℃。

平板集熱器的集熱量Q4可用溫度變化表示，即：

式中 c4——平板集熱器的傳熱機(jī)制比熱容，kJ/（kg·K）；

m4——進(jìn)入平板集熱器的吸熱介質(zhì)流量，kg/s；

T4——吸熱介質(zhì)溫度，℃；

T12——進(jìn)入蓄熱水箱1的吸熱介質(zhì)溫度，℃。

考慮一部分熱量存儲于蓄熱水箱1中［11］，因此Q4又表示為：

式中 Q31——存儲于蓄熱水箱1的熱量，kJ；T5——聯(lián)合系統(tǒng)供熱回水溫度，℃。

吸收式熱泵集熱量包括吸收器放熱量Qa和冷凝器放熱量Qk、 蒸發(fā)器吸熱量Qe和單位功率下的制熱量COP［12，13］。 其中Qa、Qk、Qe、COP為：

式中 m8、m9——進(jìn)入系統(tǒng)供熱、 冷卻器的回水流量，kg/s；

T3——從蓄熱水箱1進(jìn)入蒸發(fā)器的吸熱介質(zhì)溫度，℃；

T6——流出冷凝器的系統(tǒng)供熱水的溫度，℃；

T9——從吸收器進(jìn)入冷凝器的系統(tǒng)供熱回水溫度，℃。

3 仿真實驗

3.1 仿真環(huán)境搭建

本次仿真采用TRNSYS軟件建立吸收式熱泵驅(qū)動太陽能供熱系統(tǒng)的仿真模型，并根據(jù)系統(tǒng)原理連接各個模塊，設(shè)置各個模塊的參數(shù)，包括氣象、控制器、水泵等參數(shù)，具體見表1。 然后基于TRNSYS外部接口與MATLAB軟件進(jìn)行連接［14，15］。

表1 供熱系統(tǒng)TRNSYS仿真模型模塊

3.2 仿真條件設(shè)置

本次仿真以山東濟(jì)南地區(qū)11月15日至次年3月15日供熱系統(tǒng)為研究對象，對供熱系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行分析。 濟(jì)南地區(qū)研究時間段內(nèi)氣象參數(shù)如圖1所示。

圖1 濟(jì)南地區(qū)氣象參數(shù)

設(shè)定平板集熱器、集光型集熱器、吸熱式熱泵發(fā)生器的介質(zhì)分別為水、 熱油和丁二醇水溶液；區(qū)域供熱系統(tǒng)的回水溫度設(shè)定為40 ℃；供熱系統(tǒng)無輔助熱源設(shè)備； 蓄熱水箱為夜間供熱熱源；吸熱式熱泵制冷劑流量為定值。

3.3 評價指標(biāo)

本次仿真評價指標(biāo)包括平板集熱器集熱效率、太陽能利用率、系統(tǒng)供熱量。 其中，平板集熱器集熱效率η的計算式為：

式中 Ap——平板集熱器面積；

Ie——聚光比大于10的直射輻射強(qiáng)度；

Qu——集熱器獲得的有用能量。

供熱系統(tǒng)供熱量Qo為：

式中 Tg——系統(tǒng)供水溫度，℃；

Th——系統(tǒng)回水溫度，℃。

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1 平板集熱器面積對聯(lián)合供熱系統(tǒng)性能的影響

圖2為不同平板集熱器面積比Φ下的系統(tǒng)性能。 由圖可以看出，隨著平板集熱器面積比Φ的增大，聚光型集熱器的進(jìn)口溫度逐步增大，系統(tǒng)供熱溫度、集熱效率、供熱量逐漸減小，驅(qū)動溫度逐漸降低；當(dāng)Φ由2增大到10時，聚光型集熱器的進(jìn)口溫度提高了10 ℃，達(dá)到36 ℃，供熱溫度下降了20 ℃，為57 ℃，集熱效率下降了0.08，為0.31，供熱量下降了240 kW， 為553 kW。 分析其原因是，Φ增大， 平板集熱器面積減小， 其集熱量減少，導(dǎo)致驅(qū)動式熱泵驅(qū)動溫度和供熱量、吸熱量均降低，進(jìn)而使集熱器回水溫度升高，供熱溫度和系統(tǒng)性能降低。

圖2 不同Φ對供熱系統(tǒng)性能的影響

3.4.2 平板集熱器水流量對聯(lián)合供熱系統(tǒng)性能的影響

為分析平板集熱器流量對供熱系統(tǒng)性能的影響，設(shè)θ為不同平板集熱器水流量與面積之比，觀察供熱系統(tǒng)的性能， 結(jié)果如圖3所示。 由圖可知， 隨著θ的增加聚光型集熱器進(jìn)口溫度不斷增大，集熱效率、供熱溫度、系統(tǒng)供熱量和吸收式熱泵發(fā)生器驅(qū)動溫度逐漸減小。

圖3 不同θ對供熱系統(tǒng)性能的影響

3.4.3 吸收式熱泵容量對聯(lián)合供熱系統(tǒng)性能的影響

圖4為不同吸收式熱泵容量γ下的系統(tǒng)性能。由圖可知， 聚光型集熱器的進(jìn)口溫度與γ反向相關(guān)，系統(tǒng)供熱溫度、集熱效率、系統(tǒng)供熱量以及進(jìn)出口吸收式熱泵溫差與γ正向相關(guān)。 分析其原因可知，γ增大，吸收式熱泵容量增大，其輸出的熱量和從不同熱源處吸收的熱量增加，進(jìn)而提高了系統(tǒng)性能。

圖4 不同γ對供熱系統(tǒng)性能的影響

3.4.4 蓄熱水箱容積對聯(lián)合供熱系統(tǒng)性能的影響

圖5中δ為不同蓄熱水箱容積與平板集熱器面積之比。 分析不同δ下供熱系統(tǒng)的性能可知，隨著δ增加，聚光型集熱器進(jìn)口溫度逐漸增加，系統(tǒng)供熱溫度、集熱效率、系統(tǒng)供熱量、驅(qū)動溫度逐漸降低；當(dāng)δ由0.08增加到0.24時，聚光型集熱器的進(jìn)口溫度從27 ℃上升到34 ℃，系統(tǒng)供熱溫度下降了7 ℃，至59 ℃，集熱效率下降了0.04，為0.34，供熱量下降了30 kW， 為800 kW， 驅(qū)動溫度下降至124 ℃左右。

圖5 不同δ對供熱系統(tǒng)性能的影響

4 結(jié)束語

吸收式熱泵-太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)性能受多種干擾因素影響，包括平板集熱器的面積和介質(zhì)水流量、吸收式熱泵容量、蓄熱水箱容積。 其中，增大平板集熱面積和吸收式熱泵容量或減小平板集熱器流量和蓄熱水箱容積，可增加供熱系統(tǒng)供熱溫度和供熱量，進(jìn)而提升供熱性能。 本研究雖取得一定成果，但由于條件限制，并未確定供熱系統(tǒng)的最佳配置和運行參數(shù)，且未探討實際工況下供熱系統(tǒng)的性能。 因此，下一步研究從以上不足之處進(jìn)一步完善研究。