基于MATLAB的吸收式太阳能热泵系统仿真与性能分析

孙 梅，刘忠晨

（1.山东建筑大学 信息与电气工程学院，济南 250101；
2.山东省智能建筑技术重点实验室，济南 250101）

随着全球能源危机凸显，各国迫切需要进行能源结构转型，发展节能低碳型非常规新能源，减少能源消耗、提高能源利用效率成为关注焦点[1]。太阳能因具有安全性能好、绿色天然无公害、可再生等优点，得到了更为普遍的应用[2]。应用吸收式太阳能热泵系统既可减少不可再生能源的消耗，又可降低常规能源造成的环境污染[3]，其研究得到了广泛关注。S.JEONG等[4]运用数值模拟预测了吸收式热泵回收废热的瞬态运行特性，详细研究了传热介质的温度和质量流速、系统部件的传热面积、溶液循环率对系统性能的影响，结果表明，增加驱动蒸汽温度、余热温度及热水、废水质量流速，可获得更高的加热能力；
SOUSSI等[5]对太阳能辅助冷却系统的模型进行了性能评估和实验分析；
BELLOS等[6]利用工程求解器EES测试了四种不同的太阳能集热器对系统性能的影响；
ATIZ等[7]对低温地热资源和太阳能的综合集成系统的能量和发电性能进行了概念研究；
彭烁等[8]创建了第二类吸收式热泵的数学模型，探究了影响吸收式热泵系统性能系数、循环倍率和放气范围的主要因素；
姚剑等[9]对太阳能耦合PV/T直膨式热泵系统进行建模分析，认为降低PV背板温度可提高热泵效率。

目前，针对吸收式热泵系统的研究主要集中在太阳能集热器模型建立、热力学方向研究、混合溶液工质的研究、吸收式制冷循环的研究及吸收式制冷与安全性能源的结合等方面[10-13]。本文拟在上述研究的基础上，对吸收式太阳能热泵系统原理进行分析，根据质量守恒和能量平衡方程，利用MATLAB软件建立太阳能驱动的吸收式热泵系统数学模型，探究蒸发温度、发生温度、冷凝温度及环境温度对系统性能的影响。

1.1 吸收式太阳能热泵系统工作原理

太阳能驱动的吸收式热泵系统主要由太阳能供热和吸收式循环两部分组成，系统原理如图1所示。

图1 吸收式太阳能热泵系统原理

图1 中，系统平台为R134a-DMF工质系统，以R134a为制冷剂，DMF为吸收剂。系统工作原理为：发生器内的R134a-DMF二元混合稀溶液由太阳能供热汽化，产出R134a蒸汽进入冷凝器，冷凝为液态的R134a溶液经节流阀进入蒸发器，由蒸发器低压作用变为气态后进入吸收器；
同时，发生器内产生的混合浓溶液进入换热器，经节流阀送至吸收器，与气态R134a溶液混合，变为二元稀溶液，产生的R134a-DMF稀溶液通过溶液循环泵进入热交换器，再进入发生器，完成一次循环。

1.2 物性计算

R134a-DMF二元溶液的热物性参数主要包括：溶液温度T、压力P、浓度X、焓h、质量分数m、密度ρ、定压比热容Cp等，根据文献[14，15]可得到溶液热物性参数关系式。

溶液平衡方程反映平衡态R134a-DMF溶液温度T、压力P和浓度X的关系，即f（T，P，X）=0。R134a-DMF二元混合溶液平衡方程为

其中，T和T1分别表示压力为P时，混合溶液的饱和温度和露点温度；
X表示溶液浓度，Ai和Bi为回归系数。

R134a-DMF二元混合溶液焓-浓度方程为

2.1 模型构建

为简化计算过程，建模过程作以下假设：

（1）系统始终处于稳定工作状态；

（2）忽略管壁和设备的压力损失及散热损失；

（3）系统主要部件出口的工质均为饱和液体；

（4）各部件出口处工质达到热力平衡状态；

（5）泵功忽略不计。

吸收式太阳能热泵系统质量守恒方程为

能量平衡方程为

各组成设备主要性能参数：

蒸发器热负荷

冷凝器热负荷

发生器热负荷

吸收器热负荷

热交换器能量平衡方程为

其中，m为机组各设备进出口流体的质量流量，单位是kg/h；
XL和XH为表示热泵系统中混合稀溶液和浓溶液的浓度（%）；
h为各设备进出口流体的焓，单位是kJ/kg；
T为温度，单位℃；
cp为定压比热容。

2.2 参数设置与系统评价

采用MATLAB对吸收式太阳能热泵系统进行仿真模拟，系统流程见图2，各设备初始参数及系统各点的状态参数见表1和表2。

图2 系统仿真流程

表1 各设备初始参数

表2 系统各点状态参数

系统评价指标为系统能效比（COP），即吸收式太阳能热泵系统蒸发器热负荷Qeva与发生器热负荷Qgen的比值，计算公式为

为研究主要换热部件的温度变化对系统性能产生的影响，在不同工况条件下对吸收式太阳能热泵系统进行模拟，分别改变蒸发温度Te、冷凝温度Tc、发生温度Tg和环境温度Tout，观察系统运行达到稳态时系统性能（COP）的变化情况。输入输出变量的参数范围见表3。

表3 变量变化范围

图3给出了不同冷凝温度下，环境温度Tout从28.5℃变化至32.5℃时，系统COP的变化情况。由图3可看出，随着环境温度Tout升高，系统性能系数提高。这是因为：环境温度影响冷凝器的冷凝效率和吸收器风冷机的换热量，进而影响系统性能系数COP；
环境温度越高，冷凝器压力越高，可以保证与空气进行换热；
溶液降温，使蒸发器返回的蒸汽制冷剂能充分溶解至溶液。

图3 环境温度变化对系统性能的影响

图4 给出了不同冷凝温度下，系统COP随发生温度Tg变化的情况。由图4可以看出，冷凝温度不变时，随着发生温度Tg升高，系统性能系数降低，发生温度一定时，冷凝温度Tc越低，COP越高。这是因为：发生温度升高，发生压力随之升高，在其他条件不变时，发生器出口浓溶液浓度减少，发生器汽化制冷剂蒸汽的能力下降，系统COP随之下降。同样，由于发生器和冷凝器相同，冷凝温度降低，冷凝压力降低，发生器压力随之降低，在其他条件不变时，发生器汽化制冷剂蒸汽能力提升，出口处溶液浓度增高，系统COP增高。

图4 发生温度变化对系统性能的影响

在不同的冷凝温度下，能效比（COP）随蒸发温度Te变化的情况如图5。由图5可看出，在冷凝温度不变时，COP随蒸发温度升高而提高。这是因为：蒸发温度Te升高，蒸发压力Pe加大，吸收压力也随之增加，稀溶液浓度下降，使得循环倍率降低，进而造成制冷量增加，系统性能系数增加。

图5 蒸发温度变化对系统性能的影响

对太阳能驱动的吸收式热泵的性能影响因素进行模拟与分析，以系统能效比（COP）为性能评价指标，着重研究了发生温度、冷凝温度、蒸发温度及环境温度对吸收式太阳能热泵系统性能（COP）的影响，主要结论如下：

（1）在其他工况条件不变的情况下，系统性能系数COP随环境温度、蒸发温度升高而升高，随冷凝温度、发生温度的升高而降低，COP最高可达0.53。

（2）利用MATLAB建立吸收式太阳能热泵系统数学模型，对影响制冷效果的主要因素进行热力学分析，为吸收式太阳能热泵系统能效的提高和后续的优化控制奠定了基础。

（3）建立的吸收式太阳能热泵系统系统模型，虽对影响系统性能效果的主要因素进行热力学分析，但只考虑了温度因素，未深入考虑压力及质量流量等因素，同时，对太阳能集热器驱动热源模块的影响也未考虑，有待进一步研究。