引言现阶段我国建筑用能占能源消费总量的大部分，根据《中国建筑能耗研究报告》（2020）显示，2018年全国建筑全寿命周期总量为21.47亿吨标准煤，占全国能源消费总量的46.5%。其中建筑运行阶段能耗为10亿吨标准煤，占建筑全寿命周期能耗的46.6%，占全国能源消费总量的21.7%[1]。降低建筑碳排放、推动建筑低碳领域的发展，将是未来建筑行业发展的重点。溴化锂—水吸收式热泵是一种利用蒸汽、燃气、热水以及各种余热为热源，为室内提供冷热源的设备[2]。溴化锂—水吸收式热泵具有耗电低、运行稳定、调节范围广等优点，近年来得到广泛应用。太阳能作为清洁的可再生能源，在主要应用领域中光热转换效率最高，可达40%[3]。太阳能集热器作为溴化锂吸收式热泵机组的热源，近几年得到广泛推广与使用。Siddiqui[4]等研究发现，高蒸发温度下，太阳能单效溴化理吸收式制冷机组可用于温湿度独立控制空调系统，提供较低温度的冷却水，提升冷凝效果。通常在夏日晴朗的天气条件下，水温在上午10：00附近即可达到85 ℃，利用太阳能集热器作为热源的吸收式热泵具有更大的竞争优势。1溴化锂机组的溶液热物性溴化锂—水吸收式热泵系统由发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、节流阀、溶液热交换器等部件构成，工质为水和溴化锂溶液，其中水为制冷剂，溴化锂溶液为吸收剂，单效溴化锂吸收式热泵原理图如图1所示。热水电加热器代替太阳能集热器及集热水箱，系统热交换通过换热器进行，换热器种类繁多，如套管式换热器、管壳式换热器、板式换热器等。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.008.F001图1单效溴化锂吸收式热泵原理管壳式换热器具有结构简单、规格范围广等特点，通常是实践应用中的主要选择方案[5]，占换热器市场约64%。各部件除溶液热交换器以外，均选择以铜管为材料的管壳式喷淋换热器结构，溶液热交换器选择板式换热器结构[6-7]。模拟不同环境温度下制冷机组的性能系数变化，或模拟相同环境温度下，改变机组其他控制变量对于制冷机组性能的影响。1.1溴化锂水溶液热物性计算模型对溴化锂机组性能进行探究时，需要了解溴化锂水溶液、饱和水蒸气和饱和水的热物理性质，因此需要建立热物性参数的数学模型[8]。1.1.1溴化锂水溶液的平衡方程溶液的平衡方程是反应溶液压力P、温度t和质量分数X之间关系的方程[9]。实际模拟计算过程中，三者之间的关系方程需要进行简化，利用正交回归方法，在已知压强和溶液质量分数条件下，推出溴化锂水溶液饱和温度t的回归方程如下：t=∑n=03AnXn+ts∑n=03BnXn (1)式中：ts——压强为P时，溴化锂水溶液对应水的饱和温度，℃；X——溴化锂水溶液质量分数，0.4~0.65；An、Bn——方程回归系数。溴化锂水溶液平衡温度方程回归系数An、Bn的选取，如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.008.T001表1溴化锂水溶液平衡温度方程回归系数nAnBn0124.937-2.0081-7.7160.17020.152-3.133e-33-7.95e-41.977e-5采用相同的方法，在已知压强和溶液温度条件下，溶液的质量分数计算公式如下：X=∑n=03Antsn+t∑n=03Bntsn+t2∑n=04Cntsn+                      t3∑n=03Dntsn (2)式中：t——压强为P时，溴化锂水溶液的饱和温度，10~130 ℃；ts——压强为P时，溴化锂水溶液对应水的饱和温度，℃；An、Bn、Cn、Dn——方程回归系数。溴化锂水溶液平衡质量分数方程的回归系数An、Bn、Cn、Dn的选取，如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.008.T002表2溴化锂水溶液平衡质量分数方程的回归系数nAnBnCnDn00.3111.232e-2-1.917e-41.639e-61-1.282e-23.843e-4-3.334e-6-2.160e-82-1.731e-4-7.146e-85.312e-81.505e-1035.33e-7-5.730e-9-3.601e-10-4.678e-134——1.026e-12—1.1.2溴化锂水溶液比焓溴化锂热泵机组模拟计算过程中，焓值作为基础变量无法被直接测定，引入比焓方便计算各关键点的焓值。以ASHARE提供的基准值为标准（X=0、t=0 ℃时，溴化锂水溶液比焓值为418.68 kJ/kg），得到溴化锂水溶液比焓回归方程如下：h=∑n=04AnXn+t∑n=04BnXn+t2∑n=04CnXn+t3∑n=04DnXn (3)式中：t——压强为P时，溴化锂水溶液的温度，0~160 ℃；An、Bn、Cn、Dn——方程回归系数。溴化锂水溶液比焓值计算方程回归系数An、Bn、Cn、Dn的取值，如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.008.T003表3溴化锂水溶液比焓值计算方程回归系数nAnBnCnDn0-571.1774.074.960e-4-3.996e-617 507.234-5.1233.145e-31.462e-62-23 006.7522.297-4.690e-34.189e-6328 037.3670004-11 610.7500001.2饱和水和过热水蒸气的热物性计算模型1.2.1饱和水比焓值计算模型水的比焓基准为X=0、t=0 ℃时，比焓值为418.68 kJ/kg。水和水蒸气在不同区域内的计算公式，涉及饱和水的公式如下：h(π,τ)RT=τγτ (4)γτ=∑i=134ni(7.1-π)JiJi(τ-1.222)Ji-1 (5)π=PP* (6)τ=T*T (7)式中：P——饱和水的饱和压力，MPa；P*——压力减少量，MPa，取值16.53 MPa；T——饱和水的饱和温度，K；T*——温度减少量，K，取值1 386 K；R——气体常数，0.462 kJ/(kg·K)。1.2.2过热蒸汽比焓值计算模型溴化锂热泵机组利用水溶液和溴化锂溶液沸点不同的特性，在发生器中使制冷剂蒸出进入制冷/制热循环。溴化锂溶液在沸腾时气态几乎为纯水蒸气，故气态比焓值可按过热水蒸气计算，计算公式为：hg=418.68+Cplt1+r+Cpg(t-t1) (8)Cpg=1.854 3+5.722 1×10-4t (9)r=383.65(647.1-t1)0.316 (10)式中：Cpg——过热水蒸气从t1到t时的定压平均比热，kJ/(kg·℃)；Cpl——水从0到t1时的定压平均比热，4.187 kJ/(kg·℃)；t——压强为P时，溶液的平衡温度，℃；t1——压强为P时，溶液对应饱和水蒸气的温度，℃；r——温度为t1时，饱和水的汽化潜热，kJ/kg。1.3溴化锂热泵机组主要部件的数学模型以单效溴化锂热泵机组为研究对象，主要研究部分为发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器和溶液换热器。模型的建立依靠质量守恒、能量守恒、体积守恒定律。各部件通用方程如下：质量守恒：∑min=∑mout (11)溴化锂质量守恒：∑minXin=∑moutXout (12)各部件能量守恒：发生器：Qgen=msgohsgo+mwgohwgo-msgihsgi=mhgCp,hg(thgi-thgo) （13）吸收器：Qabs=msaihsai+mwaihwai-msaohsao=myaCp,ya(tyao-tyai) （14）冷凝器：Qcon=mwci(hwci-hwco)=mycCp,yc(tyco-tyci) （15）蒸发器：Qeva=mwei(hweo-hwei)=mheCp,he(thei-theo) （16）溶液热交换器：Qht=msgo(hsgo-hsai)=msgi(hsgi-hsao) （17）性能系数：COP=QabsQeva+Qgen (18)为了简化流程做出以下假设[10]：（1）系统处于热平衡和稳定流动状态；（2）冷凝器和蒸发器的出口处的制冷剂为相对压力下的饱和状态；（3）节流过程为绝热过程；（4）不考虑泵功率和各设备的压降及管道阻力。2仿真计算及分析模拟程序以溴化锂水溶液、水及水蒸气热物性函数为模型编制子程序，通过Matlab程序计算分析，整个计算程序由各部件和子程序组合而成，计算过程的流程如图2所示。当太阳集热器温度为80 ℃时，由计算程序计算出热泵机组COP系数，通过改变工况的仿真程序得出不同工况状态的变化情况[11]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.008.F002图2系统模拟流程参照设计工况主要设计参数，热源水温度thgi为80.4 ℃；发生压力Pr为8.72 MPa；发生器入口稀溶液质量分数X=0.6，出口浓溶液质量分数X=0.45；冷媒水进口温度thei为12 ℃，出口温度theo为7 ℃；冷却水进口温度tyai/tyci为32 ℃，温升为7 ℃。2.1模拟结果分析通过控制变量法，以参照数据为基准进行数据分析。溴化锂水溶液在进入发生器前的质量分数对COP的影响，如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.008.F003图3发生器入口溴化锂水溶液质量分数对COP的影响通过分析得出，随着发生器入口处溴化锂水溶液的质量分数X提高，COP逐渐递增。X由0.40~0.50的变化过程中，COP由0.301 1增加到0.703 1，且变化过程中COP的增长幅度逐渐变大。溴化锂水溶液进入发生器时，质量分数越大，基于发生器能量守恒定律，发生器吸收的热量越小，溴化锂热泵机组的性能影响越大。溴化锂水溶液在发生器出口进入溶液循环的质量分数对系统COP的影响，如图4所示。随着出口质量分数由0.55递增到0.65的过程中，COP呈现逐渐下降的趋势。质量分数由0.55增加到0.65的过程中，COP由0.797 7下降到0.317 9，且下降趋势变大。根据能量守恒定律，当吸收器出口进入溶液循环的质量分数愈大，发生器在热泵机组运行过程中吸收的热量愈大，COP愈小。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.008.F004图4发生器出口溴化锂水溶液质量分数对COP的影响控制溶液循环过程中，质量分数和质量流量不变的情况下，分别改变溶液热交换器稀溶液侧温度和溶液热交换器出口温度，探究温度变化对系统COP的影响，分别如图5和图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.008.F005图5发生器入口温度对COP的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.008.F006图6吸收器出口温度对COP的影响由图5可知，溶液热交换器出口进入发生器的温度由60 ℃升至79 ℃，COP从0.453升到0.650，降低了发生器的耗热量，达到降低机组COP的目的。由图6可知，当吸收器出口温度由25 ℃升到35 ℃时，COP由0.630下降到0.438，吸收器的冷却效果对机组COP的影响较大。3结语通过对发生器和吸收器的分析，得出发生器出口温度和发生器入口质量分数与热泵机组COP呈正相关；吸收器出口温度和发生器出口质量分数与热泵机组COP呈负相关。通过对吸收器模拟数据分析得出，在设计过程中，采用较低的冷却水温度并加大流量，可以加强吸收器的换热降温能力，较大幅度地增强热泵机组的性能系数，达到优化机组的效果。通过对发生器的研究，在热泵机组优化过程中，采用换热性能优良的溶液热交换器，实现进入发生器时，溴化锂稀溶液质量分数尽量高的同时拥有较高温度，以达到优化溴化锂热泵机组提高机组性能系数的作用。