基于TRNSYS的太陽能-熱泵聯合供熱水系統運行性能研究

楊 敏

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基于TRNSYS的太陽能-熱泵聯合供熱水系統運行性能研究

楊 敏

（約克(中國)商貿有限公司北京分公司 北京 100010）

基于TRNSYS軟件建立了太陽能與空氣源熱泵聯合供水系統模型，模擬了長沙地區某學生宿舍不同季節水箱內的水溫變化及運行能耗特點。結果表明，所選取的時間-溫差控制方案下該系統各個月的水溫基本上可以滿足用戶需求。通過比較各供熱水系統各月吸收太陽熱量、熱泵能耗、各個部件能耗，得出夏季熱泵能耗最少，太陽能利用率最高，該系統節約能源最多。研究結果對掌握太陽能供熱水系統性能及改善整個系統的設計與控制具有參考價值。

太陽能；熱水系統；空氣源熱泵；控制方案；TRNSYS

0 引言

隨著人們生活水平的提高以及可再生能源建筑應用技術的推廣，太陽能供熱水系統日益推廣。太陽能制取熱水技術具有運行成本低、無污染等優點，但其利用效率易受天氣狀況的影響，在陰雨天氣或者陽光較弱時難以滿足熱水需求，須增加輔助熱源來滿足全天候熱水供應[1,2]。空氣源熱泵熱水器以環境空氣作為低溫熱源制取熱水，具有系統結構簡單、熱效率高等優點，但運行性能易受氣候等參數影響[3]。將太陽能和空氣源熱泵聯合構成熱水機組，可在太陽能不足的時利用熱泵中熱能制取熱水，太陽能充足時節省了熱泵所要消耗的電能，有助于實現熱水系統高效穩定運行[4]。

國內外研究者都對太陽能熱泵供熱水系統進行了理論研究和實驗分析。Freeman等[5]利用TRNSYS軟件對串聯、并聯、混合式太陽能熱泵系統進行了模擬研究。Le等[6]在通過改變系統的一些條件對系統循環進行性能分析，結果表明影響系統效率的主要因素有太陽能集熱器面積、初始水溫和儲罐的體積等。Li等[7]建立數學模型比較了不同天氣條件下系統的性能，結果表明在系統循環中水的流速、太陽能集熱器傾角、環境溫度等對系統的效率都有所影響。江樂新等[8]研究了某地空氣源熱泵輔助加熱太陽能系統的最佳匹配特性。王曉丹等[9]建立了太陽能與空氣源熱泵聯合供水的雙水箱系統數學模型，模擬了不同季節水箱內的水溫變化及運行能耗特點。雖然太陽能與空氣源熱泵聯合供熱水系統獲得了廣泛關注，但是目前仍處于起步階段，對于系統運行的性能參數尚不明確。因此，需要通過大量的實驗和模擬來驗證該系統的可行性。

本文耦合太陽能集熱模塊和熱泵模塊，建立了太陽能與熱泵的聯合供熱水系統的TRNSYS模型。以長沙地區某建筑為例，分析了不同季節工況下系統的供水溫度及運行能耗變化。本研究結果對太陽能與空氣源熱泵相結合的供熱水系統的優化控制和高效運行具有參考價值。

1 計算方法

1.1 系統構成

太陽能與空氣源熱泵聯合供熱水系統由太陽能集熱器、空氣源熱泵機組、儲熱水箱以及控制系統組成。太陽能集熱系統通過溫差控制，不斷的將集熱器吸收的太陽能傳遞到儲熱水箱，使水箱內的水溫上升。當單獨使用太陽能無法達到要求的水溫時，熱泵系統自動開啟，把儲熱水箱的水加熱到設定溫度值，為用戶提供需要的熱水。

利用TRNSYS軟件建立太陽能與空氣源熱泵供熱水系統模型（如圖1所示），以時刻為例說明模型的計算流程如下。

（1）通過太陽能模型得到太陽能提供的熱量為Q。

（2）計算太陽能循環熱水出水溫度

式中，F為集熱器質量流量，kg/s；T為集熱器的進口溫度，℃。

（3）熱泵模型得到熱泵制冷量為Q，冷凝顯熱為Q。

（4）計算熱泵循環熱水出水溫度

式中，T為熱泵的進水溫度，℃；F為熱泵質量流量，kg/s。

（5）計算水箱內的出水水溫

式中，Q為水箱損失的熱量，kW；T為水箱的進水溫度，℃；為水箱質量流量，kg/s

判斷控制信號，若為太陽能開啟信號，則返回步驟（2）進入下一時間步長計算，若為太陽能關閉信號，則判斷熱泵信號；若為熱泵開啟信號，則返回步驟（4）進入下一時間步長計算，若為熱泵關閉信號，則判斷（5）的水溫是否滿足出水要求。

圖1 空氣源熱泵與太陽能聯合供熱水系統模型

1.2 太陽能集熱器計算模型

平板型太陽能集熱器的熱平衡方程式[10]為：

式中，A為集熱器的面積，m2；F為熱轉移因子；為集熱器透過率與吸收率的乘積；I為太陽輻照度，W/m2；U為集熱器的熱損失系數，W/m2·℃；T為集熱器的進口溫度，℃；T為環境溫度，℃；F為集熱器質量流量，kg/s；c為水的比熱值kJ/（kg·℃）；T為集熱器的出口溫度，℃。

1.3 熱泵計算模型

熱泵的計算流程如下[9]：

（1）輸入已知參數：熱泵的進水溫度T和熱泵質量流量F，蒸發器的空氣溫度T及蒸發器質量流量F；

（2）假設熱泵制熱量為Q及制冷量為Q，計算此時的冷凝溫度和蒸發溫度；

（3）通過制冷劑物性參數求出冷凝/蒸發壓力、蒸發器進出口焓值及壓縮機進口比容；

（4）計算制冷劑質量流量和壓縮機輸入功率W；

（5）計算熱泵實際制熱量Q及制冷量Q；

2 結果與討論

2.1 研究對象

以長沙某學校宿舍的太陽能與熱泵聯合供熱水系統為研究對象。根據長沙地區氣象數據[11]，太陽能全年逐時輻射量總體呈拋物型分布，在冬季輻射量較低，而在夏季輻射量較高，在7月達到峰值。對宿舍樓一年中每個季節的用水情況進行統計分析，得到日用熱水量變化如圖2所示，用水的高峰期主要集中在上午6:00到8:00和21:00到22:00。

本系統設計生活熱水的用水溫度為50℃。每天用水量按季節工況劃分，不同工況下日均用水量、補水溫度和日均熱負荷如表1所示。表2給出了系統運行控制方案，包括集熱器循環側水泵、空氣源熱泵的啟停方案。對全年運行工況進行建模和仿真計算，在供水水溫滿足用戶需求的前提下，以降低整個系統的運行能耗為目標，得到不同季節工況下基于時間和溫差控制的熱泵啟停控制方案（如表2）。

表2 系統運行控制方案

圖2 日均小時用水量

2.2 冬季工況

圖3為冬季工況（以1月份為例）的水箱溫度。可以看出，供水溫度基本上可滿足用戶需求，供水時間段內水溫總體維持在50～60℃之間。部分時刻會出現水箱溫度低于50℃的情況，這主要是因為當時是非供水時間段，或者用戶瞬時用水需求過大而水溫無法及時達到要求。圖中部分時刻水溫會高于60℃，這是由于太陽能循環泵關閉溫度為65℃。當太陽輻射較強時，水溫達到50℃，熱泵接收溫度控制信號停止工作，此時的太陽能集熱器還在繼續工作，直到65℃才關閉循環泵，故導致水溫升高到60℃以上。表3給出了冬季工況供熱水系統能耗情況。可以看出，由于冬季太陽輻射強度較低，太陽能集熱器的有用能量收益較少，月均為6.90 GJ，月均太陽能保證率僅為9.53%。因此，冬季工況主要是由空氣源熱泵提供熱能，同時冬季氣溫低導致熱泵COP值降低，造成系統能耗增加，熱泵月均耗能為26.60 GJ，總能耗為27.35GJ。

圖3 冬季工況1月（0-720h）水箱溫度

表3 冬季工況供熱水系統能耗數據

2.3 春秋季工況

圖4為春、秋季工況（以4、10月份為例）的水箱溫度。由圖可知，供水溫度低于50℃的天數少于冬季工況，這是由于長沙本地春秋兩季的環境溫度相對冬季高，水箱補水溫度升高至15℃。從表4得出，春、秋季工況下太陽能集熱器的有用能量收益比冬季明顯提高，月均為13.76GJ，太陽能有效利用率明顯上升，月均太陽能保證率達19.59%。這一方面是由于春秋兩季的用水量增加，但補水水溫比冬季高，月均用戶總熱負荷比冬季略有降低；另一方面，春秋兩季的太陽輻射增強，集熱效率提高。因此，熱泵所需提高的熱能有所降低，但是依然占主要地位，月均熱泵能耗為21.11GJ，總能耗為21.7GJ。

圖4 春秋季工況4月、10月水箱溫度

表4 春秋季工況供熱水系統數據

2.4 夏季工況

如圖5為夏季工況（以7月份為例）的水箱溫度。如圖可知，水溫高于60℃次數并未顯著增加，這是由于夏季氣溫較高，集熱器循環側水泵以溫差控制為主。由表5可得，夏季集熱器的有用能量收益增加（月均達16.69GJ），這是因為夏季日照時間增加、集熱器表面的太陽輻射強度增大。夏季工況下熱水系統的太陽能保證率最高（平均達66.13%），熱泵耗能降低明顯（平均為2.09GJ）。這是因為一方面夏季太陽輻射較強，太陽能的有效利用率大幅上升（月均達0.46）；另一方面，夏季氣溫較高，用水量降低，水箱補水溫度也相對較高，用戶熱負荷降低。同時，夏季氣溫較高，熱泵運行COP增大，能耗降低。對比表3-5可得，夏季工況下太陽能熱水系統提供的熱能占了主導地位，節能效果最好。

圖5 夏季工況7月（4320-5040h）水箱溫度

表5 夏季工況供熱水系統數據

3 結論

本文利用TRNSYS軟件建立了長沙某宿舍的太陽能和空氣源熱泵聯合供熱水系統的計算模型，模擬了系統全年的運行性能，得到以下結論：

（1）基于熱水系統的設計參數，對全年運行工況進行建模和仿真計算，驗證了所選取的太陽能和熱泵循環的時間與溫差控制方案可保證用戶的用水需要，有利于降低整個系統的運行能耗。

（2）通過分析各個月水溫變化圖，發現該系統每個月水溫在供水時間段內基本可達到50℃，但在用戶瞬時用水需求過大而水溫無法及時達到要求。各個季節的氣候條件不同，水箱內水溫變化也不同。

（3）通過比較各供熱水系統各月太陽能集熱器的有用能量收益、熱泵能耗、各個部件能耗，可以得出冬季的能耗最大且太陽能利用率較低，春秋兩季太陽能的比重相對提高但仍以熱泵為主，夏季熱泵能耗最少、太陽能占主導地位。

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[2] 丁鴻昌,楊前明,劉其會,等.基于多參數空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組的控制系統[J].可再生能源,2013,31(8): 97-99.

[3] 郝吉波,王志華,姜宇光,等.空氣源熱泵熱水器系統性能分析[J].制冷與空調,2013,13(1):59-62.

[4] 歐云峰,楊金華.空氣源熱泵輔助加熱太陽能集中熱水系統設計探討[J].給水排水,2009,35(9):82-84.

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Study on Operating Performance of a Combined Hot Water Supplying System with Solar Energy and Heat Pump Based on TRNSYS

Yang min

( Yueke (China) commercial and trade company, Beijing branch, Beijing, 100010 )

Established a combined hot water supplying system model with solar energy and air source heat pump based on TRNSYS and simulated the water temperature variation and operating energy consumption characteristics in the water tank of a student dormitory in different seasons in Changsha. The results show that the water from the time - temperature control scheme of the system each month can basically meet the needs of users.By concmparing the solar energy absorption, heat pump energy consumption and energy consumption of each part at each month , coluded that the heat pump has the least energy consumption, the solar energy utilization rate is the highest and the system save energy most in summer. The research results provide reference value for mastering theperformance of hot water supplying system with solar energy and improving the design and control of the whole system.

Solar energy; Hot water system; Air source heat pump; Control scheme; TRNSYS

1671-6612（2017）05-500-06

TK515

B

2017-01-18

作者（通訊作者）簡介：楊 敏（1977.12-），女，本科，工程師，E-mail：min.yang@jci.com