吸收式热泵-太阳能联合供热系统性能影响因素研究

萧震宇

（山东建筑大学设计集团有限公司）

受地理环境和气候因素的影响，供热系统在我国北方的冬春季应用范围广泛。 然而由于我国北方的供暖方式通常采用化石燃料作为供热能源，容易造成极大的资源浪费。 近年来，随着社会和科学技术的进步，发展太阳能区域供热的太阳能集热器技术日渐成熟，为北方供暖系统带来了新的发展。 如高亚南等通过分析太阳能供热系统的影响因素和供热规律，设计了一种用于办公楼的供热系统，为太阳能供热系统的设计提供了理论依据［1］。 刘仙萍等以夏热冬冷地区的典型居住建筑为例，利用TRNSYS软件研究光伏/光热-地源热泵（PV/T-GSHP）联合供热系统的运行性能和主要设计参数对联合供热系统运行性能的影响，认为PV/T组件面积、地埋管间距和地埋管长度对供热系统运行性能具有影响， 通过设置以上参数，可提高供热系统的性能［2］。 贺冬辰等设计了一种太阳能-第二类吸收式热泵联合供热系统， 并利用TRNSYS软件和MATLAB软件构建了仿真模型，从数值上分析了供热系统的性能，认为其所设计的供热系统具有一定的有效性和可行性［3］。 通过上述研究可以发现，基于太阳能的供热系统已取得一定成效，一定程度上解决了我国北方地区产生的资源浪费问题。 但刘迟等认为，现有基于太阳能的供热系统整体供热能力有待提高［4］。因此，为解决该问题， 本研究以吸收式热泵-太阳能联合供热系统为研究对象，通过分析其性能影响因素，达到提高供热系统供热能力的目的。

1 系统原理

本研究采用的联合供热系统主要包括太阳能集热系统、太阳能供热系统和吸收式热泵系统3个部分［5］。联合供热系统的热源和系统中吸收式热泵的驱动热源均为聚光型太阳能集热阵列，其集热温度为80～250 ℃，传热介质为导热油。

考虑到联合系统中太阳能的供热原理，只有在太阳辐射强度够强时运行，故本研究中联合供热系统分为昼间和夜间两种工作模式，并通过温差控制法自动切换工作模式［6］。当平板集热器出口温度与蓄热水箱平均温度差达到设定值时，说明太阳辐射强度足够强，联合供热系统的太阳能供热系统运行； 反之， 太阳能供热系统停止运行。

2 吸热式热泵-太阳能联合供热系统热力模型构建

2.1 联合供热系统热量平衡关系

在本联合供热系统运行的过程中，其热量平衡关系［7］如下：

其中，Q1（τ）、Q2（τ）、Q3（τ）、Q4（τ）、Q5（τ）分别为τ时刻平板集热器热量、聚光型集热器热量、蓄热水箱蓄热量，系统供热量、热量损失量。

2.2 联合供热系统热量关系

参考相关理论和经验［8］，聚光型集热器热量关系Q1可表示为：

式中 c1——传热介质比热容，kJ/（kg·K）；

m0——进入蓄热水箱3的吸热介质流量，kg/s；

T0、T11——进入、离开蓄热水箱3的吸热介质温度，℃。

由于聚光型集热器所集的热量分别存储于蓄热水箱和供热系统中［9］，因此存在：

式中 Q2——系统用热量，kJ；

Q33——存储于蓄热水箱3的蓄热量，kJ。

其中Q2可表示为：

式中 c2——发生器驱动介质比热容，kJ/（kg·K）；

m1——进入吸收式热泵的流量，kg/s；

T1、T10——进入吸收热泵和蓄热水箱3的驱动热源温度，℃。

式中 c3——系统供水的比热容，kJ/（kg·K）；

m3——进入蒸发器的流量，kg/s；

Q32——存储于蓄热水箱2的热量，kJ；

T1、T2——驱动介质进入和离开发生器的温度，℃；

T7、T8——进入蓄热水箱2和吸收热泵的回水温度，℃。

平板集热器的集热量Q4可用温度变化表示，即：

式中 c4——平板集热器的传热机制比热容，kJ/（kg·K）；

m4——进入平板集热器的吸热介质流量，kg/s；

T4——吸热介质温度，℃；

T12——进入蓄热水箱1的吸热介质温度，℃。

考虑一部分热量存储于蓄热水箱1中［11］，因此Q4又表示为：

式中 Q31——存储于蓄热水箱1的热量，kJ；T5——联合系统供热回水温度，℃。

吸收式热泵集热量包括吸收器放热量Qa和冷凝器放热量Qk、 蒸发器吸热量Qe和单位功率下的制热量COP［12，13］。 其中Qa、Qk、Qe、COP为：

式中 m8、m9——进入系统供热、 冷却器的回水流量，kg/s；

T3——从蓄热水箱1进入蒸发器的吸热介质温度，℃；

T6——流出冷凝器的系统供热水的温度，℃；

T9——从吸收器进入冷凝器的系统供热回水温度，℃。

3 仿真实验

3.1 仿真环境搭建

本次仿真采用TRNSYS软件建立吸收式热泵驱动太阳能供热系统的仿真模型，并根据系统原理连接各个模块，设置各个模块的参数，包括气象、控制器、水泵等参数，具体见表1。 然后基于TRNSYS外部接口与MATLAB软件进行连接［14，15］。

表1 供热系统TRNSYS仿真模型模块

3.2 仿真条件设置

本次仿真以山东济南地区11月15日至次年3月15日供热系统为研究对象，对供热系统的影响因素进行分析。 济南地区研究时间段内气象参数如图1所示。

图1 济南地区气象参数

设定平板集热器、集光型集热器、吸热式热泵发生器的介质分别为水、 热油和丁二醇水溶液；区域供热系统的回水温度设定为40 ℃；供热系统无辅助热源设备； 蓄热水箱为夜间供热热源；吸热式热泵制冷剂流量为定值。

3.3 评价指标

本次仿真评价指标包括平板集热器集热效率、太阳能利用率、系统供热量。 其中，平板集热器集热效率η的计算式为：

式中 Ap——平板集热器面积；

Ie——聚光比大于10的直射辐射强度；

Qu——集热器获得的有用能量。

供热系统供热量Qo为：

式中 Tg——系统供水温度，℃；

Th——系统回水温度，℃。

3.4 结果与分析

3.4.1 平板集热器面积对联合供热系统性能的影响

图2为不同平板集热器面积比Φ下的系统性能。 由图可以看出，随着平板集热器面积比Φ的增大，聚光型集热器的进口温度逐步增大，系统供热温度、集热效率、供热量逐渐减小，驱动温度逐渐降低；当Φ由2增大到10时，聚光型集热器的进口温度提高了10 ℃，达到36 ℃，供热温度下降了20 ℃，为57 ℃，集热效率下降了0.08，为0.31，供热量下降了240 kW， 为553 kW。 分析其原因是，Φ增大， 平板集热器面积减小， 其集热量减少，导致驱动式热泵驱动温度和供热量、吸热量均降低，进而使集热器回水温度升高，供热温度和系统性能降低。

图2 不同Φ对供热系统性能的影响

3.4.2 平板集热器水流量对联合供热系统性能的影响

为分析平板集热器流量对供热系统性能的影响，设θ为不同平板集热器水流量与面积之比，观察供热系统的性能， 结果如图3所示。 由图可知， 随着θ的增加聚光型集热器进口温度不断增大，集热效率、供热温度、系统供热量和吸收式热泵发生器驱动温度逐渐减小。

图3 不同θ对供热系统性能的影响

3.4.3 吸收式热泵容量对联合供热系统性能的影响

图4为不同吸收式热泵容量γ下的系统性能。由图可知， 聚光型集热器的进口温度与γ反向相关，系统供热温度、集热效率、系统供热量以及进出口吸收式热泵温差与γ正向相关。 分析其原因可知，γ增大，吸收式热泵容量增大，其输出的热量和从不同热源处吸收的热量增加，进而提高了系统性能。

图4 不同γ对供热系统性能的影响

3.4.4 蓄热水箱容积对联合供热系统性能的影响

图5中δ为不同蓄热水箱容积与平板集热器面积之比。 分析不同δ下供热系统的性能可知，随着δ增加，聚光型集热器进口温度逐渐增加，系统供热温度、集热效率、系统供热量、驱动温度逐渐降低；当δ由0.08增加到0.24时，聚光型集热器的进口温度从27 ℃上升到34 ℃，系统供热温度下降了7 ℃，至59 ℃，集热效率下降了0.04，为0.34，供热量下降了30 kW， 为800 kW， 驱动温度下降至124 ℃左右。

图5 不同δ对供热系统性能的影响

4 结束语

吸收式热泵-太阳能联合供热系统性能受多种干扰因素影响，包括平板集热器的面积和介质水流量、吸收式热泵容量、蓄热水箱容积。 其中，增大平板集热面积和吸收式热泵容量或减小平板集热器流量和蓄热水箱容积，可增加供热系统供热温度和供热量，进而提升供热性能。 本研究虽取得一定成果，但由于条件限制，并未确定供热系统的最佳配置和运行参数，且未探讨实际工况下供热系统的性能。 因此，下一步研究从以上不足之处进一步完善研究。