0一种在寒冷地区基于耦合空气源吸收热泵的供热系统：一种在寒冷地区基于耦合空气源吸收热泵的供热系统：节能分析节能分析摘要摘要 用于供暖和生活热水的能耗非常高这种基于空气源吸收热泵(ASAHP)的供热系统被评估有很大的节能潜力然而，单级 ASAHP 在室外空气温度很低时表现不佳 一种双级耦合 ASAHP 被提出用于提高单级 ASAHP 在寒冷地区的节能潜力在变化的 工作环境中分别模拟改善后的系统在双级模式和单级模式下的供热能力和主要能源 效率在寒冷地区应用不同供热系统的建筑负荷和主要能源效率被比较分析用来调 查耦合 ASAHP 的节能潜力结果表明，耦合 ASAHP 产品在寒冷环境下展现出稳定的 PEE 并能够提供高热值耦合 ASAHP 的节能率在所有典型城市大约是 20%此外，单 级 ASAHP 的节能潜力在极其寒冷地区能够被明显提高在哈尔滨提高 7.73%关键词关键词 吸收式热泵 空气源 双级耦合 供热 寒冷地区1. 引言引言1.11.1能量消耗和传统供热系统存在的问题能量消耗和传统供热系统存在的问题取暖和室内用于热水的能量消耗是非常大的在 2008 年，中国的北方城市取暖 的能量消耗占建筑总体消耗的 23.4%[1]。
通常，锅炉是寒冷地区最常用的取暖和室内热水系统[2]在中国，煤炭锅炉仍 被广泛应用，由于现有的煤炭主导的能源结构[3]然而，煤炭锅炉的能源利用系数 低并且会带来较大的空气污染，它被认为是 CO2，SO2，NOX和微尘，例如 PM2.5 和 PM10 的主要来源[4-6]1.21.2空气源吸收热泵和它的局限性空气源吸收热泵和它的局限性一种将传统取暖系统和空气源吸收热泵结合的供热系统被评估在主要节能和减 排方面有巨大潜力[7]然而，与空气源电热泵类似，这种 ASAHP 表现出较差甚至在 室外温度较低时不能工作[8,9]当这种 ASAHP 不能满足取暖需求时，锅炉必须承担 剩余的热负荷因此，寒冷地区的能源储蓄将被降低[10]于是提高空气源热泵在寒 冷地区的性能将极具意义正如空气源热泵它本身的意义1.31.3 研究目标在于替代原有供热系统研究目标在于替代原有供热系统对于 ASAHP 来说，很少有关于以取暖为目的的研究报告，更不用说其在寒冷地 区的应用在这个工作中，一种双级耦合 ASAHP 被提出用于在寒冷地区的取暖这 种耦合的 ASAHP 在当环境温度上升到一定值时能够转换成普通的单级 ASAHP 模式。
为了研究这种新型的供热系统的节能潜力，这种耦合的 ASAHP 被放在各种室外温度 下来测试性能在这种耦合 ASAHP 应用于典型的寒冷城市的节能潜力被分析之后， 我们以传统的燃煤锅炉供热系统作为基线此外，能量储蓄也和单级空气源热泵相 比较，以确定耦合空气源热泵带来的改善2. 方法方法12.12.1双级耦合双级耦合ASAHPASAHP的描述的描述双级耦合 ASAHP 是一种具有在低温区是冷凝器，在高温区是蒸发器的中间水循 环装置的混合动力系统见图 1. ASAHP 位于低温区，一个水源吸收热泵被放置在高 温区 在这种耦合 ASAHP 的运行模式下，泵 1、阀 1 和阀 5 是打开的，而阀 2、3 和 4 是关闭的低温区冷凝器的产热作为高温区蒸发器的热源用这种方法，低温区的 冷凝温度是低的而高温区的蒸发温度是高的低温区的空气源热泵和高温区的水源 热泵都可以高效运行，甚至在空气温度非常低的情况下返回的热水在冷凝器、高 温区的吸收器和低温区的吸收器内被依次加热当空气温度升高，单级空气源热泵 的供热性能提高并能够满足建筑的采暖需求因此，双级耦合空气源热泵能够通过 打开阀门 2、3 和 4，关闭泵 1、阀门 1 和 5 被切换成单级空气源热泵。
在这种模式 下，返回的热水被冷凝器和低温区的吸收器依次加热在耦合 ASAHP 供热系统中，通过切换模式，较低环境温度的供热安全和较高环 境温度的能源利用效率都能被保证2.22.2 耦合耦合ASAHPASAHP的建模和设计的建模和设计为了研究改进后供热系统的性能并将它和传统锅炉系统做对比，耦合 ASAHP 的 数学模型被建立起来基于这些模型，耦合和单级 ASAHP 在各种空气温度下的供热 能力和能效都能被估算出来[11,12]2.2.12.2.1 吸收式热泵模型吸收式热泵模型为了简化吸收式热泵模型，应该做一些合理的假设： （1）系统处于紊流和热平衡 （2）制冷剂离开蒸发器和冷凝器后分别是饱和蒸汽和饱和液体 （3）溶液离开发生器和吸收器都是饱和的 （4）管道内的流动阻力、压力损失和热损失都可忽略不计 （5）膨胀阀节流过程是等焓的 （6）水泵的电力消耗不包括在内基于这些简化，这种 ASAHP 系统的数学模型能够基于质量和能量平衡建立 [13,14]验证之前的工作[7]：其中 UA 是每个热交换器热传递系数和热传递面积的产物，而 LMTD 是对数平均 温差 NH3–LiNO3是这种耦和热泵两级的工作介质，由于它低凝固点和不需要整流器的优 点。
流体的热力学性质是从[17，18]获得的供热的性能系数定义为吸收器有效热负荷2与发生器所需的热负荷的比值对于提倡的这种系统以耦合 ASAHP 形式运行：对于提倡的系统以单级 ASAHP 形式运行： 其中 Qa1，Qc1，Qg1分别是吸收器、冷凝器和发生器在低温阶段的 热负荷， Qa2,Qc2，Qg2分别是吸收器、冷凝器、发生器在高温阶段的热负荷图 1 耦合 ASAHP 的示意图2.2.22.2.2 耦合系统的一次能源效率耦合系统的一次能源效率溶液泵的能耗由下式计算[18]：其中 Vp是泵的体积流动速率Pout和 Pin是泵的进出口压力ηp 是泵效率风 扇的能耗是用一种简单的方法计算的[7]：3其中 ΔPfan是蒸发器阻力，G 是风扇空气体积流动速率，ηfan是风扇效率，n 是 几排蒸发器的弯数，ΔPcoil是每排的弯管的阻力，ΔPout是风扇出口的过剩压力， Qsupply是提供给用户的耗热率，ρ 是空气密度，Cp是空气的比热容，Δt 是空气通过 蒸发器时的温度变化量，而 COPhig和 COPlow分别是高温阶段和低温阶段的性能系数 这些参数的具体值可以在表格中查找出来[7] 由于能源种类不同，电能，煤炭等都包括在分析中，初级能源效率被用于空气 源热泵的性能评估[19]：式中 Qsupply是提供给用户的热速率，Qg是空气源热泵发生器消耗的热速率， Wp是溶液泵消耗的电能，Wfan是风扇消耗的电能，而 ηboiler和 ηpower分别是锅炉效 率和电机效率。
耦合空气源热泵和单级空气源热泵的 PEE 能够相应的被计算出来2.2.3.2.2.3.耦合耦合ASAHPASAHP的设备设计的设备设计设备设计中涉及到的主要部件列在表 1 中一些参数设置是基于中国的环境下 中间水循环温度对双级耦合 ASAHP 的影响很大如果设定的温度高了，高温区蒸发 温度也相应升高这种情况下性能是好的然而，低温区的冷凝温度在这种情况下 也高这将导致较差的效率因此，有一个最佳的设定温度能使耦合 ASAHP 的 PEE 获得最高值在设计过程中，大量耦合 ASAHP 的 PEE 由中间水循环的不同温度计算 得出最高值的 PEE 对应的温度被选作工作中的设计温度 在以上 ASAHP 数学模型和中间水循环优化原则的基础上，UA 的值和每个热交换 器水/空气流动速率、溶液泵/ 风扇的压力上升值和流动速率已经被计算出来设计 的结果在表 2 中列出 在设备设计完成之后，提倡的耦合 ASAHP 的性能仿真能够在 Matlab 中用通过程 序做出来考虑到水和空气的流动速率是在保持不变的前提下，为了简化，所有交 换器 UA 的值在模拟中都视为常数 表 1 耦合 ASAHP 主要设计参数4表 2 耦合 ASAHP 每个组件的设计参数2.3.供热系统的节能效率供热系统的节能效率为了研究提倡的耦合 ASAHP 系统在寒冷地区的潜力，中国北方典型城市的初级 能耗能够在 PEE 模拟的基础上被计算出来。
然后，相应的节能效率也被计算出来， 将传统燃煤锅炉作为供热系统基准线单级 ASAHP 的 ESR 也能作为对比分析，为了 获得耦合 ASAHP 贡献的性能提升值这种提倡的系统的 ESR 被定义如下[12]：其中 PEproposed是推荐的系统的初级能耗，PEboile是传统锅炉供热系统的初级能耗三个典型中国北方城市：沈阳、长春、哈尔滨，被选择用来研究该供暖系统的 应用潜力一个典型的酒店大楼被选来模拟，建筑的布局已表示出来如图 2表 3 中给出的建筑参数是依据中国公共建筑能耗标准选取的[20]不同城市的气象特征和 供暖时间也在表 3 中列出[21]基于这些建筑信息、气候特点和供热需求，酒店建筑 的每个小时的热负荷都能用一个叫做 DeST[22]的动态能源仿真工具计算出来不同城 市的设计热负荷和积累的热负荷能够在表中查出5图 2 传统酒店建筑布局图3. 结果结果基于表 1 和 2 中提供的设计参数，耦合 ASAHP 在不同工作状况下的运行表现能 够被模拟出来3.1.3.1.设计条件下的表现设计条件下的表现耦合 ASAHP 在设计条件下的表现在表 4 中列出相应的，如果换成单级 ASAHP， 它的表现也能被仿真出来。
尽管冷凝器和整个耦合 ASAHP 蒸发器之间的温度升高可高达 67℃，但在每级只 有 29℃和 44℃因此，每一级的性能系数相对较高，在高温区可达 1.63，低温区 可达 1.52耦合 ASAHP 很少比单级 ASAHP 性能系数低然而，耦合 ASAHP 的供热能 力是单机的三倍多耦合 ASAHP 的 PEE 是 87.29%，然而传统燃煤锅炉只有 70%3.2.3.2.设计条件之外的表现设计条件之外的表现在一个寒冷地区的供暖季节期间，室外空气温度变化范围很大，这导致供热能 力和供热 COP 变化较大表 4 显示，在典型城市最低空气温度能够低至-30℃因此， 选-30℃到 20℃作为耦合 ASAHP 性能模拟的环境温度 图 3 显示了 ASAHP 低温区和耦合 ASAHP 系统中水源热泵高温区的性能系数从 中能够看出两个阶段性能系数都相对稳定，高温区始终保持在 1.58-1.69 的变化范 围内，低温区始终保持在 1.47-1.58 的变化范围表 3 典型城市的建筑特征和供热负荷表 4 耦合 ASAHP 在设计工况下的性能6图 3 室外空气温度7图 4 室外空气温度图 5 室外空气温度8图 6 室外空气温度 表 5 相关性能系数耦合 ASAHP 和单级 ASAHP 在不同室外温度下的 PEE 如图 5 所示。
耦合 ASAHP 的 PEE 在环境温度低于-15℃时比单级 ASAHP 的高当环境温度为-30℃时，耦合 ASAHP 仍有高达 85.5%的 PEE比传统锅炉的 70%高 15.5%当环境温度高些时，单级 ASAHP 的 PEE 更高，当环境温度为 0℃以上时甚至可以超过 100% 耦合 ASAHP 和单级 ASAHP 的供热能力在不同室外温度时的值在图 6 中能够显示 出来当空气温度变化时，耦合 ASAHP 的供热能力变化范围为 22. 9-40.7KW然而 单级 ASAHP 在 4.7-24.3KW 的变化范围内在寒冷地区供热需求量越大，对耦合 ASAHP 越有利不考虑单级 ASAHP 的话，它在相对温暖环境中当建筑负荷低而且热 泵效率高时也是有优势的由耦合模式到单级模式的切换是在当单级 ASAHP 供热量 足以满足建筑需求而且其 PEE 高于耦合模式时完成的3.33.3．寒冷地区节能分析寒冷地区节能分析在以上性能模拟的基础上，耦合 ASAHP 供热系统在寒冷地区的节能潜力能够被 分析出来对于基准线供热系统，建筑负荷完全由燃煤锅炉承担而对于两级耦合 ASAHP 系统，建筑负荷完全由 AHP。