清華大學(xué)  王建  尚升 石文星 李先庭 吳偉 王寶龍

       【摘  要】我國的建筑供暖能耗隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程逐漸上漲，為了減少能源消耗和污染物排放，燃料驅(qū)動的吸收式熱泵是鍋爐主要的替代技術(shù)之一。然而，當(dāng)蒸發(fā)溫度太低時(shí)，吸收式熱泵會因放氣范圍太小而無法正常工作。因此，本文提出了一種可在吸收式熱泵和鍋爐兩種模式下運(yùn)行的吸收式熱泵-鍋爐復(fù)合機(jī)組技術(shù)方案，有機(jī)融合兩種技術(shù)各自的節(jié)能性與可靠性優(yōu)勢，以滿足建筑采暖需求。通過建立該機(jī)組數(shù)學(xué)模型，本文研究了換熱器的幾種設(shè)計(jì)方案，結(jié)果表明：復(fù)合機(jī)組的發(fā)生器、熱回收器和分凝器應(yīng)按照較大的設(shè)計(jì)值選擇，其他部件則應(yīng)由設(shè)計(jì)結(jié)果中的較小值確定；鍋爐模式要在采暖室外計(jì)算溫度下進(jìn)行計(jì)算，吸收式熱泵模式設(shè)計(jì)容量的選擇需平衡節(jié)能率和初投資兩個(gè)因素。

       【關(guān)鍵字】吸收式熱泵；鍋爐；供熱；氨水（NH3-H2O）；可靠性

1 引言

       從1996年到2015年，我國的城鎮(zhèn)化率由30.48%提高到了56.10%，于是建筑規(guī)模大幅增加。這帶動了供暖能耗的上漲，例如，北方城鎮(zhèn)供暖能耗在1996年是0.72億噸標(biāo)煤，到2015年這個(gè)數(shù)值則變?yōu)?.91億噸標(biāo)煤，占當(dāng)年建筑總能耗的22%^[1]。與此同時(shí)，我國的主要供暖方式仍是燃料鍋爐，它的可靠性很高；但是燃燒產(chǎn)生的熱量通過直接換熱的方式滿足建筑的熱負(fù)荷，這種方法不夠高效，排放物也較多。因此，為了降低能耗、減少污染，學(xué)者們提出了多種提高鍋爐效率的方法，包括顯熱回收法、冷凝熱回收法、熱泵熱回收法^[2]、開式吸收式熱泵回收法^[3]等。

       這些技術(shù)確實(shí)有效果，可從一次能源的角度考慮，它們的效率總不會超過1.0。為了使供熱效率進(jìn)一步提升，燃料驅(qū)動的吸收式熱泵逐漸得到關(guān)注，其蒸發(fā)器可從外界吸取部分免費(fèi)的低位熱量，所以其一次能源效率能夠大于1.0。然而，當(dāng)蒸發(fā)器側(cè)低位熱源的溫度比較低時(shí)，稀溶液和濃溶液之間的濃度差會過小，從而導(dǎo)致單效吸收式熱泵無法正常運(yùn)行^[4]。解決這個(gè)問題最簡單的方法是將一臺鍋爐與吸收式熱泵并聯(lián)，二者切換工作；但不足之處是要投資兩臺設(shè)備，所需容納空間較大，以及熱水管路也要來回切換。多級或者多級耦合的吸收式熱泵是也有效的措施，可它們的結(jié)構(gòu)和控制比較復(fù)雜，未得到推廣應(yīng)用^[5]。Wu等人^[6]對一臺增壓型吸收式熱泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測試發(fā)現(xiàn)，在吸收器和蒸發(fā)器之間增加一臺壓縮機(jī)的做法可以有效降低蒸發(fā)溫度的下限值，可是這需要消耗一部分電能。

       據(jù)此，本文提出了一種包括吸收式熱泵模式和鍋爐模式的吸收式熱泵-鍋爐復(fù)合機(jī)組，以期在高效節(jié)能的基礎(chǔ)上保證低環(huán)境溫度下供熱的可靠性。通過建立其數(shù)學(xué)模型，結(jié)合一棟建筑物的供暖季逐時(shí)負(fù)荷，本文將探究及比較復(fù)合機(jī)組換熱器的幾種設(shè)計(jì)方法。

2 工作原理

       與常規(guī)的單效直燃型吸收式熱泵的結(jié)構(gòu)相比，圖1所示的吸收式熱泵-鍋爐復(fù)合機(jī)組增加了閥3及旁通管，從而令其包含兩種運(yùn)行模式：吸收式熱泵模式和鍋爐模式。當(dāng)工況足夠好時(shí)，閥1和閥2打開，閥3關(guān)閉，此時(shí)整個(gè)循環(huán)就是一個(gè)帶煙氣熱回收器的直燃型吸收式熱泵。

       當(dāng)閥門1關(guān)閉、閥門2和3打開時(shí)，吸收式熱泵-鍋爐復(fù)合機(jī)組運(yùn)行在鍋爐模式。這時(shí)候，回?zé)崞骱驼舭l(fā)器會被旁通，冷凝器中產(chǎn)生的液態(tài)制冷劑經(jīng)過閥3直接進(jìn)入吸收器；來自發(fā)生器的稀溶液將熱量傳遞給熱水，并與制冷劑液體混合成為濃溶液，這個(gè)過程中幾乎沒有相變過程。整個(gè)設(shè)備的制熱量包含冷凝過程的產(chǎn)熱、吸收器中的顯熱換熱和回收的煙氣余熱，這些熱量歸根結(jié)底都來源于發(fā)生器中的燃燒熱，而不像吸收式熱泵模式一樣從外界提取一部分低品位熱量。

       對于吸收式熱泵-鍋爐復(fù)合機(jī)組而言，吸收式熱泵模式的主要作用是節(jié)能，鍋爐模式則是為了保證供熱的可靠性，尤其是在室外溫度很低的環(huán)境中。與吸收式熱泵并聯(lián)鍋爐、增壓吸收式熱泵等方案相比，它的主要優(yōu)點(diǎn)在于只有一臺設(shè)備，占用的空間有限；且其主要驅(qū)動源仍是燃料，而不需要較多電能。

3 模型搭建

       為了擴(kuò)大復(fù)合機(jī)組的適用范圍，工質(zhì)對選取NH₃-H₂O；燃?xì)庵屑淄榈谋壤芨撸钥蓪⑵淇醋骷兗淄椋铱諝獾倪^量系數(shù)設(shè)為120%^[2]。然后，本節(jié)采用軟件EES（Engineering Equation Solver）和文獻(xiàn)[2,7]中的物性數(shù)據(jù)，構(gòu)建了圖1復(fù)合機(jī)組的數(shù)學(xué)模型。

       建立模型主要的根據(jù)是質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律^[8]，具體形式如下：

       （1）質(zhì)量守恒：

       Σm_in=Σm_out（1）

       Σm_in·x_in =Σm_out·x_out（2）

       其中  m_in, m_out——分別是部件進(jìn)口、出口的流體質(zhì)量流量，kg/s；x_in, x_out——分別是部件進(jìn)口、出口的流體質(zhì)量濃度。

       （2）能量守恒：

       Q+Σm_in·h_in =Σm_out·h_out（3）

       Q=UA·LMTD  （4）

       Q=Cp·m_f·ΔT  （5）

       其中  h_in, h_out——分別為從部件進(jìn)、出的流體比焓，kJ/kg；Q——部件的換熱量，kW；UA——換熱系數(shù)與其換熱面積的乘積，kW/K；LMTD——對數(shù)平均溫差，ºC；Cp——載熱流體的比熱，kJ/(kg·K)；m_f——載熱流體的質(zhì)量流量，kg/s；ΔT——載熱流體的進(jìn)出口溫差，ºC。

       模型的準(zhǔn)確性驗(yàn)證請見文獻(xiàn)[1]。

4 結(jié)果分析

       結(jié)合北京一幢建筑物的熱需求，本節(jié)比較了吸收式熱泵-鍋爐復(fù)合機(jī)組的幾種換熱器設(shè)計(jì)方案。該建筑熱負(fù)荷和環(huán)境溫度的逐時(shí)數(shù)據(jù)來自DeST，北京市采暖室外計(jì)算溫度是-9 ºC。

       4.1 設(shè)計(jì)方案的制定

       選擇的4種設(shè)計(jì)方案是不同工況下吸收式熱泵模式和鍋爐模式各自設(shè)計(jì)結(jié)果的組合，依據(jù)的原則如表1。其中，吸收式熱泵模式的設(shè)計(jì)外溫是根據(jù)相對設(shè)計(jì)容量選擇的，而相對設(shè)計(jì)容量的定義為：該方案的設(shè)計(jì)容量與采暖室外計(jì)算溫度對應(yīng)的熱負(fù)荷的比值。所有方案的發(fā)生器和熱回收器都按照-9 ºC時(shí)鍋爐模式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是兩種模式設(shè)計(jì)結(jié)果中的較大值，這是為了保證機(jī)組在低溫下仍能從燃燒熱中取出較多熱量。分凝器也都選取了兩種模式設(shè)計(jì)結(jié)果中的較大值，因?yàn)樗鼘τ谥评鋭┘兌群苤匾斜匾O(shè)計(jì)得大一些。其他部件可以根據(jù)較小的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，以降低成本、減小設(shè)備體積。經(jīng)計(jì)算，各換熱器的具體參數(shù)如表2所示。

       4.2 不同設(shè)計(jì)方法的比較

       輸入建筑負(fù)荷和環(huán)境溫度，通過搭建的數(shù)學(xué)模型可以輸出各方案對應(yīng)的燃?xì)庵饡r(shí)消耗量，控制邏輯是：（1）如果吸收式熱泵模式的放氣范圍或制冷劑蒸氣中NH3的濃度小于一定程度，則復(fù)合機(jī)組運(yùn)行鍋爐模式；（2）當(dāng)計(jì)算所得燃?xì)獾男枨罅看笥谠O(shè)計(jì)值時(shí)，燃?xì)庀牧康扔谠O(shè)計(jì)值。放氣范圍過小意味著發(fā)生器中沒有制冷劑分離出來，制冷劑中含有較多水則會導(dǎo)致蒸發(fā)器中無法順利進(jìn)行氨的氣化，這兩種情況都會造成蒸發(fā)器喪失功能。燃?xì)饬髁康脑O(shè)計(jì)值為0.001988 kg/s，是鍋爐模式在環(huán)境溫度為-9 ºC的工況下計(jì)算得到的。本文只選取方案1、方案2、方案4和鍋爐的計(jì)算結(jié)果展示于圖2和圖3。

       將各方案的逐時(shí)結(jié)果求和匯總于圖4中，并計(jì)算它們相對于鍋爐的節(jié)能率：

       節(jié)能率=[（鍋爐燃?xì)夂牧?方案i燃?xì)夂牧浚?鍋爐燃?xì)夂牧縘·100%（6）

       可以發(fā)現(xiàn)，這幾種方案的節(jié)能率范圍是14.18%~26.72%。雖然方案2的節(jié)能率比方案1大2.45%，但是前者很多部件的設(shè)計(jì)UA值都較大，這會使得機(jī)組的初投資增加，尤其是當(dāng)氨水吸收機(jī)的價(jià)格比較高時(shí)。因此，相對于方案2，方案1代表的“發(fā)生器和熱回收器根據(jù)較大計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)、其他部件由設(shè)計(jì)結(jié)果中的較小值確定”的設(shè)計(jì)方法更加合理。

       再分析設(shè)計(jì)方法相同、吸收式熱泵模式相對設(shè)計(jì)容量卻逐漸減小的方案1、方案3和方案4，它們的燃?xì)夂牧恳来卧黾樱韵鄬τ阱仩t的節(jié)能率是減小的。可是，機(jī)組的設(shè)計(jì)容量越小，造價(jià)就會越低。所以，要平衡節(jié)能率和初投資這兩個(gè)因素，選擇合適的設(shè)計(jì)容量。

5 結(jié)論

       本文提出了一種吸收式熱泵-鍋爐復(fù)合機(jī)組，它具有吸收式熱泵和鍋爐兩種運(yùn)行模式，前者發(fā)揮其節(jié)能優(yōu)勢，后者保證了建筑供暖的可靠性。本文通過模擬探究了該機(jī)組應(yīng)用于北京建筑時(shí)的換熱器設(shè)計(jì)方法，獲得了如下結(jié)論：

       （1）相對于鍋爐供暖，該機(jī)組幾種設(shè)計(jì)方案的節(jié)能率為14.18%~26.72%。

       （2）復(fù)合機(jī)組的發(fā)生器、熱回收器及分凝器均應(yīng)根據(jù)鍋爐模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其他部件則由設(shè)計(jì)結(jié)果中的較小值確定。其中，鍋爐模式的設(shè)計(jì)外溫為當(dāng)?shù)夭膳彝庥?jì)算溫度，而吸收式熱泵模式的設(shè)計(jì)容量則需在平衡節(jié)能率和初投資的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理選擇。

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       備注：本文收錄于第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。