吸收式热泵驱动太阳能集热场耦合集中供热性能研究

刘哲先,孙昊

摘要：传统的供热系统将化石能源作为主要能源动力，但随着时代的发展和社会需求的增加，化石能源濒临枯竭，且供热过程中严重污染生态环境，因此在国家可持续发展战略的支持下，新能源供热系统的开发与利用被提上日程。尤其是太阳能供热系统，近年来被广泛应用于社会各行业领域，但太阳能供热系统也存在应用弊端，其运行状态会受到天气环境、用户负荷规律等因素影响，导致集热效率低、供水温度低等问题出现，引发集热侧与用户端负荷矛盾。基于此，本文从系统供热原理出发，对吸收式热泵驱动太阳能耦合集中供热系统的供热性能展开研究探讨，以供参考。

关键词：吸收式热泵；集中供热；太阳能集热场；耦合系统

随着国家可持续发展政策的出台，新能源的开发利用再次引发社会关注，尤其是太阳能资源，在社会中得到广泛应用，用于供热、发电等各个领域中。太阳能供暖技术在近几年发展飞速，供暖模式不断变化，不再局限于小规模分散使用，渐渐发展为大规模区域性集中供热，并结合风电、热泵等系统协同工作，能够有效保障供热稳定性。然而随着供热规模和供热面积的不断增加，太阳能系统应用过程中暴露了不少问题，运行状态常受到气候环境等因素影响，出现集热效率低、供热半径小等问题，蓄热系统的应用可对此予以改善，但若想真正处理此类问题，还应加强对新型耦合增效系统的研究，本文便围绕此课题展开详细探讨。

一、吸收式热泵-太阳能耦合供热系统

本文探讨研究的吸收式热泵-太阳能耦合供热系统由吸收器、蒸发器、冷凝器、水泵、溶液泵等多种装置构成，具体情况如图1所示。系统蒸发器的热量由平板太阳能集热器回水后的吸收式热泵提供，温度进一步降低后回水重新流向太阳能集热器，在此过程中供热回水的流向为蓄热水箱-吸收式热泵吸收器-冷凝器，在温度渐渐提升后充分发挥对末端用户的供暖功能。作为吸收式热泵驱动热源，太阳能集热器的集热温度在80摄氏度至250摄氏度之间，此过程中的传热介质由导热油充当，同时在储热罐中完成额外热量存储[1]。

图1 吸收式热泵-太阳能耦合供热系统结构原理图

二、数值模拟及系统性能评价

（一）仿真模型构建

基于TRNSYS模拟平台，构建吸收式热泵驱动太阳能耦合供热系统仿真模型，模型中包含水泵、控制器、集热器、热泵机组等多种模块，进行动态太阳模拟。

（二）模拟工况设置

本次研究选择模拟10x103m2的大型太阳能集热场，对比分析吸收式热泵驱动太阳能耦合供热系统与平板聚光型太阳能集热器串联供热系统、太阳能供热系统的性能，并对聚光型太阳能集热器面积、吸收式热泵容量变化对系统性能的影响进行深入分析[2]。模拟前先设定好模型参数，吸收式热泵、平板太阳能集热器和聚光型太阳能集热器这三种系统的吸热驱动介质分别为乙二醇溶液、水、导热油；为了方便后续供热能力分析，将供热系统回水温度恒定为40摄氏度；模拟工况所处环境定于西藏的拉萨地区，此区域蕴含丰富的太阳能资源，模拟时间范围为11月至次年3月；依照太阳能集热器面积，将其工质流量设为0.02kg/(m2·s)，蓄热水箱体积为0.15m3/m2。

（三）性能评价指标

性能评价指标有系统供热温度、供热量（Qo）、太阳能瞬时利用率（ζ），以及太阳能集热器进口温度和集热效率（η）。涉及的相关表达式有：η=Qu1/= IT Ac；ζ=[c3m3(Tg-Th)]/(Qr1+Qr2)；Qo=c3m3(Tg-Th)，其中 IT 代表的是太阳辐射强度（kJ/m2），(Qr1+Qr2)指的是系统输入太阳能（kW），即平板太阳能集热器集热量与聚光型太阳能集热器集热量的总和，[c3m3(Tg-Th)]表示的是系统输出热量，Tg、Th分别代表系统供水温度和回水温度（℃）[3]。

三、计算结果与分析

（一）系统性能对比

经试验分析得知，吸收式热泵驱动太阳能耦合集中供热系统平板太阳能集热器进口温度和系统供水温度为30.3℃和60℃，另外两种系统分别为38.1℃与49℃、37.3℃与55.6℃。据此结果发现吸收式热泵将平板太阳能集热器进口温度明显降低，系统供水温度随之升高。在同等集热面积条件下，三种系统相对应的集热量分别为963.01kW、664.03kW、840.99kW，相较于太阳能供热系统，聚光型太阳能集热器为吸收式热泵驱动太阳能耦合集中供热系统提供辅助补充，在集热器面积小的条件下依旧表现出良好的集热性能，令集热量上升达45%；相较于平板聚光型太阳能集热器串联供热系统，在吸收式热泵的驱动下，太阳能耦合集中供热系统集热量显著增加，供热量可达680kW，此时另外两种系统供热量分别为469kW、559kW。由此可见，在吸收式热泵的驱动下，太阳能供热系统供热能力明显提升，进水温度的下降更显著提升了系统集热效率和太阳能资源利用率[4]。此外，聚光型太阳能集热器、吸收式热泵双重作用赋能系统，持续加热提供热量，可以将天气环境因素对系统供热过程造成的影响降到最低，为系统供热稳定性提供保障。

（二）系统经济性对比

与其他两种系统相比，本文研究的吸收式热泵驱动太阳能耦合集中供热系统因增设了聚光型太阳能集热器等先进设备，资金投入显著增加。对吸收式热泵、蓄热水箱、太阳能集热器等设备运行成本价格进行计算分析，得出以下结论，与其他两种系统相比，吸收式热泵驱动太阳能耦合集中供热系统投资分别增加14.6%和2.4%，但系统收益分别增加30%和10%，由此可见，即便是增加了资金投入，但吸收式热泵驱动太阳能耦合集中供热系统能够回馈更高的收益，因此具有良好的经济性[5]。

结束语：

综上所述，本文提出的吸收式热泵驱动太阳能耦合集中供热系统，借助吸收式热泵机组将平板太阳能集热器进口温度降低，进而有效提升集热效率及供热能力，针对传统太阳能集中供热系统运行过程中的效率低、进口温度高等问题起到良好的改善作用。在模拟工况下，经试验证实相较于传统太阳能供热系统，本文研究的吸收式热泵驱动太阳能耦合集中供热系统，在同等集热条件下表现出更好的集热性能，吸收式热泵驱动下的太阳能耦合供热系统不仅能够显著增加集热量和供热温度，且令后续投资效益持续增加，大大减少二氧化碳排放量，减少能源消耗，具有较好的节能环保潜力。

参考文献：

[1] 贺冬辰, 陈宗帅, 孙智冬,等. 太阳能-第二类吸收式热泵联合供热系统性能的数值研究[J]. 可再生能源,  2021, 39(5):603-610.

[2] 程友良, 刘萌, 刘志东, et al. 平板型集热器驱动的小型太阳能吸收式制冷系统运行分析与优化研究[J]. 可再生能源,  2021, 39(8):7.

[3] 米玉鸿, 冯林魅, 柏建华,等. 亚临界热电联产机组耦合吸收式热泵系统热经济性及环境效益分析[J]. 热能动力工程,  2022(4):037.

[4] 张春枝, 王可, 李涛,等. 户用太阳能-空气源热泵耦合供能系统性能模拟研究[J]. 西安建筑科技大学学报：自然科学版, 2021(6):53.

[5] 冯国会张磊常莎莎黄凯良李艾浓. 严寒地区太阳能跨季节蓄热-地源热泵耦合系统性能研究[J]. 暖通空调,  2021, 51(1):202-206.

作者简介：刘哲先(1992.4-)，男，汉族，天津，大学本科，工程师，研究方向：综合能源管理和智慧供热。