吸收式熱泵-太陽能聯合供熱系統性能影響因素研究

蕭震宇

（山東建筑大學設計集團有限公司）

受地理環境和氣候因素的影響，供熱系統在我國北方的冬春季應用范圍廣泛。 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，隨著社會和科學技術的進步，發展太陽能區域供熱的太陽能集熱器技術日漸成熟，為北方供暖系統帶來了新的發展。 如高亞南等通過分析太陽能供熱系統的影響因素和供熱規律，設計了一種用于辦公樓的供熱系統，為太陽能供熱系統的設計提供了理論依據［1］。 劉仙萍等以夏熱冬冷地區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）聯合供熱系統的運行性能和主要設計參數對聯合供熱系統運行性能的影響，認為PV/T組件面積、地埋管間距和地埋管長度對供熱系統運行性能具有影響， 通過設置以上參數，可提高供熱系統的性能［2］。 賀冬辰等設計了一種太陽能-第二類吸收式熱泵聯合供熱系統， 并利用TRNSYS軟件和MATLAB軟件構建了仿真模型，從數值上分析了供熱系統的性能，認為其所設計的供熱系統具有一定的有效性和可行性［3］。 通過上述研究可以發現，基于太陽能的供熱系統已取得一定成效，一定程度上解決了我國北方地區產生的資源浪費問題。 但劉遲等認為，現有基于太陽能的供熱系統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-太陽能聯合供熱系統為研究對象，通過分析其性能影響因素，達到提高供熱系統供熱能力的目的。

1 系統原理

本研究采用的聯合供熱系統主要包括太陽能集熱系統、太陽能供熱系統和吸收式熱泵系統3個部分［5］。聯合供熱系統的熱源和系統中吸收式熱泵的驅動熱源均為聚光型太陽能集熱陣列，其集熱溫度為80～250 ℃，傳熱介質為導熱油。

考慮到聯合系統中太陽能的供熱原理，只有在太陽輻射強度夠強時運行，故本研究中聯合供熱系統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］。當平板集熱器出口溫度與蓄熱水箱平均溫度差達到設定值時，說明太陽輻射強度足夠強，聯合供熱系統的太陽能供熱系統運行； 反之， 太陽能供熱系統停止運行。

2 吸熱式熱泵-太陽能聯合供熱系統熱力模型構建

2.1 聯合供熱系統熱量平衡關系

在本聯合供熱系統運行的過程中，其熱量平衡關系［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，系統供熱量、熱量損失量。

2.2 聯合供熱系統熱量關系

參考相關理論和經驗［8］，聚光型集熱器熱量關系Q1可表示為：

式中 c1——傳熱介質比熱容，kJ/（kg·K）；

m0——進入蓄熱水箱3的吸熱介質流量，kg/s；

T0、T11——進入、離開蓄熱水箱3的吸熱介質溫度，℃。

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中［9］，因此存在：

式中 Q2——系統用熱量，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——發生器驅動介質比熱容，kJ/（kg·K）；

m1——進入吸收式熱泵的流量，kg/s；

T1、T10——進入吸收熱泵和蓄熱水箱3的驅動熱源溫度，℃。

式中 c3——系統供水的比熱容，kJ/（kg·K）；

m3——進入蒸發器的流量，kg/s；

Q32——存儲于蓄熱水箱2的熱量，kJ；

T1、T2——驅動介質進入和離開發生器的溫度，℃；

T7、T8——進入蓄熱水箱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制比熱容，kJ/（kg·K）；

m4——進入平板集熱器的吸熱介質流量，kg/s；

T4——吸熱介質溫度，℃；

T12——進入蓄熱水箱1的吸熱介質溫度，℃。

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——聯合系統供熱回水溫度，℃。

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——進入系統供熱、 冷卻器的回水流量，kg/s；

T3——從蓄熱水箱1進入蒸發器的吸熱介質溫度，℃；

T6——流出冷凝器的系統供熱水的溫度，℃；

T9——從吸收器進入冷凝器的系統供熱回水溫度，℃。

3 仿真實驗

3.1 仿真環境搭建

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

表1 供熱系統TRNSYS仿真模型模塊

3.2 仿真條件設置

本次仿真以山東濟南地區11月15日至次年3月15日供熱系統為研究對象，對供熱系統的影響因素進行分析。 濟南地區研究時間段內氣象參數如圖1所示。

圖1 濟南地區氣象參數

設定平板集熱器、集光型集熱器、吸熱式熱泵發生器的介質分別為水、 熱油和丁二醇水溶液；區域供熱系統的回水溫度設定為40 ℃；供熱系統無輔助熱源設備； 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

本次仿真評價指標包括平板集熱器集熱效率、太陽能利用率、系統供熱量。 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的直射輻射強度；

Qu——集熱器獲得的有用能量。

供熱系統供熱量Qo為：

式中 Tg——系統供水溫度，℃；

Th——系統回水溫度，℃。

3.4 結果與分析

3.4.1 平板集熱器面積對聯合供熱系統性能的影響

圖2為不同平板集熱器面積比Φ下的系統性能。 由圖可以看出，隨著平板集熱器面積比Φ的增大，聚光型集熱器的進口溫度逐步增大，系統供熱溫度、集熱效率、供熱量逐漸減小，驅動溫度逐漸降低；當Φ由2增大到10時，聚光型集熱器的進口溫度提高了10 ℃，達到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，導致驅動式熱泵驅動溫度和供熱量、吸熱量均降低，進而使集熱器回水溫度升高，供熱溫度和系統性能降低。

圖2 不同Φ對供熱系統性能的影響

3.4.2 平板集熱器水流量對聯合供熱系統性能的影響

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

圖3 不同θ對供熱系統性能的影響

3.4.3 吸收式熱泵容量對聯合供熱系統性能的影響

圖4為不同吸收式熱泵容量γ下的系統性能。由圖可知， 聚光型集熱器的進口溫度與γ反向相關，系統供熱溫度、集熱效率、系統供熱量以及進出口吸收式熱泵溫差與γ正向相關。 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，進而提高了系統性能。

圖4 不同γ對供熱系統性能的影響

3.4.4 蓄熱水箱容積對聯合供熱系統性能的影響

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下供熱系統的性能可知，隨著δ增加，聚光型集熱器進口溫度逐漸增加，系統供熱溫度、集熱效率、系統供熱量、驅動溫度逐漸降低；當δ由0.08增加到0.24時，聚光型集熱器的進口溫度從27 ℃上升到34 ℃，系統供熱溫度下降了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， 驅動溫度下降至124 ℃左右。

圖5 不同δ對供熱系統性能的影響

4 結束語

吸收式熱泵-太陽能聯合供熱系統性能受多種干擾因素影響，包括平板集熱器的面積和介質水流量、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，可增加供熱系統供熱溫度和供熱量，進而提升供熱性能。 本研究雖取得一定成果，但由于條件限制，并未確定供熱系統的最佳配置和運行參數，且未探討實際工況下供熱系統的性能。 因此，下一步研究從以上不足之處進一步完善研究。