清華大學  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化進程逐漸上漲，為了減少能源消耗和污染物排放，燃料驅動的吸收式熱泵是鍋爐主要的替代技術之一。然而，當蒸發溫度太低時，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行的吸收式熱泵-鍋爐復合機組技術方案，有機融合兩種技術各自的節能性與可靠性優勢，以滿足建筑采暖需求。通過建立該機組數學模型，本文研究了換熱器的幾種設計方案，結果表明：復合機組的發生器、熱回收器和分凝器應按照較大的設計值選擇，其他部件則應由設計結果中的較小值確定；鍋爐模式要在采暖室外計算溫度下進行計算，吸收式熱泵模式設計容量的選擇需平衡節能率和初投資兩個因素。

       【關鍵字】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，我國的城鎮化率由30.48%提高到了56.10%，于是建筑規模大幅增加。這帶動了供暖能耗的上漲，例如，北方城鎮供暖能耗在1996年是0.72億噸標煤，到2015年這個數值則變為1.91億噸標煤，占當年建筑總能耗的22%^[1]。與此同時，我國的主要供暖方式仍是燃料鍋爐，它的可靠性很高；但是燃燒產生的熱量通過直接換熱的方式滿足建筑的熱負荷，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。

       這些技術確實有效果，可從一次能源的角度考慮，它們的效率總不會超過1.0。為了使供熱效率進一步提升，燃料驅動的吸收式熱泵逐漸得到關注，其蒸發器可從外界吸取部分免費的低位熱量，所以其一次能源效率能夠大于1.0。然而，當蒸發器側低位熱源的溫度比較低時，稀溶液和濃溶液之間的濃度差會過小，從而導致單效吸收式熱泵無法正常運行^[4]。解決這個問題最簡單的方法是將一臺鍋爐與吸收式熱泵并聯，二者切換工作；但不足之處是要投資兩臺設備，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，可它們的結構和控制比較復雜，未得到推廣應用^[5]。Wu等人^[6]對一臺增壓型吸收式熱泵進行了實驗，測試發現，在吸收器和蒸發器之間增加一臺壓縮機的做法可以有效降低蒸發溫度的下限值，可是這需要消耗一部分電能。

       據此，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-鍋爐復合機組，以期在高效節能的基礎上保證低環境溫度下供熱的可靠性。通過建立其數學模型，結合一棟建筑物的供暖季逐時負荷，本文將探究及比較復合機組換熱器的幾種設計方法。

2 工作原理

       與常規的單效直燃型吸收式熱泵的結構相比，圖1所示的吸收式熱泵-鍋爐復合機組增加了閥3及旁通管，從而令其包含兩種運行模式：吸收式熱泵模式和鍋爐模式。當工況足夠好時，閥1和閥2打開，閥3關閉，此時整個循環就是一個帶煙氣熱回收器的直燃型吸收式熱泵。

       當閥門1關閉、閥門2和3打開時，吸收式熱泵-鍋爐復合機組運行在鍋爐模式。這時候，回熱器和蒸發器會被旁通，冷凝器中產生的液態制冷劑經過閥3直接進入吸收器；來自發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，這個過程中幾乎沒有相變過程。整個設備的制熱量包含冷凝過程的產熱、吸收器中的顯熱換熱和回收的煙氣余熱，這些熱量歸根結底都來源于發生器中的燃燒熱，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-鍋爐復合機組而言，吸收式熱泵模式的主要作用是節能，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境中。與吸收式熱泵并聯鍋爐、增壓吸收式熱泵等方案相比，它的主要優點在于只有一臺設備，占用的空間有限；且其主要驅動源仍是燃料，而不需要較多電能。

3 模型搭建

       為了擴大復合機組的適用范圍，工質對選取NH₃-H₂O；燃氣中甲烷的比例很高，所以可將其看作純甲烷，且空氣的過量系數設為120%^[2]。然后，本節采用軟件EES（Engineering Equation Solver）和文獻[2,7]中的物性數據，構建了圖1復合機組的數學模型。

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

       （1）質量守恒：

       Σm_in=Σm_out（1）

       Σm_in·x_in =Σm_out·x_out（2）

       其中  m_in, m_out——分別是部件進口、出口的流體質量流量，kg/s；x_in, x_out——分別是部件進口、出口的流體質量濃度。

       （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、出的流體比焓，kJ/kg；Q——部件的換熱量，kW；UA——換熱系數與其換熱面積的乘積，kW/K；LMTD——對數平均溫差，ºC；Cp——載熱流體的比熱，kJ/(kg·K)；m_f——載熱流體的質量流量，kg/s；ΔT——載熱流體的進出口溫差，ºC。

       模型的準確性驗證請見文獻[1]。

4 結果分析

       結合北京一幢建筑物的熱需求，本節比較了吸收式熱泵-鍋爐復合機組的幾種換熱器設計方案。該建筑熱負荷和環境溫度的逐時數據來自DeST，北京市采暖室外計算溫度是-9 ºC。

       4.1 設計方案的制定

       選擇的4種設計方案是不同工況下吸收式熱泵模式和鍋爐模式各自設計結果的組合，依據的原則如表1。其中，吸收式熱泵模式的設計外溫是根據相對設計容量選擇的，而相對設計容量的定義為：該方案的設計容量與采暖室外計算溫度對應的熱負荷的比值。所有方案的發生器和熱回收器都按照-9 ºC時鍋爐模式的計算結果進行設計，也就是兩種模式設計結果中的較大值，這是為了保證機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計結果中的較大值，因為它對于制冷劑純度很重要，有必要設計得大一些。其他部件可以根據較小的計算結果進行設計，以降低成本、減小設備體積。經計算，各換熱器的具體參數如表2所示。

       4.2 不同設計方法的比較

       輸入建筑負荷和環境溫度，通過搭建的數學模型可以輸出各方案對應的燃氣逐時消耗量，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，則復合機組運行鍋爐模式；（2）當計算所得燃氣的需求量大于設計值時，燃氣消耗量等于設計值。放氣范圍過小意味著發生器中沒有制冷劑分離出來，制冷劑中含有較多水則會導致蒸發器中無法順利進行氨的氣化，這兩種情況都會造成蒸發器喪失功能。燃氣流量的設計值為0.001988 kg/s，是鍋爐模式在環境溫度為-9 ºC的工況下計算得到的。本文只選取方案1、方案2、方案4和鍋爐的計算結果展示于圖2和圖3。

       將各方案的逐時結果求和匯總于圖4中，并計算它們相對于鍋爐的節能率：

       節能率=[（鍋爐燃氣耗量-方案i燃氣耗量）/鍋爐燃氣耗量]·100%（6）

       可以發現，這幾種方案的節能率范圍是14.18%~26.72%。雖然方案2的節能率比方案1大2.45%，但是前者很多部件的設計UA值都較大，這會使得機組的初投資增加，尤其是當氨水吸收機的價格比較高時。因此，相對于方案2，方案1代表的“發生器和熱回收器根據較大計算結果進行設計、其他部件由設計結果中的較小值確定”的設計方法更加合理。

       再分析設計方法相同、吸收式熱泵模式相對設計容量卻逐漸減小的方案1、方案3和方案4，它們的燃氣耗量依次增加，所以相對于鍋爐的節能率是減小的?？墒?，機組的設計容量越小，造價就會越低。所以，要平衡節能率和初投資這兩個因素，選擇合適的設計容量。

5 結論

       本文提出了一種吸收式熱泵-鍋爐復合機組，它具有吸收式熱泵和鍋爐兩種運行模式，前者發揮其節能優勢，后者保證了建筑供暖的可靠性。本文通過模擬探究了該機組應用于北京建筑時的換熱器設計方法，獲得了如下結論：

       （1）相對于鍋爐供暖，該機組幾種設計方案的節能率為14.18%~26.72%。

       （2）復合機組的發生器、熱回收器及分凝器均應根據鍋爐模式進行設計，其他部件則由設計結果中的較小值確定。其中，鍋爐模式的設計外溫為當地采暖室外計算溫度，而吸收式熱泵模式的設計容量則需在平衡節能率和初投資的基礎上進行合理選擇。

參考文獻

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       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。