吸收式热泵辅助的太阳能-地热多联产系统4E研究

付文锋， 陆家纬， 王蓝婧， 叶学民

(1.华北电力大学 河北省低碳高效发电技术重点实验室，河北保定 071003；2.华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北保定 071003)

地热能作为一种储量丰富、稳定持续的清洁能源，在发电和供热等产业中得到了广泛应用[1-2]。依据比指数，可将地热能分为高值、中值和低值三类[3]。高值地热能多直接用于发电，如干蒸汽发电、闪蒸发电、双工质发电和全流发电等[4-5]，对中低值地热能最直接的利用方式是室内供热[6]，为了兼顾能源利用效率和经济效益，也可利用多联产技术实现地热能的综合利用。

在地热能的综合利用中，常采用有机朗肯循环(ORC)、卡琳娜循环和CO2布雷顿循环等发电方式实现多联产[7]。赵军等[8]对中低值地热能的全流式发电系统进行模拟，发现地热源温度处于90～130 ℃时，全流式地热发电系统具有较好的性能。van Erdeweghe等[9]比较了不同配置方式的4种热电联产系统，结果表明采用联产形式的利用方式时系统效率更高。Habka等[10]对比了热网加热器分别与ORC系统中的高、低压蒸发器和预热器的不同耦合方式，表明在相同热耗条件下，与预热器的并联布置方式比独立循环能多发88%的电能。Navongxay等[11]对比了氨水型和溴化锂型吸收式热泵分别与ORC进行集成时的系统能效与成本指标，结果表明采用溴化锂型热泵的集成系统具有更高的热效率与效率。Pastor-Martinez等[12]对ORC、第一类吸收式热泵(AHP)与热网加热器设计了8种不同的串、并、混联布置方式，结果表明最佳级联方式可使系统效率高达20%。Ambriz-Díaz等[13]指出通过改进系统设备的设计变量，减小外部可避免损，可有效提高多联产效率。Behnam等[14]将地热能与ORC系统结合，模拟实现冷热电联供及海水淡化，研究表明吸收器和冷凝器温度的升高导致效率降低、平均能源成本升高。Calise等[15]研究了太阳能辅助的地热多联产系统，其中包含6 kW的ORC机组和17.1 kW AHP，通过25 m2的太阳能集热系统(PTSC)将96 ℃的地热源温度提升并加以利用；通过系统仿真表明，此系统可节省94.54%的一次能源，并减少97.26%的CO2排放量。Atiz等[16-17]对比了3种不同太阳能集热器分别辅助地热能的联产系统，结果表明带有PTSC的系统能效最高。同时，太阳能的利用可以明显提高低温地热水的焓，从而提高ORC的效率和发电量。

上述多联产系统均是在考虑地热能或互补能源充足时进行的系统结构布置和能量分配。为解决在地热资源有限，互补系统不足以满足用户高峰冷、热需求的问题，笔者设计了一种带有ORC、第二类吸收式热泵(AHT)、AHP和PTSC的混合热泵辅助的地热-太阳能互补系统(HAHP)，其目的在于利用双热泵组合的运行调节方式，使系统在不同负荷时段可以灵活调节冷、热、电比例；并通过与没有AHT辅助的单热泵地热-太阳能互补系统(SAHP)[11-12,15]进行对比，评价该系统的能效和成本及环境友好程度。

1 系统设计

图1 制冷工况流程图Fig.1 Diagram of design refrigeration condition

在冬季供热工况下，用户的进水和回水设计供热温度分别为60 ℃和45 ℃。如图2所示，首先将二次网水通过ORC发电系统，再经过AHP与AHT的供热组合。此时，AHP仅相当于一个换热器，将热量传给供热回水。之后，将AHP出来的二次网水(状态6)引入AHT中作为热源，将45 ℃的用户回水加热至60 ℃。对AHT来说，工作原理与制冷工况相同，只需要改变高压侧的压力。与SAHP相比，HAHP可以通过AHT运行方式的转变，实现高峰负荷下对用户冷热需求的供给。HAHP中的主要设计参数汇总见表1。

图2 供热工况流程图Fig.2 Diagram of design heating condition

这种冷热电联供系统的突出特点有：

(1) 在夏季制冷工况时，PTSC出口水首先经过AHP，可最大程度满足冷负荷供应，同时可以通过AHT的运行满足冷负荷的峰值需求；冬季供热工况时，在满足用户热负荷的需求下，PTSC出口水先经过ORC系统，可最大限度地利用地热能发电，从而实现能量高效利用。

(2) 能量的梯级利用可满足新、老用户的不同需求，在不同负荷阶段采用不同的运行方式。对于新用户，新建筑具有中央空调管路，可以实现集中供冷和供热；对于老用户，在夏季时仍使用原有的供冷方式。

表1 HAHP主要设计参数

2 数学模型及建模工具

除太阳能集热器使用Matlab建模外，其他模型均使用Ebslion建模。物性参数均来自REFPROP 9.0基于美国国家标准技术研究院数据库。

2.1 太阳能集热器建模

二次网水从PTSC接收的热量QS为[18]：

QS=cqm(Tf,out-Tf,in)

(1)

式中：Tf,in、Tf,out、c、qm分别为二次网水在PTSC中的入口温度、出口温度、比热容和质量流量。

2.2 ORC系统建模

假设ORC系统达到稳态，并忽略组件的压力损失与热损失。蒸发器能量平衡方程如下[19]：

QORC=ηORC_HXqm(hf_in,O-hf_out,O)=

qm,ORC(hO1-hO6)

(2)

式中：QORC为ORC系统蒸发器与二次网水换热量；ηORC_HX为蒸发器换热效率；hf_in,O与hf_out,O分别为二次网水在ORC蒸发器处的进、出口焓；hO1与hO6分别为ORC工质在蒸发器处的进、出口焓；qm,ORC为ORC工质的质量流量。

汽轮机输出的机械功EORC为：

EORC=ηORC_Eqm,ORC(hO1-hO2)

(3)

式中：ηORC_E为透平的发电效率；hO1与hO2分别为O1与O2状态点的焓。

循环泵的耗功EORC_P为：

(4)

式中:ηORC_P为泵的效率；hO4与hO5分别为工质在循环泵处的进、出口焓。

ORC系统总效率ηORC为：

(5)

2.3 AHT/AHP系统

AHT如图3所示。受温度所限，下文均选择单效吸收式溴化锂机组[20]，进行以下假设：(1) 系统在稳定状态下运行；(2) 忽略部件和管路间的压力与热损失；(3) 蒸发器、冷凝器、吸收器和发生器出口的流体均为饱和状态；(4) 各部件间的换热均为逆流换热；(5) 溴化锂质量分数为45%～70%，浓溶液与稀溶液质量分数差值范围为1%～5%。

图3 AHT系统Fig.3 AHT system

第二类吸收式热泵中各组件的质量平衡、浓度平衡和能量平衡方程为[21]：

∑qm,in,ki-∑qm,out,kj=0

(6)

∑qm,in,kiwin,ki-∑qm，out,kjwout,kj=0

(7)

∑qm,in,kihin,ki-∑qm,out,kjhout,kj=0

(8)

式中：qm,in,ki、win,ki、hin,ki分别为系统中第k个组件中第i支流体的入口质量流量、溴化锂质量分数和焓；qm,out,kj、wout,kj、hout,kj分别为系统中第k个组件中第j支流体的出口质量流量、溴化锂质量分数和焓。

系统总能量平衡方程为：

QEva+QGen=QCon+QAbs

(9)

式中：QEva、QGen、QCon和QAbs分别为系统蒸汽发生器吸热量、发生器吸热量、冷凝器放热量和吸收器放热量。

2.4 热交换器与储水罐

热交换器采用逆流布置，其能量平衡方程为：

(10)

2.5 模型验证

采用已有文献中参数对模型进行验证，如表2所示。由表2可知，模型结果与文献结果的相对误差均小于2%，证明本文所建模型具有足够高的精度。

表2 模拟结果及可用性

3 能效分析过程

3.1 能量与

为对系统在不同工况下的能量流动进行评价，可利用系统热效率ηQ和效率ηex：

(11)

(12)

式中：QC/H、QDW分别为用户的供冷/供暖负荷和生活用水负荷；QGeo与QS分别为地热与太阳能的输入热量；Ex_ORC、Ex_C/H、Ex_DW分别为系统输出的电、冷水/热水和生活用水；Ex_Geo与Ex_S分别为供热系统输入的地热与太阳能。

(13)

式中：TS为太阳温度，取6 000 K；Tam为大气温度，取298 K。

3.2 经济性分析

(14)

式中:dEx和dH分别代表状态变化过程和焓的变化。

(15)

(16)

式中：T0为参考温度，取298 K；TH和TL分别为高温水温度和低温水温度。

表3 成本辅助方程

Tab.3 Exergy cost auxiliary equation

表3 成本辅助方程

组件平衡方程主要辅助方程HX-1C3+C2=C1+C8+ZHX-1(C3-C8)/(Ex_3-Ex_8)C2/Ex_2=A3-A8A2,C1=3 600cGEO·qm,GEOPTSCC4=C3+ZPTSC(C3-C8)/(Ex_3-Ex_8)(C4-C8)/(Ex_4-Ex_8)=A3-A8A4-A8AHPC5+(Cc1-Cc2)+(CB1-CB2)+(C10-C9)=C4+(C7-C7')+ZAHP(C5-C8)/(Ex_5-Ex_8)(CB1-CB2)/(Ex_B1-Ex_B2)=A5-A8AB1-AB2,(C5-C8)/(Ex_5-Ex_8)(Cc1-Cc2)/(Ex_c1-Ex_c2)=A5-A8Ac1-Ac2,CB1/Ex_B1CB2/Ex_B2=AB1AB2,Cc1/Ex_c1Cc1/Ex_c2=Ac1Ac2AHT(Cc2+Cc1)+C6+(C12-C11)=C5+ZAHT(C6-C8)/(Ex_6-Ex_8)(Cc1-Cc2)/(Ex_c1-Ex_c2)=A6-A8Ac1-Ac2ORCC7+CE+(CO8-CO7)=C6+ZORC(C7-C8)/(Ex_7-Ex_8)CE/Ex_E=A7-A8AEHX-2CDW+C8=C7'+CTW+ZHX-1CTW=3 600cTW·qm,TW

3.3 CO2 排放分析

二氧化碳减排量是清洁能源评价的重要指标之一。在本文中，由于不同工况下地热流量和地热的产品数量均会变化，为了客观评价不同工况下地热的利用对CO2减排做出的贡献，采用每吨地热水产品二氧化碳减排量(ECO2)进行描述，其表达式如下：

(17)

式中：αNG为天然气的排放因子；qm,Geo为地热水的质量流量；k1、k2、k3分别为将电能、供冷水/供热水、生活热水折算为天然气消耗量的系数[26]。

为比较HAHP相对SAHP的减排效果，采用每吨地热水产品的二氧化碳减排比(DCO2)来描述，其表达式如下：

(18)

式中：ECO2,HAHP和ECO2,SAHP分别为HAHP和SAHP的二氧化碳减排量。

4 结果分析

4.1 初始化条件

初始化条件如下：地热井出水质量流量为60 t/h；地热出口温度为97 ℃，太阳辐射量取800 W/m2；运行状态均为准稳态，均采用逆流换热。

在经济性计算中，成本参数如表4所示，其中将地热回灌水和空气成本视为0。

4.2 能效对比

在设计条件下，太阳能集热器的面积为660 m2即可满足AHP进口温度要求。表5给出了HAHP与SAHP在设计供冷/供热负荷时的性能。由表5可知，HAHP在热量效率上均比SAHP高；而在效率上，设计制冷工况下HAHP效率比SAHP低3.72%，供热工况下基本相同。这是因为在不同工况下AHT系统的应用将减少系统天然气的额外消耗，从而提高系统的热效率，但AHT利用中等温度热水去生成高温再生热水将造成大量损。

表5 设计工况下2种系统对比

如在供热工况下，HAHP二次网水先后经过ORC系统与热系统，值较高的二次网水优先用于发电，值降低后的二次网水再进行供热。同时，AHT又可以利用二次网水继续制取再生供热热水，这样将使二次网水温度进一步降低，提高了系统的热效率；在损方面，AHT制取的再生热水温度低、质量流量小，所以整体的效率仅略低于SAHP。对于HAHP，制冷和供热工况下的热效率分别为37.7%和53.44%，这是因为在制冷时选用效率为76%的单级吸收式热泵制冷；而在供热时，AHP只开启吸收器为用户供热，此时热效率更高，所以供热工况下的热效率要高于制冷工况下。在设计制冷和设计供热工况下效率分别为12.15%和40.68%。这是由于夏季时AHP制冷和AHT制取再生热水的过程中，损较大；而冬季AHP只作为换热器，同时AHT制取再生热水的温度低，温差小，损小。

此外，由表5可知，在供冷工况下AHT的使用使天然气的需求量减少，但同时也降低了ORC系统的进口温度，导致供冷工况的天然气需求量减小37.8 kg/h，电功率下降42.2 kW·h，由此可减少化石能源的使用，并实现冷电比例的调节。

(a) HAHP能流图

(b) HAHP流图图4 HAHP的能流图与流图Fig.4 Diagrams of energy flow and exergy flow of HAHP system

(a) 供冷期间单位成本对比

(b) 供热期间单位成本对比图5 不同工况下的单位成本对比Fig.5 Comparison of unit exergy cost under different conditions

4.3 环境友好分析

针对制冷和供热工况，对HAHP与SAHP的二氧化碳减排量进行计算。ECO2随各系统负荷率的变化趋势如图6所示。如图6(a)所示,在制冷工况下，ECO2均随着负荷率的增加而增加。需要指出的是，对于HAHP，当负荷率变动至75%时，AHT运行方式需要进行切换。例如：由高负荷率降至75%负荷率时，AHT由辅助制冷变为辅助ORC系统发电，使得在相同冷负荷供给下，系统可产生更多的电能；反之，由低负荷升至75%负荷率时，AHT由辅助ORC系统发电变为辅助制冷，可供给更多的冷量。因此图6(a)中HAHP的ECO2曲线在75%负荷率时会出现小幅阶跃。而对于SAHP，当负荷率高于72%时，地热水设计流量不足以满足全部供冷需求，需要天然气进行能量补充，故每吨地热水产品的CO2减排量逐渐下降。

由图6(b)可知，在供热工况下，HAHP与SAHP的ECO2均随着负荷率的增加而增加。但是，对于SAHP在负荷率高于82%后，ECO2开始逐渐下降。这是由于地热水在设计流量下不能满足82%负荷率以上的用户供热需求；为达到更高负荷率下的供热需求，需用天然气进行能量补充，故每吨地热水产品的CO2减排量逐渐下降。

(a) 制冷工况不同系统二氧化碳减排量

(b) 供热工况不同系统二氧化碳减排量图6 不同工况下HAHP与SAHP二氧化碳减排量对比Fig.6 Comparison of ECO2 between HAHP system andSAHP system under different conditions

不同负荷下SAHP和HAHP的DCO2变化如图7所示。在供冷期间，负荷率为75%～100%时DCO2呈线性递增；在负荷率为0%～75%时，由于SAHP与HAHP 2种系统的运行方式趋同，DCO2逐渐趋于稳定。在供热期间，DCO2在82%负荷率处出现拐点并开始逐渐增大，这也是由于上文中提到的SAHP地热水质量流量增大。

图7 不同工况下HAHP二氧化碳减排比Fig.7 DCO2 of HAHP system under different conditions

5 结 论

(3) 环境友好分析表明，在设计制冷和设计供热条件下，100%用户负荷时HAHT要比SAHT分别减少36.4%和20.8%的二氧化碳排放量；在其他负荷率下，HAHP的二氧化碳减排量也均优于SAHP，对环境更加友好。