吸收式热泵能效分析及模拟研究

周 勇 魏 航 李永田 阮晓娜

1．陕西新奥新能能源发展有限公司

2．光伏科学与技术国家重点实验室

0 引言

近年来，随着我国城镇化高速发展，导致北方省份冬季供暖需求大幅度增长，预计到2025年将达到11 957百万m2[1]，在北方城镇建筑采暖方式中，以集中供暖占主导地位。以长春为例[2]，集中供热率为95．7%；另以西安市为例[3]，集中供热面积占比达57．54%。在北方城镇的集中供暖方式中，热电联产是能源综合利用效率最高的一种方式[4]，随着燃煤电厂热电联产的改造，集中供暖方式占比会进一步增大。

随着集中供暖面积的扩大，以及电厂进行热电联产改造的推行，长距离大温差供热技术由于可以提高热电厂供热能力、提升热网输送能力、提高长距离供热的经济性等优势，将会得到广泛的应用。吸收式热泵机组作为长距离大温差供热技术的核心装备，已进行了大量的研究，得到了广泛的推广和应用。本文结合吸收式热泵在集中供热系统中的研究现状，对能效进行了分析，结合流程模拟软件，建立了吸收式热泵的模拟模型，对参数进行了模拟，并采用灵敏度分析的方法对关键参数进行了分析，为吸收式热泵的设计提供借鉴。

1 能效评估分析

能效评估方法主要以系统㶲分析方法为主[5，6]。能量的形式主要有功和热，受热力学第二定律限制，功和热之间的转换是不可逆的，热转换为功是需要代价的，而功可以完全转化为热。热、功之间的不可逆性也说明不同形式的能量，在数量上没有差异，但是在质量上存在差异，需要统一到同一标准进行比较分析，以热力学第二定律为基础，以理想卡诺循环效率作为计算依据，将热量转换为功的能力作为能量品位的量度。因此，将不同能源在理想情况下对外所能够做功的大小和总热量的比值定义为该种能源的能级系数。用λ表示，其计算公式如下：

式中：λ——能级系数；Q——该种形式能源的总能量/kJ；W——总能量中可以转化为功的部分/kJ。

1.1 各种能源能级系数计算方法

1）燃料燃烧后的烟气

燃料燃烧后烟气的能级系数可以根据烟气的温度与环境温度来进行计算。

式中：λfuel——燃料燃烧后烟气的能级系数；T0——环境参考温度/K；Tfuel——燃料完全燃烧后烟气的温度/K；η——平均转化效率。

2）热水、蒸汽

热水的能级系数计算公式如下：

式中：Tg——供水温度/K；Th——回水温度/K。

3）市政蒸汽的能级系数计算公式如下：

式中：Tsteam——蒸汽的饱和温度/K。

4）供冷和供热能级系数计算公式如下：

式中：λc——供冷能级系数；λh——供热能级系数；T——室内温度/K。

5）能源转化系数评价指标计算公式如下：

式中：E——热电联产输出的电量/GJ；WHVACi——冷热源所需消耗的第i种能源的总量/GJ；λi——第i种能量的能级系数。

1.2 传统换热与大温差吸收式换热的能质系数对比分析

1）传统换热过程

热力网一次供水的能质系数为：

热力网二次供水的能质系数为：

过程的㶲效率为：

以图1中参数为例进行计算，当环境温度取0℃时，130℃供水，该换热过程的㶲效率为62．89%；当供水温度降低至85℃时，该换热过程的㶲效率提高至75．84%。可见，这种不可逆损失是由参与换热的冷热物流温度不匹配导致传热温差大所造成的。

2）吸收式换热过程

吸收式换热过程T-Q图如图1所示，一次网由于供水温度较高，先作为溴化锂吸收式热泵热源发生器的驱动热源，然后经过板式换热器与二次网给水加热后，作为溴化锂吸收式热泵蒸发器的热源后返回。二次网供水分三路加热，一路通过板式换热器加热，第二路通过热泵的冷凝器加热，第三路通过热泵的吸收器加热。

图1 普通换热过程与吸收式换热过程T-Q示意图

依据上述计算公式，板式换热器换热的㶲效率为78．08%；吸收式热泵换热的㶲效率为77．74%；吸收式换热过程整体㶲效率为77．88%。

因此，吸收式换热过程较传统的板式换热过程热力学完善度有所提高。从热力学第一定律来看，热流体大温降所释放的热量全部换热到冷侧流体中；从热力学第二定律来看，充分利用热流体高温段的有效能，作为驱动力，使低温向高温传热，进而降低回水温度。

通过分析，当作为驱动力的一次网供水温度越高，或二次网供回水温度越低，则可以将一次网回水温度降得更低，热量的利用效率也会越高。

2 溴化锂吸收式热泵模型建立

2.1 溴化锂吸收式热泵模拟物性选择

在进行溴化锂热力计算时，溴化锂水溶液的比热容、比焓及平衡方程尤为重要，结合相关研究文献实验数据[7]、关联式计算数据[8]与Aspen Plus内置数据进行对比分析，确定了软件内置物性数据的可靠性，误差均在3%以内，模拟软件的物性参数和计算值可以用来进行工程设计。根据电解质的性质，溴化锂是一种极易溶于水的强电解质，Aspen Plus推荐采用ELECNRTL物性方法来进行计算，并选择用软件自带的电解质导向（Elec Wizard），确定过程中的离子组分，主要电离反应如下：

2.2 模型搭建

1）流程描述

依据溴化锂单效吸收式热泵原则流程(见图2)，大致可分为如下几个过程：稀溶液的加压和预热过程（从点1-3）；发生器蒸汽发生过程（从点3-4/7）；浓溶液的换热冷却及节流过程（从点4-6）；吸收过程（从点6-1）；冷剂水循环过程（从点7-10）。

图2 吸收式换热流程图

2）基本假设

a．忽略过程中的压力损耗；忽略过程中的散热损失。

b．模拟过程为稳态过程；吸收器简化为混合及换热两个单元过程，前者为传质过程，后者为传热过程。

c．各个换热设施的平均传热温差需保证在5℃以上。

3）模型搭建

Aspen Plus提供了多种不同的传热、传质单元，由于软件中没有单独的吸收器模块，可采用Mixer和HeatX模块进行组合替代，即水蒸气和浓溶液先混合，混合过程吸收放热，溶液温度上升后再通过换热器给二次网进水加热；同样，可采用HeatX和Flash2组合模块模拟发生器，即一次网进水给稀溶液加热，溶液温度上升后进入闪蒸罐进行蒸发；浓溶液与稀溶液换热、冷凝器、节流阀软件中都有自带的模块来进行模拟，分别为HeatX和Valve。

结合本项目的数据，确定本次模拟运行的初始参数：溴化锂稀溶液浓度初步确定为58%；冷凝器需要将40℃的热水加热至50℃，水蒸气的出口状态为饱和液相，在冷凝器平均传热温差为6℃时，确定发生器的蒸发压力为13．5 kPa；根据气液相平衡，浓溶液液相温度为100℃。为了保证热网一次网回水温度在20℃以下，蒸发温度初步定为17．5℃，对应的饱和蒸汽压力为2 kPa。根据以上初始数据搭建流程模拟模型，并进行模拟计算，Aspen Plus流程模拟流程见图3。

图3 吸收式换热Aspen Plus流程模拟示意图

2.3 灵敏度分析

1）提高一次网进水温度

制热系数COP随一次网进水温度的升高而增大；随着一次网进水温度升高，一次网出水温度逐渐降低，浓溶液浓度逐渐增大，即：放气范围增大。提高一次网进水温度相当于提高了发生器的蒸发能力，有利于提高系统供热能力，见图4。

图4 一次网高温热水温度对吸收式热泵的影响

2）提高发生器压力

随着发生器压力的升高，一次网出水温度逐渐升高，浓溶液浓度逐渐下降，制热系数COP逐渐下降，一次网总放热量逐渐下降。提高发生器压力相当于降低了发生器的蒸发能力，不利于系统供热能力的提高，但也不是发生器压力越低越好，发生器压力过低将会影响冷凝器的冷凝温度，不利于传热，且压力低，浓溶液浓度会逐步增加，会出现结晶的风险。详见图5。

图5 发生器压力对吸收式热泵的影响

3）改变稀溶液浓度

随着稀溶液浓度的升高，一次网出水温度逐渐升高，浓溶液浓度逐渐升高，制热系数COP和一次网总放热量逐渐下降。降低稀溶液浓度相当于提高发生器的蒸发能力，有利于提高系统供热能力，但随着稀溶液浓度降低将会降低吸收温度，影响传热温差。详见图6。

图6 稀溶液浓度对吸收式热泵的影响

3 结论

1）采用系统㶲分析方法可以有效地对吸收式热泵进行评价分析，吸收式热泵是一种系统㶲效率较高的换热方式之一；

2）采用Aspen Plus可以对吸收式换热器进行模拟计算；

3）提高一次网进水温度、降低发生器压力、降低稀溶液浓度可以提高热泵COP值，并提高系统供热能力。