空氣源熱泵輻射供暖系統控制策略模擬研究

姜鍍輝 崔紅社*楊佳林 姜凱迪

青島理工大學環境與市政工程學院

0 引言

隨著寒冷地區“煤改電”政策的推行，空氣源熱泵輻射供暖系統被越來越多的應用到農村居民建筑中。目前，國內外學者對空氣源熱泵輻射供暖系統的舒適性、節能性、經濟性做了大量的研究[1-3]。在供暖系統控制策略方面，劉東等通過EnergyPlus和BCVTB建立空氣源熱泵地板輻射供暖系統模型，以上海地區100 m2實際住宅為對象，采用變供水溫度控制策略，整個供暖季，相對于定供水溫度節能40%[4]。

由于圍護結構蓄放熱性能的存在，根據室外條件確定空氣源熱泵供水溫度的方法，尚缺乏完善的研究。因此，本文基于一個100 m2北方獨立民居及其空氣源熱泵輻射供暖系統為研究對象，結合室外溫度設定控制調節理論模型，通過數值模擬找到空氣源熱泵隨室外溫度調節供水溫度的曲線。

1 建立模型

1.1 建筑模型

建筑模型采用TRNSYS中type56模塊，模擬了一個建筑面積100 m2，層高3.2 m的單層農村住宅，地點位于北京。典型農村居住建筑平面圖如圖1所示。

圖1 典型農村居住建筑平面圖

建筑的詳細設置參考文獻[5]中的寒冷地區典型農村居住建筑，南向窗墻比0.2，北向窗墻比0.1，建筑朝向正南，通風換氣次數為1次/h。北京市冬季供暖室外計算溫度-7.6℃[6]。建筑基本信息如表1所示。

表1 建筑基本信息

根據GBT50824-2013《農村居住建筑節能設計標準》相關規定和要求，外墻增加8 cm膨脹聚苯板，改造后外墻傳熱系數為0.457 W/(m2·K)。窗戶改為中空玻璃，傳熱系數為2.8 W/(m2·K)。地板輻射采暖表面為水泥，填充層為60 mm混凝土，最下方設置隔熱層。地埋管采用DN20的PE管，管間距200 mm，共有四路盤管，西臥室主體一路97 m，客廳主體一路89 m，中臥室和廚房主體一路96 m，其余一路95 m。

1.2 空氣源熱泵模型

TRNSYS目前還沒有能完善考慮空氣源熱泵除霜影響下機組能效的模塊，因此本文采用文獻[7]中的經驗公式對熱泵機組COP（制熱性能系數）進行修正。當室外溫度低于7℃和高于7℃時，COP衰減值分別如式（1）和式（2）所示。

式中：COPdf為機組除霜造成的COP衰減值；to為室外溫度，℃。

通過FORTRAN將該經驗公式寫入到新的空氣源熱泵模塊type237中，空氣源熱泵耗電量Pm與實際制熱負荷Qx的計算公式為：

式中：COPc為名義工況COP；COPr為廠家提供COP與名義工況COP的比值；CAPc為名義工況制熱量；CAPr為廠家提供制熱量與名義工況制熱量的比值；m為熱泵機組制熱水流量，kg/h；Cp為水的定壓比熱容，取 4.187 kJ/(kg·K)；tg為熱泵機組出水水溫，℃；ti為熱泵機組進水水溫，℃。

考慮空氣源熱泵在部分負荷率下運行時，用到部分負荷率Plr和能耗與額定功率比值Fflp，兩者關系由外部文件提供。實際耗電量P的計算式如下：

熱泵機組選擇1臺麥克維爾風冷熱泵MACO50ER5-AE，額定制熱量 14.8 kW，額定功率4.4 kW。水泵選擇1臺臥式多級離心泵，揚程17 m，流量2.5 m3/h，額定功率0.37 kW，效率0.5。經過除霜修正后的麥克維爾機組測試COP曲線如圖2所示。

圖2 經過除霜修正后COP曲線

1.3 供暖系統模型

供暖系統計算模型中天氣文件采用北京典型氣象年TMY2的數據文件。TRNSYS仿真系統則如圖3所示。

圖3 TRNSYS仿真系統

假設條件：系統未考慮壓力變化對水泵能效的影響。系統未考慮機組到盤管間管道散熱損失。為便于分析控制策略，將建筑內4個房間合并為1個房間。

2 控制策略優化分析

2.1 現有控制策略

在實際空氣源熱泵輻射采暖系統中，啟停控制最為常用。通過溫度感受器檢測室內溫度，當室內溫度高于上限值時，控制裝置關閉閥門。當室內溫度低于下限值時，控制裝置打開閥門。本文中，室內溫度上下限設置為19℃、18℃。用戶很少去更改熱泵機組的設定供水溫度，一般恒定供水溫度為一固定值，如45℃。實際上建筑末端并不需要如此高的供水溫度，降低熱泵機組供水溫度，可提高熱泵機組能效。

2.2 優化控制策略

實際項目供水溫度的調節往往通過經驗來調節，一般室外溫度每降低2～3℃，供水溫度就提高1℃。但實際上由于圍護結構自身蓄放熱性能帶來熱量傳遞的延遲性，使通過經驗調節的結果離理想結果所差甚遠，甚至無法保證室內溫度。因此，本文提出一種更加合理的供水溫度隨室外溫度調節的方法。

室外溫度設定控制調節的理論模型為，建筑物熱損失與室內外溫差成比例，比例關系與建筑物結構材料等因素有關，這種關系可綜合表達為[8]：

式中：Qbuild為建筑物熱損失，kW；U為建筑物整體熱損失系數，kW/℃；ts為室內溫度，℃。

假定輻射盤管向房間傳遞的熱量，與室溫和供水溫度之差成比例[8]，則：

式中：Qfloor為地輻射向房間傳遞的熱量，kW；k為地輻射向房間傳熱的傳熱系數，kW/℃。

兩式相等，可得到：

實際項目中U/k難以獲得，本文在TRNSYS平臺上對該系統進行建模仿真計算，計算過程中保證室內設定溫度，通過PID調節，在流量不變的情況下，得到此時房間的供水溫度。室內溫度設定為18℃，為了盡最大程度避免偶然因素對供水溫度的影響，模擬整個采暖季供水溫度，得到采暖季供水溫度平均值，再由北京市典型年氣象文件TMY2得到采暖季平均室外溫度。根據圍護結構向外散熱量與輻射盤管對房間供熱量相等的假設，可求得U/k的值為0.56。考慮到機組實際運行的啟停波動，供水溫度提高5℃，得到供水溫度與室外溫度的關系式如式（10）所示。熱泵機組供水溫度達到自身限值時可保持限值溫度運行。

由于逐時室外溫度波動較大，考慮晝夜溫差的影響，將每天的室外溫度分成兩段，晚6點到早6點為一個時間段，早6點到晚6點為另一個時間段，各時間段逐時室外溫度取該時段12個小時室外溫度平均值。

圖4為控制熱泵供水溫度策略下室內溫度變化曲線。其中，橫坐標為整個采暖季的時間，共2904 h。縱坐標分別為設定供水溫度，室內溫度和室外溫度。在該控制策略下，室內溫度在18～22℃之間波動，室內溫度變化與室外溫度變化趨勢基本一致，熱泵機組供水溫度與室外溫度變化趨勢相反。

圖4 控制熱泵供水溫度策略下室內溫度變化曲線

由圖4可知，在9056 h出現采暖季最低的逐時室外溫度，為-14.95℃。該時刻處于1月13日，該日有極端天氣，因此在上午8點出現了整個采暖季最低室外溫度。模擬該日變供水溫度與恒定供水溫度45℃控制策略的室內溫度變化如圖5所示。

圖5 1月13日室內溫度變化

由圖5可知，1月13日氣溫波動大，上午8點前氣溫持續降低，上午8點后，氣溫開始回升，傳統控制策略下室內溫度先達到設定的上限值，閥門關閉。1 h后，變供水溫度控制策略下室內溫度也達到設定的上限值，閥門關閉。下午7點，兩種控制策略室內溫度都達到設定室內溫度下限值，閥門開啟。由于傳統控制策略供水溫度更高，在圖中可明顯看出其升溫速度更快。總體來看，相較于傳統控制策略，變供水溫度控制策略系統COP更高。

熱泵機組不同出水溫度設定方式下采暖季耗電量及系統平均COP如圖6所示。

圖6 采暖季系統耗電量及系統平均COP

采用變供水溫度控制策略，相較于恒定供水溫度45℃控制策略采暖季耗電量可省16.7%，采暖季系統平均COP可提高19.0%。空氣源熱泵輻射供暖系統采用變供水溫度控制策略與供水溫度恒定45℃的控制策略相比，在保證室內溫度前提下，機組制熱量變化不大，但由于熱泵機組供水溫度降低，熱泵機組效率提高，熱泵機組耗電減少。

3 結論

本文以寒冷地區的100 m2典型農村居住建筑為對象，在室外溫度設定控制調節理論模型基礎上，通過TRNSYS模擬得到采暖季平均供水溫度與平均室外溫度，確定隨室外溫度調節熱泵機組供水溫度的曲線。該控制策略相較于傳統空氣源熱泵恒定供水45℃的控制策略，采暖季耗電量可降低16.7%，采暖季系統平均COP可提高19.0%。該控制策略充分發揮了空氣源熱泵低溫高效的優勢，節能效果顯著。