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文獻翻譯
題 目 一種在寒冷地區(qū)基于耦合空氣源
吸收熱泵的供熱系統(tǒng)：節(jié)能分析
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學(xué) 號
院（系）
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完成時間
一種在寒冷地區(qū)基于耦合空氣源吸收熱泵的供熱系統(tǒng)：節(jié)能分析
摘要 用于供暖和生活熱水的能耗非常高。這種基于空氣源吸收熱泵(ASAHP)的供熱系統(tǒng)被評估有很大的節(jié)能潛力。然而，單級ASAHP在室外空氣溫度很低時表現(xiàn)不佳。一種雙級耦合ASAHP被提出用于提高單級ASAHP在寒冷地區(qū)的節(jié)能潛力。在變化的工作環(huán)境中分別模擬改善后的系統(tǒng)在雙級模式和單級模式下的供熱能力和主要能源效率。在寒冷地區(qū)應(yīng)用不同供熱系統(tǒng)的建筑負(fù)荷和主要能源效率被比較分析用來調(diào)查耦合ASAHP的節(jié)能潛力。結(jié)果表明，耦合ASAHP產(chǎn)品在寒冷環(huán)境下展現(xiàn)出穩(wěn)定的PEE并能夠提供高熱值。耦合ASAHP的節(jié)能率在所有典型城市大約是20%。此外，單級ASAHP的節(jié)能潛力在極其寒冷地區(qū)能夠被明顯提高。在哈爾濱提高7.73%。
關(guān)鍵詞 吸收式熱泵 空氣源 雙級耦合 供熱 寒冷地區(qū)
1. 引言
1.1 能量消耗和傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)存在的問題
取暖和室內(nèi)用于熱水的能量消耗是非常大的。在2008年，中國的北方城市取暖的能量消耗占建筑總體消耗的23.4%[1]。
通常，鍋爐是寒冷地區(qū)最常用的取暖和室內(nèi)熱水系統(tǒng)[2]。在中國，煤炭鍋爐仍被廣泛應(yīng)用，由于現(xiàn)有的煤炭主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu)[3]。然而，煤炭鍋爐的能源利用系數(shù)低并且會帶來較大的空氣污染，它被認(rèn)為是CO2，SO2，NOX和微塵，例如PM2.5和PM10的主要來源[4-6]。
1.2 空氣源吸收熱泵和它的局限性
一種將傳統(tǒng)取暖系統(tǒng)和空氣源吸收熱泵結(jié)合的供熱系統(tǒng)被評估在主要節(jié)能和減排方面有巨大潛力[7]。然而，與空氣源電熱泵類似，這種ASAHP表現(xiàn)出較差甚至在室外溫度較低時不能工作[8,9]。當(dāng)這種ASAHP不能滿足取暖需求時，鍋爐必須承擔(dān)剩余的熱負(fù)荷。因此，寒冷地區(qū)的能源儲蓄將被降低[10]。于是提高空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的性能將極具意義。正如空氣源熱泵它本身的意義。
1.3研究目標(biāo)在于替代原有供熱系統(tǒng)。
對于ASAHP來說，很少有關(guān)于以取暖為目的的研究報告，更不用說其在寒冷地區(qū)的應(yīng)用。在這個工作中，一種雙級耦合ASAHP被提出用于在寒冷地區(qū)的取暖。這種耦合的ASAHP在當(dāng)環(huán)境溫度上升到一定值時能夠轉(zhuǎn)換成普通的單級ASAHP模式。為了研究這種新型的供熱系統(tǒng)的節(jié)能潛力，這種耦合的ASAHP被放在各種室外溫度下來測試性能。在這種耦合ASAHP應(yīng)用于典型的寒冷城市的節(jié)能潛力被分析之后，我們以傳統(tǒng)的燃煤鍋爐供熱系統(tǒng)作為基線。此外，能量儲蓄也和單級空氣源熱泵相比較，以確定耦合空氣源熱泵帶來的改善。
2. 方法
2.1雙級耦合ASAHP的描述
雙級耦合ASAHP是一種具有在低溫區(qū)是冷凝器，在高溫區(qū)是蒸發(fā)器的中間水循環(huán)裝置的混合動力系統(tǒng)。見圖1. ASAHP位于低溫區(qū)，一個水源吸收熱泵被放置在高溫區(qū)。
在這種耦合ASAHP的運行模式下，泵1、閥1和閥5是打開的，而閥2、3和4是關(guān)閉的。低溫區(qū)冷凝器的產(chǎn)熱作為高溫區(qū)蒸發(fā)器的熱源。用這種方法，低溫區(qū)的冷凝溫度是低的而高溫區(qū)的蒸發(fā)溫度是高的。低溫區(qū)的空氣源熱泵和高溫區(qū)的水源熱泵都可以高效運行，甚至在空氣溫度非常低的情況下。返回的熱水在冷凝器、高溫區(qū)的吸收器和低溫區(qū)的吸收器內(nèi)被依次加熱。當(dāng)空氣溫度升高，單級空氣源熱泵的供熱性能提高并能夠滿足建筑的采暖需求。因此，雙級耦合空氣源熱泵能夠通過打開閥門2、3和4，關(guān)閉泵1、閥門1和5被切換成單級空氣源熱泵。在這種模式下，返回的熱水被冷凝器和低溫區(qū)的吸收器依次加熱。
在耦合ASAHP供熱系統(tǒng)中，通過切換模式，較低環(huán)境溫度的供熱安全和較高環(huán)境溫度的能源利用效率都能被保證。
2.2耦合ASAHP的建模和設(shè)計
為了研究改進后供熱系統(tǒng)的性能并將它和傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)做對比，耦合ASAHP的數(shù)學(xué)模型被建立起來。基于這些模型，耦合和單級ASAHP在各種空氣溫度下的供熱能力和能效都能被估算出來[11,12]。
2.2.1吸收式熱泵模型
為了簡化吸收式熱泵模型，應(yīng)該做一些合理的假設(shè)：
（1）系統(tǒng)處于紊流和熱平衡
（2）制冷劑離開蒸發(fā)器和冷凝器后分別是飽和蒸汽和飽和液體
（3）溶液離開發(fā)生器和吸收器都是飽和的
（4）管道內(nèi)的流動阻力、壓力損失和熱損失都可忽略不計
（5）膨脹閥節(jié)流過程是等焓的
（6）水泵的電力消耗不包括在內(nèi)
基于這些簡化，這種ASAHP系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型能夠基于質(zhì)量和能量平衡建立[13,14]。驗證之前的工作[7]：
其中UA是每個熱交換器熱傳遞系數(shù)和熱傳遞面積的產(chǎn)物，而LMTD是對數(shù)平均溫差。
NH3–LiNO3是這種耦和熱泵兩級的工作介質(zhì)，由于它低凝固點和不需要整流器的優(yōu)點。
流體的熱力學(xué)性質(zhì)是從[17，18]獲得的。供熱的性能系數(shù)定義為吸收器有效熱負(fù)荷與發(fā)生器所需的熱負(fù)荷的比值。對于提倡的這種系統(tǒng)以耦合ASAHP形式運行：
對于提倡的系統(tǒng)以單級ASAHP形式運行：
其中Qa1，Qc1，Qg1分別是吸收器、冷凝器和發(fā)生器在低溫階段的 熱負(fù)荷，Qa2,Qc2，Qg2分別是吸收器、冷凝器、發(fā)生器在高溫階段的熱負(fù)荷。
圖1 耦合ASAHP的示意圖
2.2.2耦合系統(tǒng)的一次能源效率
溶液泵的能耗由下式計算[18]：
其中Vp是泵的體積流動速率。Pout和Pin是泵的進出口壓力。ηp 是泵效率。風(fēng)扇的能耗是用一種簡單的方法計算的[7]：
其中ΔPfan是蒸發(fā)器阻力，G是風(fēng)扇空氣體積流動速率，ηfan是風(fēng)扇效率，n是幾排蒸發(fā)器的彎數(shù)，ΔPcoil是每排的彎管的阻力，ΔPout是風(fēng)扇出口的過剩壓力，Qsupply是提供給用戶的耗熱率，ρ是空氣密度，Cp是空氣的比熱容，Δt是空氣通過蒸發(fā)器時的溫度變化量，而COPhig和COPlow分別是高溫階段和低溫階段的性能系數(shù)。這些參數(shù)的具體值可以在表格中查找出來[7]。
由于能源種類不同，電能，煤炭等都包括在分析中，初級能源效率被用于空氣源熱泵的性能評估[19]：
式中Qsupply是提供給用戶的熱速率，Qg是空氣源熱泵發(fā)生器消耗的熱速率，Wp是溶液泵消耗的電能，Wfan是風(fēng)扇消耗的電能，而ηboiler和ηpower分別是鍋爐效率和電機效率。耦合空氣源熱泵和單級空氣源熱泵的PEE能夠相應(yīng)的被計算出來。
2.2.3.耦合ASAHP的設(shè)備設(shè)計
設(shè)備設(shè)計中涉及到的主要部件列在表1中。一些參數(shù)設(shè)置是基于中國的環(huán)境下。中間水循環(huán)溫度對雙級耦合ASAHP的影響很大。如果設(shè)定的溫度高了，高溫區(qū)蒸發(fā)溫度也相應(yīng)升高。這種情況下性能是好的。然而，低溫區(qū)的冷凝溫度在這種情況下也高。這將導(dǎo)致較差的效率。因此，有一個最佳的設(shè)定溫度能使耦合ASAHP的PEE獲得最高值。在設(shè)計過程中，大量耦合ASAHP的PEE由中間水循環(huán)的不同溫度計算得出。最高值的PEE對應(yīng)的溫度被選作工作中的設(shè)計溫度。
在以上ASAHP數(shù)學(xué)模型和中間水循環(huán)優(yōu)化原則的基礎(chǔ)上，UA的值和每個熱交換器水/空氣流動速率、溶液泵/ 風(fēng)扇的壓力上升值和流動速率已經(jīng)被計算出來。設(shè)計的結(jié)果在表2中列出。
在設(shè)備設(shè)計完成之后，提倡的耦合ASAHP的性能仿真能夠在Matlab中用通過程序做出來?？紤]到水和空氣的流動速率是在保持不變的前提下，為了簡化，所有交換器UA的值在模擬中都視為常數(shù)。
表1 耦合ASAHP主要設(shè)計參數(shù)
表2耦合ASAHP每個組件的設(shè)計參數(shù)
2.3.供熱系統(tǒng)的節(jié)能效率
為了研究提倡的耦合ASAHP系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的潛力，中國北方典型城市的初級能耗能夠在PEE模擬的基礎(chǔ)上被計算出來。然后，相應(yīng)的節(jié)能效率也被計算出來，將傳統(tǒng)燃煤鍋爐作為供熱系統(tǒng)基準(zhǔn)線。單級ASAHP的ESR也能作為對比分析，為了獲得耦合ASAHP貢獻的性能提升值。這種提倡的系統(tǒng)的ESR被定義如下[12]：
其中PEproposed是推薦的系統(tǒng)的初級能耗，PEboile是傳統(tǒng)鍋爐供熱系統(tǒng)的初級能耗。
三個典型中國北方城市：沈陽、長春、哈爾濱，被選擇用來研究該供暖系統(tǒng)的應(yīng)用潛力。一個典型的酒店大樓被選來模擬，建筑的布局已表示出來如圖2。表3中給出的建筑參數(shù)是依據(jù)中國公共建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)選取的[20]。不同城市的氣象特征和供暖時間也在表3中列出[21]?；谶@些建筑信息、氣候特點和供熱需求，酒店建筑的每個小時的熱負(fù)荷都能用一個叫做DeST[22]的動態(tài)能源仿真工具計算出來。不同城市的設(shè)計熱負(fù)荷和積累的熱負(fù)荷能夠在表中查出。
圖2傳統(tǒng)酒店建筑布局圖
3. 結(jié)果
基于表1和2中提供的設(shè)計參數(shù)，耦合ASAHP在不同工作狀況下的運行表現(xiàn)能夠被模擬出來。
3.1.設(shè)計條件下的表現(xiàn)
耦合ASAHP在設(shè)計條件下的表現(xiàn)在表4中列出。相應(yīng)的，如果換成單級ASAHP，它的表現(xiàn)也能被仿真出來。
盡管冷凝器和整個耦合ASAHP蒸發(fā)器之間的溫度升高可高達67℃，但在每級只有29℃和44℃。因此，每一級的性能系數(shù)相對較高，在高溫區(qū)可達1.63，低溫區(qū)可達1.52。耦合ASAHP很少比單級ASAHP性能系數(shù)低。然而，耦合ASAHP的供熱能力是單機的三倍多。耦合ASAHP的PEE是87.29%，然而傳統(tǒng)燃煤鍋爐只有70%。
3.2.設(shè)計條件之外的表現(xiàn)
在一個寒冷地區(qū)的供暖季節(jié)期間，室外空氣溫度變化范圍很大，這導(dǎo)致供熱能力和供熱COP變化較大。表4顯示，在典型城市最低空氣溫度能夠低至-30℃。因此，選-30℃到20℃作為耦合ASAHP性能模擬的環(huán)境溫度。
圖3顯示了ASAHP低溫區(qū)和耦合ASAHP系統(tǒng)中水源熱泵高溫區(qū)的性能系數(shù)。從中能夠看出兩個階段性能系數(shù)都相對穩(wěn)定，高溫區(qū)始終保持在1.58-1.69的變化范圍內(nèi)，低溫區(qū)始終保持在1.47-1.58的變化范圍。
表3典型城市的建筑特征和供熱負(fù)荷
表4耦合ASAHP在設(shè)計工況下的性能
圖3室外空氣溫度
圖4室外空氣溫度
圖5室外空氣溫度
圖6室外空氣溫度
表5相關(guān)性能系數(shù)
耦合ASAHP和單級ASAHP在不同室外溫度下的PEE如圖5所示。耦合ASAHP的PEE在環(huán)境溫度低于-15℃時比單級ASAHP的高。當(dāng)環(huán)境溫度為-30℃時，耦合ASAHP仍有高達85.5%的PEE。比傳統(tǒng)鍋爐的70%高15.5%。當(dāng)環(huán)境溫度高些時，單級ASAHP的PEE更高，當(dāng)環(huán)境溫度為0℃以上時甚至可以超過100%。
耦合ASAHP和單級ASAHP的供熱能力在不同室外溫度時的值在圖6中能夠顯示出來。當(dāng)空氣溫度變化時，耦合ASAHP的供熱能力變化范圍為22. 9-40.7KW。然而單級ASAHP在4.7-24.3KW的變化范圍內(nèi)。在寒冷地區(qū)供熱需求量越大，對耦合ASAHP越有利。不考慮單級ASAHP的話，它在相對溫暖環(huán)境中當(dāng)建筑負(fù)荷低而且熱泵效率高時也是有優(yōu)勢的。由耦合模式到單級模式的切換是在當(dāng)單級ASAHP供熱量足以滿足建筑需求而且其PEE高于耦合模式時完成的。
3.3．寒冷地區(qū)節(jié)能分析
在以上性能模擬的基礎(chǔ)上，耦合ASAHP供熱系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的節(jié)能潛力能夠被分析出來。對于基準(zhǔn)線供熱系統(tǒng)，建筑負(fù)荷完全由燃煤鍋爐承擔(dān)。而對于兩級耦合ASAHP系統(tǒng)，建筑負(fù)荷完全由AHP（部分由耦合空氣源熱泵，部分由單級空氣源熱泵）。對于單級ASAHP熱系統(tǒng)，一部分建筑負(fù)荷是由AHP提供，而剩余的則由鍋爐承擔(dān)。由AHP和鍋爐提供的熱量和相應(yīng)的初級能耗在圖7中示出。在稍冷的地區(qū)，熱泵提供的熱量比例減少，由于時間越長空氣源熱泵越無法具有充足的供熱能力，因此消耗的初級能源越多。可以預(yù)測，在寒冷地區(qū)的節(jié)能潛力將會降低，而耦合ASAHP在改變這種狀況中扮演重要角色。
燃煤鍋爐、ASAHP和耦合ASAHP供熱系統(tǒng)的初級能耗和系統(tǒng)PEE在整個供熱季節(jié)中的值在表6中示出。與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比，ASAHP的節(jié)能率在沈陽可達20.73%，在長春可達17.5%，在哈爾濱可達14%。使用耦合ASAHP之后，在沈陽節(jié)能率提升了23.97%，在長春提高了22.62%，在哈爾濱提高了21.73；都報保持在20%以上。在哈爾濱由耦合ASAHP貢獻的增長可達7.73%。
（a）AHP和鍋爐提供的熱量 （b）由AHP和鍋爐消耗的能量
圖7
表6在典型城市不同供熱系統(tǒng)的初級能源分析
4. 討論
以上初級能效的比較基于中國目前仍廣泛使用的燃煤鍋爐。但是提倡的耦合ASAHP供熱系統(tǒng)仍可以與其他熱源結(jié)合，例如區(qū)域供熱網(wǎng)、太陽能、地?zé)崮堋⑸锬芎腿細(xì)忮仩t。燃?xì)忮仩t如今正被越來越廣泛地使用。尤其是在天然氣供應(yīng)充足的地區(qū)，由于它與燃煤鍋爐相比具有較高能效和較少的空氣污染。并且如果冷凝熱復(fù)蘇使用在燃?xì)忮仩t，這個效率可以甚至更高。
當(dāng)燃?xì)忮仩t被使用作耦合ASAHP的驅(qū)動源，考慮到燃?xì)忮仩t的效率為90%，空氣源熱泵的性能系數(shù)為1.27。提倡的系統(tǒng)的PEE估計為1.27x90%=114.3%。當(dāng)在較高環(huán)境溫度運行時ASAHP的性能系數(shù)更高，提倡的供熱系統(tǒng)的PEE相應(yīng)的也變高。值得一提的時如果燃?xì)饫淠仩t被使用，冷凝熱是由離開吸收器的低溫?zé)崴玫降牡亩皇峭ㄟ^鍋爐自身產(chǎn)生的熱水。通過這種方法，燃?xì)忮仩t能夠產(chǎn)生高溫?zé)崴畞眚?qū)動ASAHP，而ASAHP產(chǎn)生的低溫?zé)崴軓臒煔庵械挠酂釓?fù)熱。因此，提倡的供熱系統(tǒng)的PEE能夠進一步提高。此外，直接燃?xì)馐娇諝庠礋岜猛ㄟ^發(fā)展能夠降低鍋爐的投入。
最后，耦合供熱系統(tǒng)研究的限制可能在于空氣源熱泵結(jié)霜這個關(guān)鍵問題的解決。幸運的是，除霜的方法已經(jīng)被提出，但是還有待于進一步的驗證。
5. 結(jié)論
一種基于雙級耦合ASAHP的新型供熱系統(tǒng)被提出用于提高單級ASAHP節(jié)能潛力。提倡的系統(tǒng)的供熱能力和能效分別在耦合模式和單級模式、變化環(huán)境溫度下模擬。不同供熱系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的建筑負(fù)荷和初級能耗被對比分析來研究耦合ASAHP的節(jié)能潛力。從以上的分析可以概括如下。
（1） 耦合ASAHP在寒冷地區(qū)展現(xiàn)出穩(wěn)定的PEE并能提供高熱值；如果與燃?xì)忮仩t相結(jié)合，PEE值能夠進一步提高。
（2） 耦合ASAHP的節(jié)能率在各種類型的城市都高于20%
（3） 耦合ASAHP在極其寒冷地區(qū)的節(jié)能潛力能夠被明顯提高。
在哈爾濱提高可達7.73%
（4） ASAHP的結(jié)霜問題在進一步的研究中應(yīng)該被解決
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