太陽能溴化鋰吸收式熱泵應用分析

匡勝嚴，侯俊杰，謝吉平，孫夏軍，歐翔

（遠大空調有限公司，湖南長沙 410138）

0 引言

太陽能是公認未來人類最合適、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、安全性好等優點。利用太陽能驅動空調系統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燃料發電帶來的環境污染問題，是當前空調制冷技術領域研究的熱點[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提供熱源，并在太陽能不足時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熱源的主要因素是環境，例如太陽輻射強度、風速等。BELLOS等[4]對于4種不同太陽能集熱器系統對比研究表明：真空集熱管是最經濟的技術；槽式集熱器系統?最佳。SOUSSI[5]對突尼斯某辦公樓采用雙效溴化鋰吸收式制冷進行了研究，太陽能使用效率為25%～35%，機組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的教室設計了一套太陽能單效溴化鋰吸收式制冷系統，并用TRNSYS對該系統各個設備選型進行了模擬。

在國內，1999年北京太陽能研究所在山東乳山建設了1座單效溴化鋰吸收式空調系統，夏季提供100 kW制冷量，冬季提供45 ℃生活熱水，系統制冷COP最高可達0.71[7]。2000年后，國內吸收式技術和太陽能集熱技術快速發展，加速了太陽能空調產業化。遠大空調有限公司研制了利用槽式太陽能集熱器驅動、有燃氣備用的雙效溴化鋰吸收式空調，在天津等地進行了示范應用[8]。北京天普、山東皇明、長沙遠大和珠海興業等企業都建立了太陽能空調示范系統，已經連續可靠運行18個月，是國內太陽能空調示范運行最成功工程之一[9]。

在制冷領域，馬國強等[10]、王懷光等[11]和范介清等[12]分別對噴射式制冷、半導體制冷及吸附式制冷進行了研究和報道。在供熱領域，丁力勤[13]和葉菁菁等[14]分別對太陽能和土壤源熱泵復合系統進行了模擬計算和實際應用分析。

以上太陽能研究主要集中在制冷上，對于太陽能供熱往往只是簡單進行熱交換或其它供熱（土壤源或空氣源）方式進行輔助供熱。當太陽輻射比較弱，產生太陽能熱水溫度無法滿足采暖需求時，太陽能往往無法直接利用，大大降低了太陽能的利用率。針對上述問題，本文根據太陽能熱水的溫度制訂了不同的運行模式，提出了采用燃氣驅動溴化鋰吸收式熱泵回收太陽能低溫熱水用于采暖的方法，并研究分析了典型日太陽能熱泵運行情況。

1 太陽能溴化鋰吸收式空調系統

太陽能溴化鋰吸收式空調系統主要由太陽能集熱系統和溴化鋰吸收式空調系統兩部分組成，如圖1所示。其基本流程為：集熱系統吸收太陽能熱量產生高溫熱水或蒸汽，再通過管道送入溴化鋰吸收式機組制冷，制取的冷水再經泵送往空調末端。供熱時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。平板型是當今世界上應用最廣泛的集熱器，具有采光面積大、結構簡單、工作可靠、成本低等特點，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，主要由真空管集熱器、油箱、板換、導熱油循環泵、保溫蓄熱罐、熱水泵及其它管道閥門組成。循環泵將導熱油（丙二醇）輸送至集熱器加熱后經油箱至板換，形成集熱循環。導熱油最高供熱溫度240 ℃。板換的另一側為乙二醇防凍液，防凍液與導熱油換熱后產生80 ℃以上熱水，進入蓄熱罐貯存，再經熱媒水泵送入機組低溫發生器制冷。

圖1 太陽能溴化鋰吸收式空調系統

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、燃氣、高溫熱水等）為驅動熱源、溴化鋰和水為工質，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熱水，實現余熱回收利用、從低溫向高溫輸送熱能的供熱設備。

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

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

溴化鋰吸收式熱泵與溴化鋰吸收式制冷機在原理和結構上類似，只是在工況和使用目的不同。同一臺機組調整內部壓力和溶液濃度在一定條件下可以實現兩種功能間轉換。

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

目前太陽能空調主要以單效熱水型溴化鋰吸收式機組為主。在實際應用中為保證機組在太陽能無法提供熱源情況下也能正常滿足制冷需求，機組采用帶燃氣補燃功能的直燃熱水型機組，以保證制冷的穩定性。

直燃熱水型機組通過內外部閥門開閉可以實現制冷與熱泵功能相互切換。制冷流程如圖3所示。低溫發生器、冷凝器、蒸發器及吸收器運轉，形成單效循環。太陽能高溫熱水進入低溫發生器驅動機組運行；冷水經蒸發器對外供冷；冷卻水經吸收器、冷凝器對外散熱。當熱水制冷量不足時，在高溫發生器內補充燃氣驅動雙效循環。

直燃熱水型機組是一種單雙效相結合的溴化鋰吸收式冷水機組，熱水驅動的單效循環制冷系數為0.7以上；燃氣驅動的雙效循環制冷性能系數為1.3以上。

熱泵流程如圖4所示。機組內部低溫發生器和冷凝器不運轉，由高溫發生器、高溫冷凝器、蒸發器、吸收器等組成單效循環。機組采用燃氣驅動；太陽能低溫水進入蒸發器內被機組回收熱量；中溫水（采暖水）經吸收器、高溫冷凝器對外供熱。

圖3 制冷流程圖

圖4 制熱流程圖

2 系統動行策略

太陽能溴化鋰吸收式熱泵系統按照太陽能熱水品位，以余熱優先利用的原則運行，在太陽能不足的情況下采用燃氣作為輔助熱源。具體運行策略如下。

夏季制冷工況：當太陽能產生的熱水充足且能滿足空調需求時，采用熱水驅動機組制冷；當太陽能產生的熱水熱量少或者空調負荷比較大時，優先采用熱水驅動，不足部分采用燃氣補充；當太陽能熱水溫度低或沒有時，直接采用燃氣制冷。

為防止因熱水溫度太低從低溫發生器內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生器溶液溫度聯動來實現：當熱水溫度高于溶液溫度時進入機組制冷；當熱水溫度低于溶液溫度時，切換三通閥，熱水不進機組，在集熱系統自循環加熱，當升溫到高于低溫發生器溶液一定溫度時進入機組制冷。

冬季供熱工況：當溫度高于供熱需求溫度（40 ℃左右），且供熱需求小時，太陽能熱水系統與采暖水通過換熱器換熱，機組不運行；當太陽能較弱時，機組采用熱泵模式運行，燃氣驅動機組回收太陽能產生的低溫水（15 ℃～35 ℃）熱量供熱，熱量不足時，在盡量回收太陽能熱量的同時增加燃氣補燃量。當沒有太陽能時，機組切換成分隔式供熱模式，通過高溫發生器與高溫冷凝器組成真空鍋爐對外供熱。

3 太陽能溴化鋰吸收式熱泵性能

為研究各運行模式下機組性能，選擇一臺BZDH30XD-R1直燃熱水型熱泵機組進行測試（見圖5）。測試方法參考國標GB/T 18362-2008《直燃型溴化鋰吸收式冷（溫）水機組》附錄A。在機組設計工況穩定后對各項數據進行測量，每隔20分鐘測1次，連續記錄不少于3次的平均值。

圖5 測試機組

機組共測試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。機組制冷工況測試數據見表1。

機組測試的最大制冷量為350 kW。只采用燃氣驅動時，機組的性能系數COP（制冷量/輸入能量）為1.41（燃氣熱值按9.42 kW/(Nm3)計算）。

當采用燃氣和熱水雙驅動時，因為燃氣為雙效循環，機組制冷性能系數1.41；而熱水部分為單效循環，機組制冷性能系數僅為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太陽能熱水熱量確定，本測試機組熱水制冷量占總制冷量的25%。

表1 制冷工況測試數據

機組制熱工況測試數據如表2中所示。

機組熱泵工況測試供熱量425 kW，機組輸入的能量為249 kW（燃氣熱量與電力總和），低溫水回收熱量176 kW，機組的制熱效率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%。機組分隔式供熱工況時，機組制熱量269 kW，機組制熱效率93%。

表2 制熱工況測試數據

4 實際應用分析

天津位于華北平原，屬于太陽能資源較豐富地區（二類），根據《全國各省市峰值日照時數查詢表》，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 項目基本概況

天津市中北區某辦公樓，設計空調總冷負荷為650 kW，總熱負荷520 kW。項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%。

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

4.2 典型日動行數據

選擇晴朗天氣對機組運行數據進行測試分析。低溫水進出口溫度、中溫水進出口溫度通過機組上的溫度傳感器測得；燃氣流量通過機組流量計測得。數據記錄從8:00開始，每隔20分鐘記錄1次，直至17:00機組停機。

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組數據。測試當天天氣晴朗，少云，太陽輻射充足，室外溫度在-6 ℃～3 ℃間波動。低溫水出口溫度開始運行的前2 h內逐漸從32 ℃降低至14 ℃，主要是因為機組運行時，蓄熱水罐內儲存了一定量的熱水，溫度較高，機組運行過程中不斷吸收蓄熱水罐內熱水熱量，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，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組余熱回收量，造成太陽能過剩。當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度直接相關。

圖6 溫度隨時間變化趨勢

根據記錄的溫度與流量通過計算得出每個時間段太陽能熱水回收量、燃氣量以及供熱量間的關系如圖7所示。機組運行可以分為4個時期：初始期、過渡期、穩定期及稀釋停機期。

機組在運行初始期（8:00～9:00），由于內部溶液處于冷態，需要消耗更多的燃氣使溶液升溫，同時建筑剛開始采暖，熱負荷大，機組除回收太陽能熱量外，需要燃氣補充更多的熱量。此時機組供熱量為485 kW，燃氣提供328 kW，機組制熱性能系數COP為1.48，低于機組的設計COP值。機組運行到過渡期（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，對于機組而言都是不利因素，機組的制熱性能系數COP為1.52。當機組達到穩定期（10:00～16:00），太陽能充足，低溫水溫度緩慢上升，供熱需求量穩定，機組制熱性能系數由1.62逐漸升高至1.72，基本達到額定設計COP。當機組處于稀釋停機期（16:00～17:00）時，機組利用內部存留的冷劑水回收熱量，同時補充少量天然氣驅動，機組處于節能運行階段，制熱性能系數COP達到2.15。

從最終統計的數據來看，運行當天機組從太陽能中回收的熱量為1,230 kW，消耗的燃氣熱量為1,949 kW，提供了3,179 kW熱量，運行一天的平均制熱系數為1.63，機組運行節能率38.7%。

圖7 熱量隨時間變化趨勢

5 結語

太陽能熱水驅動溴化鋰吸收式機組制冷已有成熟的應用，而溴化鋰吸收式熱泵機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。本文得出的主要結論如下。

1）采用溴化鋰吸收式機組，通過輔助熱源的形式，同時根據太陽能熱水溫度，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，解決了太陽能不穩定的問題。

2）直燃熱水型溴化鋰吸收式機組通過內外部閥門間的開閉實現制冷功能與熱泵功能的切換，提高了設備和太陽能利用率、降低了能源消耗。實測數據表明，在熱泵工況下，機組的制熱效率為1.71，節能率為41.4%。

3）實際案例典型日運行數據分析表明：熱泵機組制熱性能系數隨著太陽能輻射強度的增強而升高，平均制熱系數可以達到1.63，當天回收1,230 kW熱量，相當于節省130.6 m3燃氣，節能率為38.7%。

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