太阳能溴化锂吸收式热泵应用分析

匡胜严，侯俊杰，谢吉平，孙夏军，欧翔

（远大空调有限公司，湖南长沙 410138）

0 引言

太阳能是公认未来人类最合适、最安全、最绿色、最理想替代能源之一，具有取用方便、能量巨大、无污染、安全性好等优点。利用太阳能驱动空调系统一方面大大减少不可再生能源及电力资源消耗，另一方面较低的耗电减少了因燃烧煤等常规燃料发电带来的环境污染问题，是当前空调制冷技术领域研究的热点[1]。

早在1981年，GROSSMAN等[2]就提出采用太阳能为溴化锂吸收式制冷机提供热源，并在太阳能不足时采用其它形式的辅助能源。1998年BEST等[3]提出影响太阳能作为溴化锂吸收式制冷机热源的主要因素是环境，例如太阳辐射强度、风速等。BELLOS等[4]对于4种不同太阳能集热器系统对比研究表明：真空集热管是最经济的技术；槽式集热器系统㶲最佳。SOUSSI[5]对突尼斯某办公楼采用双效溴化锂吸收式制冷进行了研究，太阳能使用效率为25%～35%，机组COP介于0.65～1.29。AGRAWAL等[6]为印度哈默坡一座18.5 m×13 m×4.5 m的教室设计了一套太阳能单效溴化锂吸收式制冷系统，并用TRNSYS对该系统各个设备选型进行了模拟。

在国内，1999年北京太阳能研究所在山东乳山建设了1座单效溴化锂吸收式空调系统，夏季提供100 kW制冷量，冬季提供45 ℃生活热水，系统制冷COP最高可达0.71[7]。2000年后，国内吸收式技术和太阳能集热技术快速发展，加速了太阳能空调产业化。远大空调有限公司研制了利用槽式太阳能集热器驱动、有燃气备用的双效溴化锂吸收式空调，在天津等地进行了示范应用[8]。北京天普、山东皇明、长沙远大和珠海兴业等企业都建立了太阳能空调示范系统，已经连续可靠运行18个月，是国内太阳能空调示范运行最成功工程之一[9]。

在制冷领域，马国强等[10]、王怀光等[11]和范介清等[12]分别对喷射式制冷、半导体制冷及吸附式制冷进行了研究和报道。在供热领域，丁力勤[13]和叶菁菁等[14]分别对太阳能和土壤源热泵复合系统进行了模拟计算和实际应用分析。

以上太阳能研究主要集中在制冷上，对于太阳能供热往往只是简单进行热交换或其它供热（土壤源或空气源）方式进行辅助供热。当太阳辐射比较弱，产生太阳能热水温度无法满足采暖需求时，太阳能往往无法直接利用，大大降低了太阳能的利用率。针对上述问题，本文根据太阳能热水的温度制订了不同的运行模式，提出了采用燃气驱动溴化锂吸收式热泵回收太阳能低温热水用于采暖的方法，并研究分析了典型日太阳能热泵运行情况。

1 太阳能溴化锂吸收式空调系统

太阳能溴化锂吸收式空调系统主要由太阳能集热系统和溴化锂吸收式空调系统两部分组成，如图1所示。其基本流程为：集热系统吸收太阳能热量产生高温热水或蒸汽，再通过管道送入溴化锂吸收式机组制冷，制取的冷水再经泵送往空调末端。供热时采用换热器加热采暖水。

1.1 太阳能集热器

目前常见的太阳能集热器有平板型、真空管型和聚焦型集热器。平板型是当今世界上应用最广泛的集热器，具有采光面积大、结构简单、工作可靠、成本低等特点，但热流密度低，集热温度一般不超过100 ℃。真空管型太阳能集热器因吸热体和玻璃管之间为真空，散热损失小，可产生100 ℃以上热量，热效率较高，成本适中。聚焦型太阳能集热器反射或折射方式形成焦面，接收器再将光能转换为热能，因此集热温度高，但成本较高[15]。

图1为真空管式太阳能集热系统，主要由真空管集热器、油箱、板换、导热油循环泵、保温蓄热罐、热水泵及其它管道阀门组成。循环泵将导热油（丙二醇）输送至集热器加热后经油箱至板换，形成集热循环。导热油最高供热温度240 ℃。板换的另一侧为乙二醇防冻液，防冻液与导热油换热后产生80 ℃以上热水，进入蓄热罐贮存，再经热媒水泵送入机组低温发生器制冷。

图1 太阳能溴化锂吸收式空调系统

1.2 溴化锂吸收式热泵

溴化锂吸收式热泵是一种以热能（蒸汽、燃气、高温热水等）为驱动热源、溴化锂和水为工质，通过回收低品位余热热量（如50 ℃以下低温水等），制取满足工艺或采暖用中高温热水，实现余热回收利用、从低温向高温输送热能的供热设备。

溴化锂吸收式热泵以单效循环为主，内部流程如图2所示。其运行原理如下：来自冷凝器的冷剂水进入蒸发器这个高真空环境中（2 kPa，绝压），骤然蒸发，降温至18 ℃，喷洒到换热管上，使换热管内25 ℃的低温水降温至20 ℃。冷剂水吸收低温水热量变为水蒸汽，被来自发生器的浓溶液吸收，放出热量将中温水由50 ℃加热至54 ℃。变稀的溶液被泵送至发生器并被热源加热，产生水蒸汽和浓溶液。水蒸汽进入冷凝器冷凝成水并放出热量将中温水由54 ℃加热至60 ℃，冷剂水则进入蒸发器再次蒸发吸收低温水热量。

溴化锂吸收式热泵中温水的热量主要来自于驱动热源热量和低品位余热的热量，每输入1份驱动热源可以回收约0.7份低品位余热，输出1.7份中温热量，是传统锅炉供热效率的2倍。

溴化锂吸收式热泵与溴化锂吸收式制冷机在原理和结构上类似，只是在工况和使用目的不同。同一台机组调整内部压力和溶液浓度在一定条件下可以实现两种功能间转换。

图2 溴化锂吸收式热泵流程图

1.3 太阳能溴化锂吸收式热泵

目前太阳能空调主要以单效热水型溴化锂吸收式机组为主。在实际应用中为保证机组在太阳能无法提供热源情况下也能正常满足制冷需求，机组采用带燃气补燃功能的直燃热水型机组，以保证制冷的稳定性。

直燃热水型机组通过内外部阀门开闭可以实现制冷与热泵功能相互切换。制冷流程如图3所示。低温发生器、冷凝器、蒸发器及吸收器运转，形成单效循环。太阳能高温热水进入低温发生器驱动机组运行；冷水经蒸发器对外供冷；冷却水经吸收器、冷凝器对外散热。当热水制冷量不足时，在高温发生器内补充燃气驱动双效循环。

直燃热水型机组是一种单双效相结合的溴化锂吸收式冷水机组，热水驱动的单效循环制冷系数为0.7以上；燃气驱动的双效循环制冷性能系数为1.3以上。

热泵流程如图4所示。机组内部低温发生器和冷凝器不运转，由高温发生器、高温冷凝器、蒸发器、吸收器等组成单效循环。机组采用燃气驱动；太阳能低温水进入蒸发器内被机组回收热量；中温水（采暖水）经吸收器、高温冷凝器对外供热。

图3 制冷流程图

图4 制热流程图

2 系统动行策略

太阳能溴化锂吸收式热泵系统按照太阳能热水品位，以余热优先利用的原则运行，在太阳能不足的情况下采用燃气作为辅助热源。具体运行策略如下。

夏季制冷工况：当太阳能产生的热水充足且能满足空调需求时，采用热水驱动机组制冷；当太阳能产生的热水热量少或者空调负荷比较大时，优先采用热水驱动，不足部分采用燃气补充；当太阳能热水温度低或没有时，直接采用燃气制冷。

为防止因热水温度太低从低温发生器内吸收热量形成反作用，3种工况之间的切换通过热水温度与低温发生器溶液温度联动来实现：当热水温度高于溶液温度时进入机组制冷；当热水温度低于溶液温度时，切换三通阀，热水不进机组，在集热系统自循环加热，当升温到高于低温发生器溶液一定温度时进入机组制冷。

冬季供热工况：当温度高于供热需求温度（40 ℃左右），且供热需求小时，太阳能热水系统与采暖水通过换热器换热，机组不运行；当太阳能较弱时，机组采用热泵模式运行，燃气驱动机组回收太阳能产生的低温水（15 ℃～35 ℃）热量供热，热量不足时，在尽量回收太阳能热量的同时增加燃气补燃量。当没有太阳能时，机组切换成分隔式供热模式，通过高温发生器与高温冷凝器组成真空锅炉对外供热。

3 太阳能溴化锂吸收式热泵性能

为研究各运行模式下机组性能，选择一台BZDH30XD-R1直燃热水型热泵机组进行测试（见图5）。测试方法参考国标GB/T 18362-2008《直燃型溴化锂吸收式冷（温）水机组》附录A。在机组设计工况稳定后对各项数据进行测量，每隔20分钟测1次，连续记录不少于3次的平均值。

图5 测试机组

机组共测试4种工况：单直燃制冷工况、直燃热水制冷工况、热泵工况以及分隔式制热工况。机组制冷工况测试数据见表1。

机组测试的最大制冷量为350 kW。只采用燃气驱动时，机组的性能系数COP（制冷量/输入能量）为1.41（燃气热值按9.42 kW/(Nm3)计算）。

当采用燃气和热水双驱动时，因为燃气为双效循环，机组制冷性能系数1.41；而热水部分为单效循环，机组制冷性能系数仅为0.75，两者综合效率介于两者之间，为1.16。热水部分制冷量可根据太阳能热水热量确定，本测试机组热水制冷量占总制冷量的25%。

表1 制冷工况测试数据

机组制热工况测试数据如表2中所示。

机组热泵工况测试供热量425 kW，机组输入的能量为249 kW（燃气热量与电力总和），低温水回收热量176 kW，机组的制热效率COP（输出热量/输入能量）为1.71，低温水的热量占总制热量的41.4%。机组分隔式供热工况时，机组制热量269 kW，机组制热效率93%。

表2 制热工况测试数据

4 实际应用分析

天津位于华北平原，属于太阳能资源较丰富地区（二类），根据《全国各省市峰值日照时数查询表》，天津市5～8月平均每天单位能量为5.48 kW⋅h/(m2⋅d)，11月至次年3月平均每天单位能量为3.31 kW⋅h/(m2⋅d)，适合采用太阳能制冷和供热。

4.1 项目基本概况

天津市中北区某办公楼，设计空调总冷负荷为650 kW，总热负荷520 kW。项目中采用真空管式太阳能集热器收集太阳能热量。太阳能集热器架设在屋顶，共由120组真空管式集热管组成，每组采光面积为3.3 m2，集热效率60%。

项目采用两台BZDH30XD型直燃热水型溴化锂吸收式机组，其中一台具备制冷和采暖功能，另一台具备制冷和热泵功能。热泵机组为第3部分的测试机组，性能参数详见表1、2。

4.2 典型日动行数据

选择晴朗天气对机组运行数据进行测试分析。低温水进出口温度、中温水进出口温度通过机组上的温度传感器测得；燃气流量通过机组流量计测得。数据记录从8:00开始，每隔20分钟记录1次，直至17:00机组停机。

图6依次记录了室外温度、低温水出口温度和中温水出口温度3组数据。测试当天天气晴朗，少云，太阳辐射充足，室外温度在-6 ℃～3 ℃间波动。低温水出口温度开始运行的前2 h内逐渐从32 ℃降低至14 ℃，主要是因为机组运行时，蓄热水罐内储存了一定量的热水，温度较高，机组运行过程中不断吸收蓄热水罐内热水热量，再加上早晨太阳辐射弱，以斜射为主，太阳能热量非常有限，造成低温水温度下降。10:00～16:00，太阳辐射逐渐增强，太阳能水的温度由14 ℃逐渐升高至36 ℃，说明太阳能集热器回收的热量大于机组余热回收量，造成太阳能过剩。当16:00以后，太阳斜射，集热器回收太阳能热量的能力减弱，太阳能提供的热量小于热泵的吸热量，低温水的出口温度开始下降。从整体趋势来看，低温水的出口温度与太阳辐射强度直接相关。

图6 温度随时间变化趋势

根据记录的温度与流量通过计算得出每个时间段太阳能热水回收量、燃气量以及供热量间的关系如图7所示。机组运行可以分为4个时期：初始期、过渡期、稳定期及稀释停机期。

机组在运行初始期（8:00～9:00），由于内部溶液处于冷态，需要消耗更多的燃气使溶液升温，同时建筑刚开始采暖，热负荷大，机组除回收太阳能热量外，需要燃气补充更多的热量。此时机组供热量为485 kW，燃气提供328 kW，机组制热性能系数COP为1.48，低于机组的设计COP值。机组运行到过渡期（9:00～10:00），由于太阳能回收的热量少，低温水的温度不断下降，而供热温度不断上升，对于机组而言都是不利因素，机组的制热性能系数COP为1.52。当机组达到稳定期（10:00～16:00），太阳能充足，低温水温度缓慢上升，供热需求量稳定，机组制热性能系数由1.62逐渐升高至1.72，基本达到额定设计COP。当机组处于稀释停机期（16:00～17:00）时，机组利用内部存留的冷剂水回收热量，同时补充少量天然气驱动，机组处于节能运行阶段，制热性能系数COP达到2.15。

从最终统计的数据来看，运行当天机组从太阳能中回收的热量为1,230 kW，消耗的燃气热量为1,949 kW，提供了3,179 kW热量，运行一天的平均制热系数为1.63，机组运行节能率38.7%。

图7 热量随时间变化趋势

5 结语

太阳能热水驱动溴化锂吸收式机组制冷已有成熟的应用，而溴化锂吸收式热泵机组则兼具太阳能热水制冷和低温太阳能热水回收功能，为冬季太阳能采暖提供了新的模式和思路。本文得出的主要结论如下。

1）采用溴化锂吸收式机组，通过辅助热源的形式，同时根据太阳能热水温度，制订的3种制冷模式包括热水制冷、直燃热水制冷和直燃制冷，3种供热模式包括热水换热供热、热泵供热和分隔式供热，解决了太阳能不稳定的问题。

2）直燃热水型溴化锂吸收式机组通过内外部阀门间的开闭实现制冷功能与热泵功能的切换，提高了设备和太阳能利用率、降低了能源消耗。实测数据表明，在热泵工况下，机组的制热效率为1.71，节能率为41.4%。

3）实际案例典型日运行数据分析表明：热泵机组制热性能系数随着太阳能辐射强度的增强而升高，平均制热系数可以达到1.63，当天回收1,230 kW热量，相当于节省130.6 m3燃气，节能率为38.7%。

[1]伍佳迪. 太阳能制冷技术的研究及应用[J]. 工业设计, 2012, 7(1): 94-95.

[2]GROSSMAN G, BOURNE J R, DROR J B. Design improvements in the LiBr absorption chillers for solar applications[J]. Journal of Solar Energy Engineering, 1981,15(3): 56-61.

[3]BEST R, ORTEGA N. Solar refrigeration and cooling[J]. Renewable Energy, 1998, 16(3): 685-690.

[4]BELLOS E, TZIVANIDIS C, ANTONOPOULOS K A.Exergetic, energetic and financial evaluation of a solar driven absorption cooling system with various collector types[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 102:749-759.

[5]SOUSSI M, BALGHOUTHI M, GUIZANI A, et al.Model performance assessment and experimental analysis of a solar assisted cooling system[J]. Solar Energy, 2017, 143: 43-62.

[6]AGRAWAL T, VARUN, KUMAR A. Solar absorption refrigeration system for air-conditioning of a classroom building in northern India[J]. Journal of the Institution of Engineers, 2015, 96(4): 389-396.

[7]何梓年, 朱宁, 刘芳, 等. 太阳能吸收式空调及供热系统的设计和性能[J]. 太阳能学报, 2001, 22(1):6-11.

[8]代彦军, 王如竹. 太阳能空调制冷技术最新研究进展[J]. 化工学报, 2008, 59(S2): 1-8.

[9]刘丽, 张迪凡, 任玲芝. 太阳能溴化锂吸收式制冷技术的发展趋势及研究进展[J]. 节能, 2015(8): 15-18.

[10]马国强, 陶乐仁. 太阳能喷射式制冷系统的实验研究[J]. 制冷技术, 2014, 34(6): 1-4.

[11]王怀光, 范红波, 李国璋. 太阳能半导体制冷装置设计与性能分析[J]. 低温工程, 2013(1): 50-55.

[12]范介清, 罗斌, 王六玲, 等. 翅片管整体传热强化的太阳能吸附式制冷系统研究[J]. 太阳能学报, 2014,35(9): 1663-1669.

[13]丁力勤. 太阳能-土壤源热泵复合系统优化与性能分析[J]. 制冷技术, 2016, 36(5): 53-58.

[14]叶菁菁, 胡海涛, 丁国良, 等. 太阳能辅助二氧化碳地源热泵的性能分析[J]. 制冷技术, 2016, 36(1): 1-6.

[15]周兴法, 谢应明, 谢振兴. 太阳能单效溴化锂吸收式制冷空调技术研究现状[J]. 流体机械, 2014, 42(7):58-64.