賀冬辰，陳宗帥，孫智冬，李紹勇

（蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

0 引言

當(dāng)前，我國建筑能耗不斷提高，其中供熱、制冷能耗約占民用建筑總能耗的45%，且該數(shù)值仍在不斷攀升[1]。為了降低建筑能耗，作為可再生能源與新型節(jié)能技術(shù)典型代表的太陽能熱利用與第二類吸收式熱泵（Absorption Heat Transformer，AHT）得到廣泛關(guān)注。在太陽能利用方面，郝夢琳對槽式太陽能供熱光伏系統(tǒng)中集熱器的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影響集熱器集熱效率的因素包括傳熱工質(zhì)溫度和太陽直射輻射量[2]。孫振鋒通過實(shí)驗(yàn)研究不同氣象條件下太陽能空氣集熱采暖系統(tǒng)的運(yùn)行情況得知，該系統(tǒng)可滿足北方農(nóng)村地區(qū)的采暖需求[3]。在太陽能與第二類吸收式熱泵聯(lián)合方面，苗展麗通過對以太陽能作為驅(qū)動熱源的AHT系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究得到，該系統(tǒng)的COP約為0.495，與相關(guān)試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)基本吻合[4]。Ma Z W利用AHT回收低溫廢熱，AHT機(jī)組可提供17.1～34.7℃的溫升，AHT機(jī)組的COP為0.471～0.475[5]。Liu F將太陽能輔助的AHT與燃?xì)忮仩t相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套蒸汽回收系統(tǒng)，對該系統(tǒng)進(jìn)行評估得知環(huán)境溫度對系統(tǒng)性能的影響小于太陽輻射[6]。

為解決冬季民用建筑采暖產(chǎn)生的能耗和污染問題，本文將太陽能熱利用技術(shù)和AHT技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建了太陽能-第二類吸收式熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)（Heating System with Solar-assisted Absorption Heat Transformer，HSSAAHT），并提出了4種運(yùn)行模式以達(dá)到冬季穩(wěn)定供暖的目的。本文建立了HSSAAHT仿真模型，并模擬了該系統(tǒng)在冬季典型日的運(yùn)行情況，根據(jù)模擬結(jié)果分析了該系統(tǒng)的運(yùn)行狀況、性能表現(xiàn)、能耗和經(jīng)濟(jì)性。

1 HSSAAHT構(gòu)成、運(yùn)行模式和應(yīng)用對象

1.1 HSSAAHT構(gòu)成

HSSAAHT的構(gòu)成主要包括太陽能集熱器陣列，蓄熱水箱，AHT機(jī)組，燃?xì)忮仩t，分集水器，循環(huán)水泵和溫度測量、控制元件。

1.2 HSSAAHT運(yùn)行模式

圖1 HSSAAHT運(yùn)行工藝流程圖Fig.1 The operation chart of HSSAAHT

HSSAAHT運(yùn)行工藝流程圖如圖1所示。為了滿足不同工況，HSSAAHT具有4種運(yùn)行模式，這4種運(yùn)行模式包括3種冬季供熱模式和夜間防凍模式D。其中，3種冬季供熱模式分別為供熱模式A（太陽能獨(dú)立供熱）、供熱模式B（太陽能+AHT聯(lián)合供熱）、供熱模式C（太陽能+燃?xì)忮仩t聯(lián)合供熱）。白天，HSSAAHT向用戶供暖時，由于室外空氣溫度和太陽輻射強(qiáng)度能夠影響太陽能集熱器陣列收集太陽輻射能，導(dǎo)致蓄熱水箱的出口水溫ttank，out發(fā)生變化，溫度測量變送器測得蓄熱水箱的出口水溫，并將信號發(fā)送給溫度控制器，溫度控制器根據(jù)ttank，out的變化發(fā)出指令，自動切換3種供熱模式，從而穩(wěn)定地向用戶提供60℃的熱水；夜間，HSSAAHT停止供暖時，為了防止因室溫過低導(dǎo)致樓宇房間內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管結(jié)凍，HSSAAHT的運(yùn)行模式切換至夜間防凍模式D，保證風(fēng)機(jī)盤管中的水處于流動狀態(tài)，避免風(fēng)機(jī)盤管結(jié)凍。

HSSAAHT的3種供熱模式對應(yīng)的蓄熱水箱的出口水溫及4種運(yùn)行模式下閥門和設(shè)備控制情況如表1所示。

表1 HSSAAHT的3種供熱模式對應(yīng)的蓄熱水箱的出口水溫及4種運(yùn)行模式下閥門和設(shè)備控制情況Table 1 The t tank，out corresponding to the three heatingmodes and control strategy of valve and equipment corresponding tofourmode of HSSAAHT

當(dāng)運(yùn)行模式為供熱模式A時，供熱熱水循環(huán)過程如下。蓄熱水箱→分水器→室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管（放熱）→集水器→供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵→集熱器陣列（吸熱）→蓄熱水箱。

當(dāng)運(yùn)行模式為供熱模式B時，驅(qū)動熱水循環(huán)過程如下。蓄熱水箱→驅(qū)動熱水循環(huán)水泵→AHT的發(fā)生器和蒸發(fā)器（放熱）→電磁二通閥17→太陽能集熱器陣列（吸熱）→蓄熱水箱；供熱熱水循環(huán)過程如下。AHT的吸收器→電磁二通閥8→分水器→室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管（放熱）→集水器→供熱系統(tǒng)循環(huán)泵→電磁二通閥15→AHT中的吸收器（吸熱）；冷卻水循環(huán)過程如下。市政自來水管路→軟化水箱進(jìn)水水泵→軟化水箱→AHT的冷凝器（吸熱）→市政自來水管路。此外，冬季市政自來水管路可以提供溫度穩(wěn)定的10℃自來水[7]，經(jīng)過軟化處理后，作為冷卻水進(jìn)入AHT的冷凝器，吸收冷凝熱后返回市政自來水管路，避免了冬季室外空氣溫度過低使得冷卻塔結(jié)凍，進(jìn)而導(dǎo)致AHT無法運(yùn)行。

當(dāng)運(yùn)行模式為供熱模式C時，供熱熱水循環(huán)過程如下。蓄熱水箱→輔助燃?xì)忮仩t→分水器→室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管（放熱）→集水器→供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵→太陽能集熱器陣列（吸熱）→蓄熱水箱。

當(dāng)運(yùn)行模式為夜間防凍模式D時，供熱熱水循環(huán)過程如下。蓄熱水箱→分水器→風(fēng)機(jī)盤管→集水器→供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵→電磁兩通閥18→蓄熱水箱。

1.3 應(yīng)用對象概述

HSSAAHT的應(yīng)用對象為位于蘭州地區(qū)（東經(jīng)103°40＇，北緯34°）的某辦公樓。辦公樓地面層高為3.3m，建筑總面積為750m2。根據(jù)文獻(xiàn)[8]中的面積指標(biāo)法，估算得到辦公樓的冬季供熱總熱負(fù)荷為45 kW。室內(nèi)末端裝置采用風(fēng)機(jī)盤管，相應(yīng)的供、回水設(shè)計(jì)溫度分別為60，50℃。辦公樓工作時段（8：00-18：00）內(nèi)，HSSAAHT根據(jù)氣象條件，自動切換3種供熱模式，以保證室溫達(dá)標(biāo)。18：00-次日8：00，為防止因夜間室溫過低導(dǎo)致風(fēng)機(jī)盤管結(jié)凍，HSSAAHT運(yùn)行模式切換至夜間防凍模式D。

2 HSSAAHT主要部件分析及系統(tǒng)仿真模型

2.1 AHT的工作機(jī)理

AHT可以利用大量中溫?zé)嵩吹臒崮?，輸出少量高于中溫?zé)嵩礈囟鹊臒崮?，用于提高中溫?zé)嵩雌焚|(zhì)[9]。AHT機(jī)組由蒸發(fā)器、冷凝器、發(fā)生器、吸收器和溶液熱交換器5個主要部件以及溶液泵、溶劑泵、節(jié)流閥和設(shè)備間聯(lián)通管道組成。AHT機(jī)組的工作原理圖如圖2所示。

圖2 AHT機(jī)組的工作原理圖Fig.2Working principle diagram of the AHT unit

圖中：tWEi，tWGi，tWCi，tWAi分別為組各換熱器的進(jìn)口水溫；tWEo，tWGo，tWCo，tWAo分別為各換熱器的出口水溫；QE，QG，QC，QA分別為各換熱器的負(fù)荷。

基于圖2和文獻(xiàn)[10]，[11]，將AHT機(jī)組各換熱器的能量平衡方程、質(zhì)量平衡方程、傳熱溫差方程和循環(huán)工質(zhì)的熱物性方程聯(lián)立，即可建立AHT機(jī)組的數(shù)學(xué)模型。

2.2 第二類吸收式熱泵的數(shù)值運(yùn)算模型

基于AHT機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，借助MATLAB軟件，構(gòu)建AHT機(jī)組的數(shù)值運(yùn)算模型，AHT機(jī)組數(shù)值運(yùn)算流程圖如圖3所示。

圖3 AHT機(jī)組數(shù)值運(yùn)算流程圖Fig.3 Numerical calculation flowchartof AHT unit

結(jié)合AHT機(jī)組數(shù)值運(yùn)算流程，本文基于MATLAB軟件編寫了AHT機(jī)組模塊，并命名為AHT.m。當(dāng)應(yīng)用TRNSYS17構(gòu)建HSSAAHT的仿真模型時，可調(diào)用AHT機(jī)組模塊。

2.3 HSSAAHT設(shè)備的選型計(jì)算

①太陽能集熱器陣列

本文選用平板型太陽能集熱器，以串聯(lián)方式構(gòu)建太陽能集熱器陣列（Solar Collector Array，SCA），SCA總面積的計(jì)算式為[12]

式中：AC為SCA的總面積，m2；Q為辦公樓所需的總供熱負(fù)荷，W；η為太陽能保證率，取50%；It為SCA表面接收到的平均太陽輻射強(qiáng)度，取700 W/m2；η為SCA的瞬時集熱效率，取30%。f，η的取值僅作為太陽能集熱器陣列選型時的參考，在實(shí)際模擬過程中，這兩個數(shù)值隨著氣象情況不斷發(fā)生變化。

已知辦公樓冬季供熱總熱負(fù)荷為45 kW，基于式（1）得到SCA的總面積為107.15m2，因此，本文設(shè)計(jì)辦公樓的總面積為110m2。

②蓄熱水箱

由文獻(xiàn)[12]可知，蓄熱水箱的容積V與SCA的總面積相關(guān)，每平方米SCA對應(yīng)的蓄熱水箱的容積為40～80 L，因此，總面積為110m2的SCA應(yīng)匹配4 400～8 800 L（4.4～8.8m3）的蓄熱水箱。由于HSSAAHT無需高溫?zé)嵩矗⑶以龃笮顭崴涞娜莘eV可能導(dǎo)致蓄熱水箱的熱損失增大、系統(tǒng)的運(yùn)行效率下降，因此，本文設(shè)計(jì)蓄熱水箱的容積V為5m3。

③輔助熱源

本文選用燃?xì)忮仩t作為輔助熱源。冬季，當(dāng)氣象條件惡劣時，HSSAAHT啟動燃?xì)忮仩t用于加熱供暖循環(huán)水，確保用戶側(cè)供水溫度滿足供熱需求。燃?xì)忮仩t功率須與供熱所需的總負(fù)荷匹配[12]，因此，本文設(shè)計(jì)燃?xì)忮仩t的容量為45 kW。

④AHT機(jī)組

為保證AHT機(jī)組的容量與供熱所需的總負(fù)荷相匹配，因此，選擇吸收器熱負(fù)荷為40 kW的AHT機(jī)組。設(shè)計(jì)蒸發(fā)器驅(qū)動熱水進(jìn)、出口溫度分別為50，43.7℃，蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度分別為57.62 kPa，40.7℃；發(fā)生器驅(qū)動熱水進(jìn)、出口溫度分別為50，42.1℃；冷凝器冷卻水進(jìn)、出水溫度分別為10，15℃，冷凝壓力、冷凝溫度分別為2.05 kPa，18.1℃；流經(jīng)吸收器循環(huán)熱水進(jìn)、出口溫度分別為50，60℃；LiBr濃、稀溶液濃度分別為51.26%，47.76%；溶液熱交換器的換熱效率為80%。

2.4 HSSAAHT的仿真模型

由于TRNSYS軟件中缺少AHT機(jī)組模塊，因此，本文將基于MATLAB軟件構(gòu)建的AHT.m模塊導(dǎo)入TRNSYS17中。借助TRNSYS17構(gòu)建HSSAAHT仿真模型。太陽能-第二類吸收式熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

圖4 太陽能-第二類吸收式熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulationmodel for heating system of solar-assisted AHT

由圖4可知，該模型略去供熱系統(tǒng)末端的形式，僅以用戶側(cè)供、回水溫度和用戶熱負(fù)荷表征末端風(fēng)機(jī)盤管的換熱情況。

本文通過圖4中的仿真結(jié)果，分析了HSSAAHT的運(yùn)行狀況和相關(guān)的性能參數(shù)變化。

3 模擬結(jié)果與分析

本文選取了冬至日（12月22日）作為HSSAAHT冬季供熱工況的典型日，典型日室外空氣溫度和太陽輻射強(qiáng)度隨時間的變化情況如圖5所示。

圖5 供熱期間典型日室外空氣溫度和太陽輻射強(qiáng)度隨時間的變化情況Fig.5 Hourly variation diagram of outdoor air temperature and solar radiation intensity on a typical day during heating period

由圖5可知，太陽輻射強(qiáng)度發(fā)生的時間段為8：00-18：00，在13：00太陽輻射強(qiáng)度達(dá)到峰值，為2 286 kJ/（h·m2）。室外空氣溫度的變化滯后于太陽輻射強(qiáng)度，在15：00達(dá)到峰值（5.3℃），室外空氣平均溫度為-3.79℃。

將上述室外空氣溫度和太陽輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)輸入到基于圖4所構(gòu)建的HSSAAHT仿真模型，可獲取HSSAAHT中蓄熱水箱的出水溫度ttank，out，用戶側(cè)供、回水溫度tload，in，tload，out，AHT機(jī)組的主要性能參數(shù)隨時間的變化情況，以及AHT機(jī)組和輔助燃?xì)忮仩t的啟停狀況，從而分析典型日HSSAAHT中各部件的運(yùn)行能耗、總能耗、太陽能收集量和太陽能保證率等。

典型日8：00-18：00，HSSAAHT的蓄熱水箱出口溫度、輔助燃?xì)忮仩t和AHT啟停和運(yùn)行情況如圖6所示。

由圖6可知：在8：00-10：20，蓄熱水箱的出口溫度ttank，out≤50℃，HSSAAHT的運(yùn)行模式為供熱模式C，此時啟動輔助燃?xì)忮仩t加熱采暖供水，直至ttank，out=60℃，由于太陽輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)和用戶側(cè)回水溫度較高，導(dǎo)致蓄熱水箱出口溫度持續(xù)升高；在10：20-13：00，蓄熱水箱的出口溫度50℃≤ttank，out＜60℃，此時HSSAAHT的運(yùn)行模式為供熱模式B，啟動AHT機(jī)組并停止輔助燃?xì)忮仩t。該時段ttank，out呈現(xiàn)先下降后升高的變化趨勢，這是因?yàn)锳HT機(jī)組運(yùn)行時消耗了蓄熱水箱中水的熱量，導(dǎo)致ttank，out下降，然后，隨著太陽輻射強(qiáng)度的升高，太陽能集熱器陣列中的水吸收熱量，水溫升高并進(jìn)入蓄熱水箱，使得ttank，out開始上升；在13：00-15：40，ttank，out≥60℃，HSSAAHT的 運(yùn) 行 模 式 為供熱模式A，輔助燃?xì)忮仩t和AHT機(jī)組均停止運(yùn)行，在14：30，ttank，out達(dá)到最高值（63.01℃）后開始下降；在15：40-17：10，ttank，out＜60℃，HSSAAHT再次運(yùn)行供熱模式B。在太陽輻射強(qiáng)度下降和AHT運(yùn)行的共同影響下，ttank，out迅速下降，直至ttank，out＜50℃。在17：10-18：00，HSSAAHT的運(yùn)行模式為供熱模式C，此時太陽輻射強(qiáng)度較弱，因此，蓄熱水箱的出口溫度呈現(xiàn)緩慢下降的變化趨勢。

圖6 典型日8：00-18：00，HSSAAHT的蓄熱水箱出口溫度、輔助燃?xì)忮仩t和AHT機(jī)組啟停和運(yùn)行情況Fig.6 Hourly variation diagram of outlet temperature of the regenerative tank and the state of start，stop and running for gas boiler and AHT unitof HSSAAHT during 8：00-18：00 on a typical day

圖7為供熱期間典型日用戶側(cè)進(jìn)口水溫tload，in和用戶側(cè)出口水溫tload，out隨時間的變化情況。

圖7 供熱期間典型日用戶側(cè)進(jìn)口水溫t load，in和用戶側(cè)出口水溫t load，out隨時間的變化情況Fig.7 Hourly variation diagram of the user-side inletwater temperature（t load，in）and user-side outletwater temperature（t load，out）on a typical day during the heating period

由圖7可知：在8：00-18：00，用戶側(cè)進(jìn)口水溫tload，in最高值為63.01℃，最低值為50.05℃；用戶側(cè)出口水溫tload，out最高值為53.01℃，最低值為40.05℃。 由于tload，out和tload，in的平均值分別為60.86℃和50.41℃，本文設(shè)計(jì)用戶側(cè)供、回水溫度分別為60，50℃，因此，HSSAAHT可以滿足用戶供暖需求。

AHT機(jī)組的主要參數(shù)為性能系數(shù)COP、溫升能力ΔT和放氣范圍ΔX。圖8為供熱期間典型日HSSAAHT運(yùn)行模式為供熱模式B時，AHT機(jī)組的主要參數(shù)隨時間的變化情況。需要說明的是，典型日內(nèi)，供熱模式B僅在10：20-13：00和15：40-17：10這2個時段運(yùn)行，其余時段AHT機(jī)組均停止運(yùn)行。因此，AHT機(jī)組的主要參數(shù)COP，ΔX和ΔT的數(shù)值均為0。

圖8 供熱期間典型日HSSAAHT運(yùn)行模式為供熱模式B時，AHT機(jī)組的主要參數(shù)隨時間的變化情況Fig.8 Hourly variation diagram ofmain performance parameters of AHT unitwhen HSSAAHT running heating mode B on a typical day during the heating period

由圖8可知：在10：20-13：00，蓄熱水箱的出口水溫持續(xù)升高，即進(jìn)入AHT機(jī)組中的蒸發(fā)器和發(fā)生器的驅(qū)動熱水溫度持續(xù)升高，導(dǎo)致蒸發(fā)器和發(fā)生器的壓力升高，同時，由于吸收器的壓力與蒸發(fā)器的壓力相關(guān)，使得吸收器的吸收能力和發(fā)生器的發(fā)生能力提高，AHT機(jī)組的COP隨之升高，并且，發(fā)生器發(fā)生能力的提高導(dǎo)致濃溶液的濃度升高，吸收能力的提高導(dǎo)致稀溶液的濃度降低，最終導(dǎo)致AHT機(jī)組的ΔX升高；同理，在15：40-17：10，蓄熱水箱出口水溫持續(xù)下降，導(dǎo)致該時段AHT機(jī)組的COP、ΔX下降；另外，ΔT受蒸發(fā)溫度和發(fā)生溫度的影響，ΔT隨蒸發(fā)溫度的升高而升高，隨發(fā)生溫度的升高而降低，而在驅(qū)動熱水溫度發(fā)生變化時，發(fā)生溫度升高而蒸發(fā)溫度降低，因此，ΔT的變化趨勢與驅(qū)動熱水溫度的變化趨勢基本一致。

供熱期間典型日HSSAAHT的能耗和主要性能參數(shù)如表2所示。其中，根據(jù)文獻(xiàn)[13]所述得到太陽能保證率的計(jì)算公式為

式中：Qj為太陽能系統(tǒng)吸收的熱量，kW·h；Qz為太陽能系統(tǒng)能耗，kW·h。

表2 供熱期間典型日HSSAAHT的能耗和主要性能參數(shù)Table 2 Energy consumption and themain performance parameters of HSSAAHT on a typical day during heating period

由表2可知，HSSAAHT的總能耗為79.51 kW·h，太陽能保證率可達(dá)到0.615。本文所研究的對象位于Ⅱ類太陽能資源較豐富地區(qū)，HSSAAHT的太陽能保證率比文獻(xiàn)[14]所規(guī)定的推薦值（0.5）高出24.4%。在能量消耗和系統(tǒng)性能方面都有較好的表現(xiàn)。

供熱期間典型日，在HSSAAHT的總能耗中，電能消耗量為47.39 kW·h，燃?xì)庀牧繛?2.12kW·h，相當(dāng)于3.68m3天然氣。按用電價格1.08元/（kW·h），天然氣價格1.75元/m3計(jì)算，當(dāng)日HSSAAHT的運(yùn)行費(fèi)用為57.62元。建筑供暖熱負(fù)荷為450 kW·h，若以普通燃?xì)忮仩t為該建筑供熱，須消耗天然氣約61.05m3，當(dāng)日運(yùn)行費(fèi)用將達(dá)到106.21元。因此，與燃?xì)忮仩t供熱相比，HSSAAHT具有較好的經(jīng)濟(jì)性，且典型日為冬至日，氣象狀況不佳，HSSAAHT用電、用燃?xì)饬枯^大，據(jù)此推斷出在冬季氣象條件較好時，HSSAAHT的太陽能利用率變大，HSSAAHT的經(jīng)濟(jì)性更加顯著。

4 結(jié)論

①本文通過將太陽能熱利用技術(shù)與AHT技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套HSSAAHT，該系統(tǒng)通過切換多種運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)了冬季供暖目的，提高了系統(tǒng)的太陽能利用率和穩(wěn)定性。

②HSSAAHT使用10℃的市政自來水作為AHT機(jī)組的冷卻水，可及時排放冷凝熱，確保AHT機(jī)組連續(xù)運(yùn)行；同時，避免了當(dāng)室外空氣溫度過低，且采用冷卻塔排放冷凝熱時AHT無法運(yùn)行的問題。

③典型日室外空氣平均溫度為-3.79℃，太陽輻射強(qiáng)度為2 286 kJ/（h·m2）時，HSSAAHT用戶側(cè)的供、回水平均溫度可達(dá)到60.86，50.41℃，可以滿足冬季辦公樓用戶的供熱需求的。

④運(yùn)行工況下，HSSAAHT的太陽能平均保證率為0.615高于設(shè)計(jì)工況，能夠滿足節(jié)能要求，在經(jīng)濟(jì)性上也有良好表現(xiàn)。由于本文選取典型日為冬至日，氣象條件不理想，據(jù)此推斷出在冬季氣象條件較好時，HSSAAHT的太陽能保證率會進(jìn)一步提高。