光热吸收式蓄热热泵的设计分析

赵洋　贾岩　李梅　贾瑜

光热吸收式蓄热热泵的设计分析

赵洋贾岩李梅贾瑜

本文介绍一种光热吸收式蓄热热泵采暖系统，该套系统主要采用水循环系统及太阳能蓄热加热系统，文中主要对该系统的组成进行介绍并对其工作原理进行分析，通过对其节能原理的分析简要介绍该套系统的优点及可行性。

太阳能热泵；蓄热；溴化锂-水系统

能源是人类赖以生存的基本要素，是中国经济和社会发展面临的最严重的问题之一。在我们所消耗的能量中的 90% 以上来源于矿物质燃烧，如煤、石油、天然气等。但是矿物质燃料的蕴藏量总是有限的，以目前的开采速度，煤和石油的贮藏量正在迅速减少。另外，矿物质燃料所造成的环境污染问题，己经成为人类的沉重负担。因此人类应当从生存、发展的长远利益考虑，开发新能源。太阳能是一种有效的可再生新能源，现在得到了越来越多的发展与应用［1］。

然而，太阳能也有它相应的局限性，太阳能的分散性和间歇性决定了太阳能热泵系统的不稳定性，而且地域不同、季节不同、昼夜不同，太阳的日照强度会有很大的差别，并且随着昼夜交替和季节变换有规律的变化。同时气候条件对太阳辐射的影响也是很大的， 比如阴雨天气将使太阳辐射能大为降低，甚至无法利用。因此，要想把这些能量密度低、间隙性、不稳定的能源为人们所用，就需要应用到蓄能技术，将晴朗白天收集到的太阳辐射能所转换成的热能存贮起来，以供阴雨天或夜间使用。

相变蓄能是能量存贮技术中最有良好前景的一项技术，它是利用物质在凝固/融化、凝结/汽化、凝华/升华以及其他形式的相变过程中，常伴有较大能量的吸收或释放的原理，蓄能技术即是应用该原理进行能量的蓄存和释放。相变蓄能具有蓄能密度大、温度变化小等许多优点，是目前国内外研究的热点，并己在工程中有应用。

在相变蓄热材料方面，我国己有一定的研究，对于单一相变材料如水合无机盐等有其相应的缺点，例如其大多相变温度都在30℃左右，很难用于高温蓄热，更无法用于蓄冷，因此，国内外己经开展了对于复合相变材料的研究，这不但将相变温度的范围拓广，更使得材料的温度波动小，蓄能量更大。目前，还没有设置相变蓄热装置的太阳能系统，因而开发一种带有相变蓄热装置的太阳能热采暖装置，可以使得太阳能采暖系统在阴雨天也能够正常应用，提高了太阳能产品的实用性［2］。

1.光热蓄热热泵系统的设计

1.1光热蓄热热泵系统的组成

溴化锂-水系统是该太阳能蓄热热泵系统的核心，与一般溴化锂-水制冷机不同，系统采用了二级溴化锂-水循环，使得该制热效率更好，同时该系统驱动能源来源于太阳能，是一种利用低品位能源获取高品位热能的制热系统。

图1 太阳能蓄热热泵系统的组成

图1所示为包含了太阳能蓄热部分的溴化锂-水吸收式热泵系统，其中溴化锂溶液循环系统的主要组成部分包括两个溶液发生器3a和3b、两个溶液热交换器2a和2b、溶液泵9以及溶液吸收器1，其连接方式为：高压发生器经过第二热交换器与低压发生器相连，低压发生器经过第一热交换器再与吸收器相连。

系统中水循环系统的组成部分主要包括两个溶液发生器2a和2b，冷凝器4，蒸发器5以及节流装置10组成，该水系统的连接方式为高压发生器与低压发生器并联，并且两发生器均与冷凝器相连，冷凝器经过节流阀与蒸发器相连。

系统中太阳能蓄热部分的构成主要包含太阳能集热板7、蓄热装置6以及电加热装置20组成，其连接方式为：电加热装置和太阳能集热板通过水泵分别与蓄热装置相连，蓄热装置通过水泵，分别与系统中的两组发生器以及水系统中的蒸发器相连。

1.2光热蓄热热泵系统的工作原理

本套太阳能蓄热热泵系统主要分为溴化锂溶液循环，水循环及太阳能驱动力端。

1.2.1溴化锂溶液循环过程

来自吸收器中的溴化锂稀溶液通过溶液泵的作用先后经过两套溶液热交换装置，先后与溶液热交换器中的来自低压和高压发生器中的溴化锂浓溶液换热，使得溴化锂稀溶液的温度升高并进入高压发生器中，高压发生器中的溴化锂稀溶液被来自蓄热相变装置中的热水不断加热，此过程中溴化锂稀溶液中的水分不断蒸发，溶液浓度变高。浓溶液经过换热器的换热作用后喷洒在低压发生器中与来自蓄热相变装置中的热水继续作用后，水分进一步蒸发，其溶液浓度也随之变高。此后溴化锂浓溶液经过换热装置直接喷洒在吸收器中，并吸收来自蒸发器中蒸发掉的水蒸气变为溴化锂稀溶液进入下一次循环。

1.2.2水溶液的循环过程

本文1.2.1中所述溴化锂稀溶液先后在高压发生器及地下发生，其中完成发生作用，产生的水蒸气并联进入冷凝器中通过相变反应从水蒸气冷凝为液态水，散发出来的热量经过风机盘管11进行供暖。剩余的液态水经过节流装置降压后进入蒸发器中被来自太阳能产生的热水加热后蒸发并被吸收器中的溴化锂浓溶液吸收，从而完成了一次水循环。

1.2.3太阳能蓄热端工作原理

太阳能集热板产生的高温水在泵的作用下经过相变蓄热材料分别可以与高压发生器、低压发生器及蒸发器相连，并在与每组装置相连的管道上设置开关阀门用以保证太阳能所产生的热水可以分别与三者作用。高低压发生器及蒸发器均是系统中的吸热部件，有效的利用太阳能集热装置制取的热水可以在一定幅度上节约系统所消耗的电能，在系统关闭状态，仍然可以利用太阳能热水对相变装置进行持续加热，将太阳能储存后可以用于保证在夜晚及阴雨天气下的系统在一定时间内的运行。

2.蓄热系统的设计及原理介绍

2.1蓄热材料及装置的设计

2.1.1蓄热材料选择

目前我国使用的相变蓄热材料根据其化学成分主要可以分为无极相变材料、有机相变材料和复合相变材料。其中无机相变材料主要包含结晶水合盐类、金属类及合金类，其中一些材料如KNO2·NaNO3熔盐、CaCL2·6H20等普遍有价格便宜、体积蓄热密度大等优点。但其材质的相变温度较低，一般多在30℃～70℃，不适宜用于本套高温相变系统。而有机相变材料如脂肪酸和一些高级脂肪烃、醇类的相变温度相对较高，并且这类相变材料还有无腐蚀、热效率高等特点，比较适合用于本套太阳能蓄热相变系统。因此，本文所设计的太阳能蓄热系统选材质为石蜡类相变材质C40H82，其相变温度在80～90℃，相变潜热约为240kj/kg［3］。

2.1.2蓄热装置的设计

本套蓄热系统主要包含太阳能端、进出水端、蓄热材料及保温外壳。

图2 蓄热箱构成图

图2所示的是蓄热装置的设计剖面图，其中主要包含C40H82相变蓄热材料604、太阳能集热器的散热管道605、电加热散热管道606、绝热板外壳603以及进出水管道601及602。

2.2蓄热装置的工作原理

本套太阳能蓄热装置的驱动能源主要来源于太阳能，通过太阳能集热板产生的热水，加热绝热板中的水溶液驱动整套溴化锂吸收式热泵机组同时使得绝热层中的C40H82从固态像液态完成相变，当太阳能不足的时，则使用电加热装置加热系统内的循环热源水。在相变蓄热材料完全相变成液态后，可使其充分放热驱动整套系统完成制热循环。

3.光热蓄热热泵系统的可行性分析

3.1集热性能分析

本文设计的太阳能热泵系统所采用的太阳能集热装置为太阳能真空管集热器，假定其光热效率≥80%［4］。

表1给出了10-4月每月随机选择光照较好的一天进行对光照强度的实测，结果显示出，北京在4-10月中的晴朗天气下存在平均辐射强度高于600W/m2的可能。

表1　北京10-4月10：00～17：00实测光照强度表

根据公式（1）计算得到太阳能真空管的产热量约为432W/m2，对于平顶的别墅而言，一般屋顶可放置的太阳能集热器的面积应≥50m2，因此对于此种情况应用太阳能可以提供约22kW的热源用以驱动热泵系统运行，考虑供热热泵的COP以及各项损失以30%计，仍可以得到15.4kW的供热量，基本满足户内一部分的供热需求。因此可以判定，该套系统在理论上可以满足一些晴朗天气下的部分供暖需求。

3.2蓄热材料用量分析

根据本文2.1.1中介绍，该系统所选用的蓄热材料为C40H82，其相变潜热约为240kj/kg，根据3.1中的理论估算太阳能所产出的热能容量约为15Kw：

m = P / C（2）

根据公式（2）计算可得，所需蓄热材料的质量约为227kg/h，即若使该相变材质提供15kW的供热量，一个小时之内至少要消耗掉227kg材料。从数据上看，蓄热装置的可行性比较差，无法提供较长时间稳定的热能输出，应寻找潜热更高，体积更小的蓄热材料进行代替。

3.3太阳能蓄热热泵的优势总结

通过对本次太阳能蓄热热泵的设计介绍和理论分析，可总结本文所述的太阳能蓄热热泵系统仍有以下两点优势：

3.3.1设计前提是采用可再生能源，并且利用低品位能源获取高品位能源，从设计思路和理论分析上都证明使用太阳能驱动热泵有一定经济性和环保型优势。

3.3.2蓄热系统虽在可行性上有一定不足，但在原理上可以给未来的热泵设计提供一定思路。

4.结束语

通过设计原理的阐述和部分理论及可行性分析证明该种光热吸收式蓄热热泵具有一定的可行性，但在现阶段，由于太阳能光热装置价格过高、虽然其光热效率较高但体积较大，另外蓄热装置的潜热不够，使得这套系统实施较为困难。然而，若从节能减排的角度上考虑，这种光热热泵则具有相当大的潜力。同时，对于一些电力短缺的地区和国家，发展光热产业更加具有市场前景。总而言之，这套光热吸收式蓄热热泵系统具有一般热泵系统所不能比拟的优点，而且随着太阳能产业以及蓄热材料业的日渐成熟，光热热泵也将会是热泵系统发展的一个重要的方向。

［1］ 孙冰冰.太阳能、空气源热泵的理论与实验研究 .天津商业大学. 2012

［2］ 马素霞，蒋永明，文博，张亚琦.相变蓄热蒸发型空气源热泵性能实验研究.太阳能学报.2015 （03）

［3］ 董旭，张永贵. 太阳能相变蓄热应用于吸收式制冷的研究.制冷.2012 （04）

［4］魏凤. 通过太阳真空管光学性能推倒光热转换效率的研究.2010年全国科学仪器自主创新及应用技术研讨会论文集. 2010（04）

（作者单位：中国建筑设计院有限公司）

TU238.3

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1671-3362（2016）10-0054-03