不同地区住宅能耗与太阳能吸收式空调系统匹配性分析与模拟研究

程友良，刘 萌，刘志东，何传金

（华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003）

0 引言

太阳能热驱动空调系统包括太阳能吸收式空调系统、太阳能吸附式空调系统、太阳能喷射式空调系统等。 其中，太阳能吸收式空调系统应用得比较广泛，特别是以溴化锂为循环介质的太阳能吸收式空调系统。 太阳能热驱动空调系统不但实现了太阳能的有效利用，而且还大大降低了电力资源的消耗，减少了常规能源发电所带来的环境污染[1]，[2]。

国内外学者对太阳能吸收式空调系统及其相关的重要设备进行了大量研究。 对于太阳能集热器，贾柠泽[3]研制了一套聚光比为3.9 的非跟踪式复合多曲面聚光器，利用该聚光器能够提高北方寒冷地区太阳能建筑采暖系统的适用性。 对于储能系统，傅杰[4]建立了相变储能太阳能热泵系统实验平台，实验结果表明，相变储能太阳能热泵系统能够满足北方农村的供暖需求。 毛前军[5]选用KNO3-NaNO3作为蓄热材料，分析结果表明，该相变蓄热材料具有较强的导热性能。 程友良[6]选用新型三元熔融盐KNO3-NaNO3-NaNO2作为蓄热材料，并对太阳能单罐蓄热装置的传热性能和蓄热性能进行了模拟研究，分析结果表明，当熔融盐入口流速为0.03 m/s 时，该蓄热装置能够保证较高的蓄热效率以及较短的蓄热周期。 对于太阳能吸收式空调系统，Kim D S[7]提出了一种带有平板太阳能集热器的风冷太阳能吸收式制冷系统，该系统为低温驱动的半效循环系统，可在炎热和干燥地区使用。 王志敏[8]通过实验分析了太阳能吸收式制冷系统在呼和浩特地区使用时的各项性能，分析结果表明，集热器的高性能、当地丰富的太阳能资源和冷却水温条件等是呼和浩特地区应用太阳能吸收式制冷的保证，当集热器温度为90 ℃时，太阳能吸收式空调系统总效率为0.473。 徐震原[9]提出了一种基于太阳能中低温利用的可变效吸收式制冷循环系统，当蒸发温度为5 ℃，冷却水温度为32 ℃时，该循环的热源驱动温度为83.5～110 ℃，比单效循环的热源温度范围扩大了2 倍，拓宽了吸收式空调机组对热源温度的利用范围。

综上可知，国内外学者已经对太阳能吸收式空调系统，以及太阳能集热器、储能系统进行了大量研究。 但对太阳能吸收式空调系统的小型化，以及机组与住宅能耗的匹配方面，仍须进一步研究。

本文基于不同热工分区住宅全年能耗分析结果的基础上，采用 EES （Engineering Equation Solver）软件进行建模（制冷量10 kW），而后利用TRNSYS 软件进行模拟仿真，最后根据模拟结果对无辅助热源的太阳能吸收式空调系统的各项参数进行分析。

1 数值模拟

1.1 太阳能集热器数值模型

为了简化计算，本文选用了 Hotel，Woertz，Whillier 以及Bliss 提出来的平板集热器稳态模型[10]。

模拟过程中的假设条件：①各部件对太阳能集热器热容的影响可忽略不计；②太阳能集热器处于稳定工况；③忽略管路的热损失；④太阳能集热器采光面无覆盖和遮挡；⑤在研究区域内，忽略环境温度和太阳辐射强度的变化。

平板型太阳能集热器的能量平衡方程、总有效能量收集率和集热效率的计算式分别为

式中：Qa为单位时间内太阳能集热器吸收的太阳辐射能，W；Ql为单位时间内太阳能集热器的能量损失，W；Qu为单位时间内太阳能集热器的有用输出能量，W；Qs为单位时间内太阳能集热器热容的变化量，W；Cp为太阳能集热器内工质的定压比热容，取 4.19 kJ/（kg·℃）；m 为太阳能集热器内工质的流量，kg/s；T11为太阳能集热器的出口温度，℃；T12为太阳能集热器的进口温度，℃；Ta为环境温度，℃；η 为太阳能集热器的集热效率；Aa为太阳能集热器的采光面积，m2；I 为太阳辐射强度，kW/m2；F′为太阳能集热器的效率因子，该参数为太阳能集热器结构特性参数，表征吸热体与工质之间的传热性能；τ 为盖板的太阳光透过率；α 为吸热板的太阳光透过率；UL为太阳能集热器的总热损失系数，W/（m2·℃）。

1.2 小型吸收式机组模型

本文基于质量平衡方程和能量平衡方程[11]建立模型。 太阳能吸收式空调系统的循环工质为溴化锂水溶液。 在模拟过程中利用EES 软件获得溴化锂水溶液的物性参数。

为了便于建模以及动态研究，对小型吸收式机组模型作如下假设[12]，[13]：①不计管路阻力，忽略蒸发器与吸收器之间以及发生器与冷凝器之间的压力差；②冷凝器出口的水处于饱和状态，蒸发器出口的蒸汽处于饱和状态；③忽略节流损失，即节流器内的工质处于等焓过程；④溶液发生、吸收结束时，均处于饱和状态； ⑤机组在稳态工况下运行。

机组内工质的质量平衡方程为

机组的能量平衡方程为

式中：min为溶液进口质量流量，kg/s；mout为溶液出口质量流量，kg/s；hin为工质的进口比焓，kJ/kg；hout为工质的出口比焓，kJ/kg；xin为溴化锂水溶液的进口浓度，%；xout为溴化锂水溶液的出口浓度，%；Qin为各部件的进口热量，kW；Qout为各部件的出口热量，kW；W 为溶液泵输出功率，kW。

1.3 太阳能集热器集热面积的计算

在太阳能蓄热系统中，太阳能集热器的集热面积由蓄热系统负荷、集热器类型、气象参数、太阳辐射强度等决定。 可以将模拟系统中的太阳能蓄热系统看作为直接加热式太阳能热水系统。

太阳能集热器集热面积A 的计算式为

式中：f 为太阳能保证率；Ha为太阳能集热器单位面积上的日平均太阳辐射量，kJ/（m2·d）；cw为太阳能集热器内水的比热容，取 4.19 kJ/（kg·K）；mw为太阳能集热器内水的质量流量，t/h；tout为太阳能集热器的出水温度；tin为太阳能集热器的进水温度；ηl为太阳能蓄热系统的热损失率。

2 模型建立

本文基于文献[12]，选取北京农村某户单层住宅作为建模的依据。

图1 为住宅的平面图。

图1 住宅的平面图Fig.1 Residential plan

本文所研究的住宅坐北朝南，该住宅由3 个房间组成，室内总面积为70.95 m2。 住宅的外墙由厚度为20 mm 的水泥砂浆、 厚度为370 mm 的重砂浆粘土以及厚度为20 mm 的石灰砂浆（由外向内）组成，综合传热系数为 1.52 W/（m2·K）；内墙由厚度为20 mm 的水泥砂浆、 厚度为240 mm 的重砂浆粘土以及厚度为20 mm 的石灰砂浆（由外向内）组成，综合传热系数为 1.76 W/（m2·K）；平屋面由灰泥组成，传热系数为 1.64 W/（m2·K）；窗户为单层玻璃，厚度为6 mm，传热系数为4.7 W/（m2·K）。

客厅的热扰设置情况见表1。 表中的内扰系数为对应时间段内扰量占最大内扰量的比例，客厅中人数的最大值为4，人均发热量为60 W，灯光的最大功率为60 W，设备的最大功率为100 W。卧室的热扰设置情况见表2。卧室中人数的最大值为2，人均发热量和灯光的最大功率与客厅相同，设备的最大功率为50 W。

表1 客厅的热扰设置情况Table 1 Living room hot disturbance setting

表2 卧室的热扰设置情况Table 2 Bedroom heat disturbance Settings

3 数值模拟及结果分析

建筑负荷模型搭建完成后，对每个热工分区的各项参数进行设定，而后利用DeST 软件对建筑负荷进行计算，得到全年逐时建筑负荷的模拟结果。

3.1 不同热工分区的负荷模拟及分析

本文基于不同的热工分区，分析农村住宅的冷、热负荷。 严寒地区选取哈尔滨市，寒冷地区选取北京市，夏热冬冷地区选取上海市，夏热冬暖地区选取广州市。在模拟过程中，为了保持研究对象的一致性，并未根据不同地区对建筑维护结构的要求作相应的修改，但全年住宅能耗的变化趋势并不会受到影响。 不同热工分区内住宅能耗的全年变化情况，如图2 所示。

图2 不同热工分区内住宅能耗的全年变化情况Fig.2 Comparison chart of annual heat load of residential buildings in different thermal zones

由图2 可看出，对于严寒地区，住宅热负荷的最大值为 249.54 W/m2，出现在 1 月 8 日，冷负荷的最大值为109.53 W/m2，出现在8 月16 日，为了满足最不利情况下的负荷需求，须选定额定功率为17 kW 的热泵机组。对于寒冷地区，热负荷的最大值为 188.58 W/m2，出现在1 月19 日，冷负荷的最大值为115.56 W/m2，出现在 8 月3 日，因此选用额定功率为13 kW 的热泵机组可以满足该地区全年的供热需求和制冷需求。 对于夏热冬冷地区，住宅热负荷的最大值为106.91 W/m2，出现在1 月10 日，冷负荷的最大值为141.5 W/m2，出现在8 月16 日，住宅的冷负荷比热负荷大，应按照冷负荷量选定热泵机组，因此，选择额定功率为10 kW 的热泵机组。对于夏热冬暖地区，热负荷和冷负荷的最大值分别出现在1 月27 日和8 月14日，二者分别为 51.45，148.84 W/m2，选择额定功率为10 kW 的热泵机组即可满足全年的能耗需求，由于该地区冬季的热负荷较小，因此，可以采用太阳能集热器与蓄热水箱直供的方法来满足住宅的冬季供热。

由图2 还可以看出，不同热工分区内住宅的全年能耗差别较大。对于严寒地区，住宅的热负荷占据了主导地位，仅在7 月至9 月有制冷需求，且冷负荷平均值不高，但大部分时间内，住宅的热负荷大于 150 W/m2，远远大于夏季冷负荷（50 W/m2）。 与严寒地区相比，寒冷地区的热负荷有所下降，冷负荷有所增加，冷负荷需求时间为6 月初至9 月底，住宅的冷负荷量大部分时间内低于100 W/m2，夏季需要7 kW 的制冷量即可满足制冷需求。 夏热冬冷地区内最大制冷量高于最大制热量，冬季热负荷指标达到100 W/m2时，可以满足绝大多数的热负荷需求，因此需要7 kW 功率机组即可满足制热需求。 夏热冬暖地区住宅的冷负荷占据了主导地位，仅在1，12 月份内的部分时间有热负荷，且大部分时间内低于50 W/m2。

综上可知，不同热工分区内住宅的全年能耗存在很大的差异，因此在农村住宅中使用太阳能吸收式空调系统时，应充分考虑所在地区住宅的全年能耗[13]，兼顾住宅的冷、热负荷，合理选择热泵机组的额定功率[14]。

3.2 太阳能吸收式空调系统模拟与分析

3.2.1 系统模拟及分析

对不同热工分区内的住宅能耗进行分析后，选取适合使用太阳能吸收式空调系统的夏热冬暖地区作为研究对象，并以广州地区的气象数据作为天气模拟条件，选取利用EES 软件得到的10 kW 制冷机，以及 TRNSYS 软件中的集热器（type1b）和分层蓄热水箱（type4c）作为主要部件建立制冷系统。

图3 太阳能吸收式制冷系统结构图Fig.3 Structure diagram of solar absorption refrigeration system

太阳能吸收式制冷系统结构图如图3 所示。本文选取夏季7 月30 日-8 月6 日为模拟时段，制冷运行时间为9：00-18：00。为了保证太阳能吸收式空调系统能快速启动，在该系统中采用了大、小储热水箱。 为了防止太阳能集热系统循环泵频繁启停，确定太阳能集热系统的控制策略：当太阳能集热器的出水温度比蓄热水箱的出水温度高10 ℃时，启动太阳能集热器循环泵，对蓄热罐进行蓄热；当蓄热水箱的出口温度比太阳能集热器的出口温度低2 ℃时，关闭太阳能集热器循环泵；在太阳能集热过程中，当蓄热水箱的温度高于100 ℃时，关闭太阳能集热器循环泵；当太阳能集热器的出口温度或者蓄热水箱的出口温度达到一定温度时，开启太阳能吸收式空调系统。

为保证热泵机组的运行温度，确定太阳能吸收式空调系统的控制策略： 发生器的控制温度设定为85 ℃，当蓄热水箱的出水温度达到85 ℃时，启动制冷机； 当蓄热水箱的出水温度低于80 ℃时，吸收式机组停止运行。

图4 为太阳能吸收式空调系统各项参数随时间的变化情况。

图4 太阳能吸收式空调系统各项参数随时间的变化情况Fig.4 Variation of parameters of solar energy absorption air conditioning system with time

由图4 可知，测试时间段内，太阳辐射强度不稳定。 其中，7 月 30 日、8 月 2 日-4 日，单位面积的太阳辐射量的最大值较高，为882.5 W/m2。测试时间段内，单位面积太阳辐射量的平均值为210.1 W/m2。 由图4 还可看出，测试时间段内的前3 天，太阳能集热器的集热量主要用于提升蓄热水箱的温度。 对于以平板太阳能集热器驱动的太阳能吸收式空调系统，7 月 30 日 （5 040～5064 h），9：00太阳能集热系统启动，18：00 蓄热水箱出口温度达到 73.4 ℃；7 月 31 日（5 064～5 088 h），由于太阳辐射强度较弱，经过一整天的蓄热，蓄热水箱温度达到 80.8 ℃；8 月 1 日 （5 088～5 112 h），13：00蓄热水箱出水温度为85 ℃，达到了太阳能集热系统的启动温度，不过此时蓄热水箱温度不高，仅能维持太阳能集热系统持续运行1 h，而后太阳能集热系统间断运行，15：00 蓄热水箱温度降至 80℃，此时达到了吸收式空调机组的最低运行温度，该机组停止运行，18：00 蓄热罐温度为82 ℃；8 月2-4 日，太阳能辐射强度高，并且由于蓄热水箱的基础温度较高，因此蓄热水箱出水温度能够满足吸收式空调机组的运行温度，太阳能吸收式空调系统的运行时间可以达到7 h，基本可以满足住宅白天的制冷需求；8 月5-6 日，由于太阳辐照强度较弱，太阳能集热系统无法获得足够的热量，因此太阳能吸收式空调系统仅运行了约2 h。

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3.2.2 能效分析

太阳能集热器出口温度和发生器进口温度随时间的变化情况如图5 所示。

图5 太阳能集热器出口温度和发生器进口温度随时间的变化情况Fig.5 The change of outlet temperature of solar collector and inlet temperature of generator with time

由图5 可知：7 月30 日，在无辅助热源加热的情况下，发生器进口温度达到70 ℃左右；7 月31 日，因太阳辐射强度不够高，蓄热水箱温度略有升高，达到 80 ℃；8 月 1 日，发生器进水温度达到设定的启动温度85 ℃。 8 月2-4 日，太阳辐射强度较好，发生器进水温度维持在80～90 ℃，能够驱动机组运行。 8 月5-6 日，太阳辐照强度减弱，发生器进水温度低于了80 ℃，无法满足系统的正常运行。

本文基于蓄热水箱出水温度的分析结果，以及式（4）～（6），并利用 EES 软件进行数值模拟，得到制冷机的制冷量和运行效率COP，如图6 所示。

图6 制冷机制冷量和COP 随热源温度的变化情况Fig.6 The change of cooling capacity and COP with the temperature of heat source

由图6 可知： 当热源温度由70 ℃逐渐升高至 80 ℃时，制冷机 COP 由 0.730 逐渐增加至0.736； 当热源温度由80 ℃继续升高时，制冷机COP 反而逐渐降低，这是由于随着热源温度进一步升高，制冷剂气体的产生量较多，所带来的制冷量小于提高热源温度所耗费的能量，因此，随着热源温度进一步升高，制冷机COP 会呈现出逐渐下降的变化趋势。

由图6 还可看出，当驱动温度为97 ℃时，制冷机的制冷量为10 kW，达到额定制冷量，此时，制冷机COP 为0.724； 当吸收式空调机组热源温度为85 ℃时，制冷机的制冷量为8 kW，能满足用户大多数情况下的制冷需求，此时制冷机COP 为0.733。

4 结论与展望

本文针对太阳能吸收式空调系统与不同热工分区内农村住宅能耗的匹配性问题进行了研究。首先，利用DeST 软件建立了农村住宅模型，以不同热工分区内的城市作为研究对象；然后，利用所建模型对不同城市住宅全年的能耗进行了模拟分析；最后，基于DeST 软件的计算结果为依据，利用TRNSYS 软件建立太阳能吸收式空调系统数值模型，并利用模拟结果分析了7 月30 日-8 月6 日的太阳能吸收式空调系统的相关参数，得出如下结论。

①在严寒地区，热负荷占全年能耗的比重较大，且冬季的光照强度不及夏季，因此，太阳能吸收式空调系统在该地区的节能效果和经济性均较差； 在寒冷地区，热负荷在全年能耗的占比仍较大，在该地区应用太阳能吸收式空调系统时，须要增加辅助热源或者储热性能较好的蓄热系统；在夏热冬冷地区和夏热冬暖地区，制冷量占比较大，这两个地区的太阳辐照度较大，因此，太阳能吸收式空调系统适合于这两个地区。

②太阳能吸收式空调系统对太阳辐射强度的依赖性较高，在无辅助热源的情况下，若太阳辐照强度较高，该系统单日可运行6 h。此外，通过改善蓄热装置和集热装置的各项性能，可以在消耗少量辅助能源的条件下，满足夏热冬暖地区的制冷量和供热量。

③当太阳能集热器出口温度为95 ℃时，在太阳辐射强度较高的情况下，能够满足吸收式空调机组的热驱动温度；当驱动温度为85 ℃时，吸收式空调机组的制冷量可达到8 kW，性能系数为0.733。