清华大学  王建  尚升 石文星 李先庭 吴伟 王宝龙

       【摘  要】我国的建筑供暖能耗随着城镇化进程逐渐上涨，为了减少能源消耗和污染物排放，燃料驱动的吸收式热泵是锅炉主要的替代技术之一。然而，当蒸发温度太低时，吸收式热泵会因放气范围太小而无法正常工作。因此，本文提出了一种可在吸收式热泵和锅炉两种模式下运行的吸收式热泵-锅炉复合机组技术方案，有机融合两种技术各自的节能性与可靠性优势，以满足建筑采暖需求。通过建立该机组数学模型，本文研究了换热器的几种设计方案，结果表明：复合机组的发生器、热回收器和分凝器应按照较大的设计值选择，其他部件则应由设计结果中的较小值确定；锅炉模式要在采暖室外计算温度下进行计算，吸收式热泵模式设计容量的选择需平衡节能率和初投资两个因素。

       【关键字】吸收式热泵；锅炉；供热；氨水（NH3-H2O）；可靠性

1 引言

       从1996年到2015年，我国的城镇化率由30.48%提高到了56.10%，于是建筑规模大幅增加。这带动了供暖能耗的上涨，例如，北方城镇供暖能耗在1996年是0.72亿吨标煤，到2015年这个数值则变为1.91亿吨标煤，占当年建筑总能耗的22%^[1]。与此同时，我国的主要供暖方式仍是燃料锅炉，它的可靠性很高；但是燃烧产生的热量通过直接换热的方式满足建筑的热负荷，这种方法不够高效，排放物也较多。因此，为了降低能耗、减少污染，学者们提出了多种提高锅炉效率的方法，包括显热回收法、冷凝热回收法、热泵热回收法^[2]、开式吸收式热泵回收法^[3]等。

       这些技术确实有效果，可从一次能源的角度考虑，它们的效率总不会超过1.0。为了使供热效率进一步提升，燃料驱动的吸收式热泵逐渐得到关注，其蒸发器可从外界吸取部分免费的低位热量，所以其一次能源效率能够大于1.0。然而，当蒸发器侧低位热源的温度比较低时，稀溶液和浓溶液之间的浓度差会过小，从而导致单效吸收式热泵无法正常运行^[4]。解决这个问题最简单的方法是将一台锅炉与吸收式热泵并联，二者切换工作；但不足之处是要投资两台设备，所需容纳空间较大，以及热水管路也要来回切换。多级或者多级耦合的吸收式热泵是也有效的措施，可它们的结构和控制比较复杂，未得到推广应用^[5]。Wu等人^[6]对一台增压型吸收式热泵进行了实验，测试发现，在吸收器和蒸发器之间增加一台压缩机的做法可以有效降低蒸发温度的下限值，可是这需要消耗一部分电能。

       据此，本文提出了一种包括吸收式热泵模式和锅炉模式的吸收式热泵-锅炉复合机组，以期在高效节能的基础上保证低环境温度下供热的可靠性。通过建立其数学模型，结合一栋建筑物的供暖季逐时负荷，本文将探究及比较复合机组换热器的几种设计方法。

2 工作原理

       与常规的单效直燃型吸收式热泵的结构相比，图1所示的吸收式热泵-锅炉复合机组增加了阀3及旁通管，从而令其包含两种运行模式：吸收式热泵模式和锅炉模式。当工况足够好时，阀1和阀2打开，阀3关闭，此时整个循环就是一个带烟气热回收器的直燃型吸收式热泵。

       当阀门1关闭、阀门2和3打开时，吸收式热泵-锅炉复合机组运行在锅炉模式。这时候，回热器和蒸发器会被旁通，冷凝器中产生的液态制冷剂经过阀3直接进入吸收器；来自发生器的稀溶液将热量传递给热水，并与制冷剂液体混合成为浓溶液，这个过程中几乎没有相变过程。整个设备的制热量包含冷凝过程的产热、吸收器中的显热换热和回收的烟气余热，这些热量归根结底都来源于发生器中的燃烧热，而不像吸收式热泵模式一样从外界提取一部分低品位热量。

       对于吸收式热泵-锅炉复合机组而言，吸收式热泵模式的主要作用是节能，锅炉模式则是为了保证供热的可靠性，尤其是在室外温度很低的环境中。与吸收式热泵并联锅炉、增压吸收式热泵等方案相比，它的主要优点在于只有一台设备，占用的空间有限；且其主要驱动源仍是燃料，而不需要较多电能。

3 模型搭建

       为了扩大复合机组的适用范围，工质对选取NH₃-H₂O；燃气中甲烷的比例很高，所以可将其看作纯甲烷，且空气的过量系数设为120%^[2]。然后，本节采用软件EES（Engineering Equation Solver）和文献[2,7]中的物性数据，构建了图1复合机组的数学模型。

       建立模型主要的根据是质量守恒定律和能量守恒定律^[8]，具体形式如下：

       （1）质量守恒：

       Σm_in=Σm_out（1）

       Σm_in·x_in =Σm_out·x_out（2）

       其中  m_in, m_out——分别是部件进口、出口的流体质量流量，kg/s；x_in, x_out——分别是部件进口、出口的流体质量浓度。

       （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——分别为从部件进、出的流体比焓，kJ/kg；Q——部件的换热量，kW；UA——换热系数与其换热面积的乘积，kW/K；LMTD——对数平均温差，ºC；Cp——载热流体的比热，kJ/(kg·K)；m_f——载热流体的质量流量，kg/s；ΔT——载热流体的进出口温差，ºC。

       模型的准确性验证请见文献[1]。

4 结果分析

       结合北京一幢建筑物的热需求，本节比较了吸收式热泵-锅炉复合机组的几种换热器设计方案。该建筑热负荷和环境温度的逐时数据来自DeST，北京市采暖室外计算温度是-9 ºC。

       4.1 设计方案的制定

       选择的4种设计方案是不同工况下吸收式热泵模式和锅炉模式各自设计结果的组合，依据的原则如表1。其中，吸收式热泵模式的设计外温是根据相对设计容量选择的，而相对设计容量的定义为：该方案的设计容量与采暖室外计算温度对应的热负荷的比值。所有方案的发生器和热回收器都按照-9 ºC时锅炉模式的计算结果进行设计，也就是两种模式设计结果中的较大值，这是为了保证机组在低温下仍能从燃烧热中取出较多热量。分凝器也都选取了两种模式设计结果中的较大值，因为它对于制冷剂纯度很重要，有必要设计得大一些。其他部件可以根据较小的计算结果进行设计，以降低成本、减小设备体积。经计算，各换热器的具体参数如表2所示。

       4.2 不同设计方法的比较

       输入建筑负荷和环境温度，通过搭建的数学模型可以输出各方案对应的燃气逐时消耗量，控制逻辑是：（1）如果吸收式热泵模式的放气范围或制冷剂蒸气中NH3的浓度小于一定程度，则复合机组运行锅炉模式；（2）当计算所得燃气的需求量大于设计值时，燃气消耗量等于设计值。放气范围过小意味着发生器中没有制冷剂分离出来，制冷剂中含有较多水则会导致蒸发器中无法顺利进行氨的气化，这两种情况都会造成蒸发器丧失功能。燃气流量的设计值为0.001988 kg/s，是锅炉模式在环境温度为-9 ºC的工况下计算得到的。本文只选取方案1、方案2、方案4和锅炉的计算结果展示于图2和图3。

       将各方案的逐时结果求和汇总于图4中，并计算它们相对于锅炉的节能率：

       节能率=[（锅炉燃气耗量-方案i燃气耗量）/锅炉燃气耗量]·100%（6）

       可以发现，这几种方案的节能率范围是14.18%~26.72%。虽然方案2的节能率比方案1大2.45%，但是前者很多部件的设计UA值都较大，这会使得机组的初投资增加，尤其是当氨水吸收机的价格比较高时。因此，相对于方案2，方案1代表的“发生器和热回收器根据较大计算结果进行设计、其他部件由设计结果中的较小值确定”的设计方法更加合理。

       再分析设计方法相同、吸收式热泵模式相对设计容量却逐渐减小的方案1、方案3和方案4，它们的燃气耗量依次增加，所以相对于锅炉的节能率是减小的。可是，机组的设计容量越小，造价就会越低。所以，要平衡节能率和初投资这两个因素，选择合适的设计容量。

5 结论

       本文提出了一种吸收式热泵-锅炉复合机组，它具有吸收式热泵和锅炉两种运行模式，前者发挥其节能优势，后者保证了建筑供暖的可靠性。本文通过模拟探究了该机组应用于北京建筑时的换热器设计方法，获得了如下结论：

       （1）相对于锅炉供暖，该机组几种设计方案的节能率为14.18%~26.72%。

       （2）复合机组的发生器、热回收器及分凝器均应根据锅炉模式进行设计，其他部件则由设计结果中的较小值确定。其中，锅炉模式的设计外温为当地采暖室外计算温度，而吸收式热泵模式的设计容量则需在平衡节能率和初投资的基础上进行合理选择。

参考文献

       [1] 清华大学建筑节能研究中心. 中国建筑节能年度发展研究报告2017 [M]. 中国建筑工业出版社, 2017.
       [2] Shang Sheng, Li Xianting, Chen Wei, et al. A total heat recovery system between the flue gas and oxidizing air of a gas-fired boiler using a non-contact total heat exchanger [J]. Applied Energy, 2017, 207: 613-623.
       [3] 贾红书, 付林, 张世钢. 开式吸收式热泵及在烟气余热回收中的应用 [J]. 化工进展, 2013, 32(12): 2805-2812.
       [4] Wu Wei, Shi Wenxing, Wang Jian, et al. Experimental investigation on NH3-H2O compression-assisted absorption heat pump (CAHP) for low temperature heating under lower driving sources[J]. Applied energy, 2016, 176: 258-271.
       [5] Wu Wei, Shi Wenxing, Wang Baolong, et al. A new heating system based on coupled air source absorption heat pump for cold regions: Energy saving analysis [J]. Energy conversion and management, 2013, 76: 811-817.
       [6] Wu Wei, Wang Baolong, Shang Sheng, et al. Experimental investigation on NH3-H2O compression-assisted absorption heat pump (CAHP) for low temperature heating in colder conditions [J]. International journal of refrigeration, 2016, 67: 109-124.
       [7] Wu Wei, Wang Baolong, Shi Wenxing, et al. An overview of ammonia-based absorption chillers and heat pumps [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 31: 681-707.
       [8] Wang Jian, Wang Baolong, Li Xianting, et al. Performance analysis on compression-assisted absorption heat transformer: A new low-temperature heating system with higher heating capacity under lower ambient temperature [J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 134: 419-427.
       [9] Wang Jian, Wang Baolong, Wu Wei, et al. Performance analysis of an absorption-compression hybrid refrigeration system recovering condensation heat for generation [J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 108: 54-65.

       备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。