太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)方案設(shè)計及仿真模擬

劉 堯 牛亞琳 錢凡悅 朱晨迪

上海電力學(xué)院能源與機械工程學(xué)院

0 引言

近年來，中國建筑行業(yè)的發(fā)展迅速，有力地促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)及科技的發(fā)展。建筑行業(yè)逐漸成為國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，建筑能耗也在日益增長。目前，中國建筑能耗占總能耗的比例約為30%，對全社會的節(jié)能減排影響很大。因此，為緩解能耗負(fù)擔(dān)，“建筑節(jié)能”已被提上議事日程，成為行業(yè)發(fā)展的重點方向之一。在建筑能耗中，暖通空調(diào)及生活熱水的能耗占50%以上。就目前情況而言，城市人口的生活熱水人均消費量遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家，生活熱水的需求將隨著生活水平的提高而增加。家用熱水的用能有可能成為未來中國建筑能耗的大幅增長點，這會給建筑節(jié)能目標(biāo)的實現(xiàn)帶來巨大的壓力。因此，如何利用高效節(jié)能的系統(tǒng)和設(shè)備來制備生活熱水，在建筑節(jié)能的研究中具有重要的理論及實踐意義。空氣源熱泵和太陽能熱水系統(tǒng)作為目前兩種節(jié)能建筑熱水供應(yīng)方式，兩者的合理結(jié)合已成為一個重要的研究方向。

馮詩愚[1]等提出用熱泵取代傳統(tǒng)的電加熱器,構(gòu)成熱泵輔助太陽能中央熱水系統(tǒng),可有效降低能源消耗，并通過建模和比較與傳統(tǒng)電加熱輔助太陽熱水器系統(tǒng)的優(yōu)缺點。洪力[2]等通過建立數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)模擬在香港地區(qū)的典型天氣的空氣源熱泵輔助太陽能系統(tǒng)運行性能，確定了諸如循環(huán)水流量、太陽能集熱器的集熱器面積，水箱安裝角度和系統(tǒng)性能測試的初始溫度等參數(shù)。侯軍霞[3]等提出將空氣源熱泵作為太陽能集中熱水系統(tǒng)的輔助熱源應(yīng)用于西北寒冷地區(qū)的建筑一體化工程，并進(jìn)行了具體的案例分析。

本文基于太陽熱水系統(tǒng)受天氣因素影響較強，而空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在冬季效率較低的情況，結(jié)合兩者特點，提出將兩者有機結(jié)合，組成空氣源熱泵與太陽能熱水耦合系統(tǒng)。并以上海某學(xué)校的學(xué)生宿舍為例，進(jìn)行實際的案例工程設(shè)計，結(jié)合TRNSYS仿真，驗證這一系統(tǒng)的可靠性。

1 太陽能-空氣源熱泵耦合系統(tǒng)

1.1 太陽能-空氣源熱泵耦合系統(tǒng)的特點

太陽能熱水系統(tǒng)是一種簡單成熟的熱水制備系統(tǒng)，在中國已具有廣泛的應(yīng)用。本文研究的上海地區(qū)屬于第三類太陽能資源地區(qū)，年太陽總輻射的總量平均為4 444．91 MJ/m2，年平均日照時數(shù)在2 100h左右，太陽能資源能滿足太陽能熱水系統(tǒng)的正常運行。因此，上海地區(qū)太陽能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用是合理可行的。然而傳統(tǒng)的太陽能熱水系統(tǒng)易受天氣因素的影響，在諸如陰雨天氣等太陽輻射不佳的情況下，其運行效率會大幅下降。

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是具有運行成本低、節(jié)能環(huán)保、供熱效果好、安全等優(yōu)點的熱水系統(tǒng)。空氣源熱泵熱水器制備相同的熱水量，其能源成本僅為電熱水器的25%，為燃?xì)鉄崴鞯?3%。然而，隨著室外氣溫的降低，空氣源熱泵機組的效率和供熱量也將降低，特別是在室外環(huán)境溫度降至0℃以下的冬季，設(shè)備可能還存在結(jié)霜除霜的問題。

基于太陽能熱水系統(tǒng)和空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的各自特點，建議將二者結(jié)合起來，組成空氣源熱泵與太陽能熱水耦合系統(tǒng)，可充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，最大限度避免自身的缺點，確保建筑用熱水全年不間斷可靠供應(yīng)。

1.2 太陽能-空氣源熱泵耦合系統(tǒng)的類型

隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，單一的太陽能熱水設(shè)備已不能滿足許多長時間不間斷能源用戶的需求。因此，使用高效節(jié)能技術(shù)，例如熱泵技術(shù)和太陽能進(jìn)行結(jié)合的研究越來越受到關(guān)注。從二十世紀(jì)50年代開始，美國，歐洲和日本的太陽能-熱泵系統(tǒng)的研究和開發(fā)取得了顯著進(jìn)展。太陽能集熱器與空氣源熱泵相結(jié)合，主要分為四種類型，即直接膨脹式太陽能熱泵、串聯(lián)式太陽能熱泵、并聯(lián)式太陽能熱泵和雙熱源太陽能熱泵熱水系統(tǒng)[4]。

直接膨脹式太陽能輔助熱泵熱水系統(tǒng)是將太陽能集熱器與熱泵蒸發(fā)器合二為一；串聯(lián)式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)是指太陽熱水系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)共用一個蓄熱水箱，熱泵系統(tǒng)中的蒸發(fā)器從蓄熱水箱中吸收熱量。并聯(lián)式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)，也被稱為太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，或空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)，由傳統(tǒng)的太陽能集熱器和空氣源熱泵并聯(lián)組成[5]，空氣源熱泵機組和太陽能系統(tǒng)獨立工作，當(dāng)太陽能系統(tǒng)運行時，若供熱足夠，則不需要運行空氣源熱泵，只有供熱不足時需要空氣源熱泵進(jìn)行補充。同時，這個系統(tǒng)相當(dāng)于用一組空氣源熱泵取代傳統(tǒng)的電加熱器或燃?xì)鉄崴鳎鳛樘柲艿妮o助熱源來使用。這種系統(tǒng)的優(yōu)勢在于熱泵的節(jié)能效果顯著，缺點是在寒冷的天氣仍有熱泵能效下降和蒸發(fā)器表面結(jié)霜問題。因此，需要在蒸發(fā)器側(cè)添加三通閥門，與太陽的熱水系統(tǒng)連接，將太陽熱水系統(tǒng)作為一個空氣預(yù)熱器使用，提高系統(tǒng)操作性能。雙熱源式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)是指具有兩個蒸發(fā)器（水源和空氣源），用串聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)替代了并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)的太陽能單元部分。該系統(tǒng)由于系統(tǒng)過于復(fù)雜，沒有成本優(yōu)勢，目前應(yīng)用較少。

結(jié)合上述各類太陽能與空氣源熱泵結(jié)合系統(tǒng)的特點，本文選用帶空氣預(yù)熱器的太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)安全可靠運行的同時，充分降低供熱能耗。

2 案例分析及工程設(shè)計

2.1 案例介紹及能耗數(shù)據(jù)采集

本文的案例建設(shè)目標(biāo)為某學(xué)校的學(xué)生宿舍。原學(xué)生宿舍洗浴為電加熱加單臺熱水器，已運行5年。因電加熱熱水器的不安全系數(shù)高，運行電費高和維護(hù)費用高，目前改造計劃采用性價比最高的空氣源熱泵熱水機組與太陽能相結(jié)合的方案，而原來的電加熱器則作為輔助加熱設(shè)備使用。采用無人值守，智能控制，節(jié)約運行費用和管理費用，達(dá)到節(jié)能和減排效果。表1為研究生公寓熱負(fù)荷及電量消耗表：

表1 學(xué)生公寓熱負(fù)荷及電量消耗表

可以看出使用電加熱器的COP值僅為1．1左右，而空氣源熱泵的COP值可達(dá)到5以上，即使計算水泵耗電，綜合COP也能達(dá)到3．5左右，故改造后應(yīng)會較大幅度降低電量消耗。

2.2 改造方案設(shè)計

本工程為中央熱水工程，十四層的學(xué)生宿舍樓1棟。由于屋頂面積的限制，無法使太陽能熱水系統(tǒng)作為主要供應(yīng)源，因此雖仍采用帶空氣預(yù)熱器的太陽能-空氣源熱泵系統(tǒng)，但空氣源熱泵不再作為輔助系統(tǒng)，而且需要全年大部分時間作為供應(yīng)熱水的主力進(jìn)行運行。優(yōu)先利用太陽能的初次加熱，熱泵熱水系統(tǒng)主要作為加熱熱水模式。

系統(tǒng)具體熱水需求量計算：14層學(xué)生公寓，共1棟；每天洗浴人數(shù)800人，室內(nèi)噴頭數(shù)量160個；水閥處設(shè)有收費系統(tǒng)。設(shè)計按照熱水用水定額每人每天60L計，采用中央熱水系統(tǒng)。設(shè)計用水量為48噸。設(shè)計總用電量為160kWh(其中熱泵機組為100kWh，輔助電加熱為60kWh)。系統(tǒng)具體設(shè)計如下：

(1)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定持續(xù)運行。模塊式空氣源熱泵熱水機組在-10℃～43℃的環(huán)境條件下，不需要任何輔助熱源可自動運轉(zhuǎn)。在模塊式機組運行過程當(dāng)中，如發(fā)生某一塊組合機組發(fā)生故障時，其他模塊仍可自動運行，不影響繼續(xù)加熱。在全部模塊完全故障時自動啟用“輔助電加熱系統(tǒng)”保障學(xué)生洗浴的不間斷供水（設(shè)計輔助電加熱為60kW）。

(2)水箱分配方式。水箱布置的設(shè)計為整棟樓層分配熱水，設(shè)置兩臺水箱并聯(lián)，水箱之間用聯(lián)通管連接。做到可以相互調(diào)配使用，當(dāng)一臺水箱發(fā)生故障時，另一臺水箱可以繼續(xù)供水。

(3)循環(huán)系統(tǒng)。本工程中央熱水系統(tǒng)中的熱水給水泵安裝于回水管道上，可根據(jù)供水時啟動或者根據(jù)設(shè)置水溫低（45℃可調(diào)）啟動，每次加熱水溫至60℃即可保證整個熱水循環(huán)系統(tǒng)中始終確保持續(xù)供熱水，同時不會造成冷水的浪費。

在本項目中，空氣源熱泵與太陽能結(jié)合兩者相輔相成，并通過空氣源熱泵自動判斷和邏輯控制程序進(jìn)行判斷、檢測環(huán)境溫度和水箱溫度感應(yīng)控制系統(tǒng)在最優(yōu)化的運行狀態(tài)下工作，是最節(jié)能有效的可行性辦法。太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)如圖1所示。

在完成系統(tǒng)設(shè)計后，將使用TRNSYS仿真軟件對設(shè)計方案中的太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，驗證該系統(tǒng)的可行性，并根據(jù)運行結(jié)果分析系統(tǒng)的節(jié)能效果。

圖1 太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)圖

3 太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)仿真模擬

3.1 仿真系統(tǒng)搭建

TRNSYS軟件由美國Wisconsin-Madison大學(xué)Solar Energy實驗室（SEL）開發(fā)，并在歐洲一些研究所的共同努力下逐步完善的模塊化系統(tǒng)仿真軟件，適用于建筑能耗、熱泵、太陽能、分布式能源等各類能源系統(tǒng)的建模分析。在這之后，美國的Thermal Energy Systems Specialists（TESS）開發(fā)出針對暖通空調(diào)系統(tǒng)的各種模塊，使暖通空調(diào)系統(tǒng)的模擬更加準(zhǔn)確快捷。

3.1.1假設(shè)條件的設(shè)定

(1)太陽能熱水系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)和電加熱系統(tǒng)中的流體為均勻加熱。

(2)流體在系統(tǒng)各設(shè)備內(nèi)的流動為一維流動。

(3)為了簡化模擬過程，將系統(tǒng)中流體的比熱容視為定值，而實際工作中流體的比熱容會隨著溫度的變化而發(fā)生改變。

(4)忽略了流體在設(shè)備內(nèi)流動的散熱損失和在設(shè)備之間的管道內(nèi)流動的散熱損失。

(5)系統(tǒng)建模仿真未考慮波動，穩(wěn)定運行時的水泵流量始終為一定值。

4.1.2仿真模型的建立

圖2所示是根據(jù)方案設(shè)計的太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)的TRNSYS仿真模型，包括控制信號模塊、數(shù)據(jù)采集器模塊、水泵模塊、天氣參數(shù)模塊、太陽能熱水系統(tǒng)模塊、空氣源熱泵模塊、電加熱器模塊和水箱模塊。其中控制信號模塊是為了適應(yīng)用戶需求而設(shè)定的系統(tǒng)負(fù)載率。數(shù)據(jù)采集模塊是為了確定系統(tǒng)各部分運行安全可靠，并采集仿真結(jié)果進(jìn)行分析。其他模塊也將參考實際設(shè)備及客觀環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。

圖2 太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)的TRNSYS模型

3.1.3模塊參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)案例所在區(qū)域的客觀環(huán)境和設(shè)備的性能，方案中的各類需求，設(shè)置各個模塊的參數(shù)。

（1）控制信號模塊。本次模擬設(shè)定所有模塊為滿負(fù)荷運行，太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)定為24小時連續(xù)運行，即只要有陽光就運行，空氣源熱泵與電加熱器設(shè)定16:00至22:00為運行時段。

（2）數(shù)據(jù)采集器模塊。該部件為顯示繪圖的模塊，根據(jù)需要本次模擬設(shè)定了8個數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，包括水泵提供給太陽能熱水系統(tǒng)的水溫（To-Solar）、太陽能熱水系統(tǒng)提供給空氣源熱泵的水溫（ToPump1）、空氣源熱泵提供給電加熱器的水溫（ToPump2）、電加熱器提供給用戶的水溫（ToUser）、空氣源熱泵的COP值（COP）、太陽能熱水系統(tǒng)提供的能量（QSloar）空氣源熱泵提供的能量（QPump1）和電加熱器提供的能量（QPump2）。

（3）水泵模塊。該部件輸入的流體溫度由天氣參數(shù)提供，輸入流體質(zhì)量流量為48t/h。

天氣參數(shù)模塊。該部件可以通過調(diào)用外部文件提供不同情況下的各類天氣參數(shù)，本次模擬選用了上海地區(qū)的天氣參數(shù)，分別提供干球溫度給水泵、太陽能熱水系統(tǒng)及空氣源熱泵、輻照度等相關(guān)給太陽能熱水系統(tǒng)和相對濕度給空氣源熱泵。

（4）太陽能熱水系統(tǒng)模塊。該部件的各項輸入?yún)?shù)由天氣參數(shù)模塊及水泵模塊提供，根據(jù)需求設(shè)置太陽能板面積為550m2。

（5）空氣源熱泵模塊。該部件的各項輸入?yún)?shù)由天氣參數(shù)模塊及太陽能熱水系統(tǒng)模塊提供，根據(jù)需求設(shè)定模塊為加熱模式。

（6）電加熱器模塊。該部件的各項輸入?yún)?shù)由空氣源熱泵模塊提供，根據(jù)需求設(shè)定出口流體溫度為60℃。

3.2 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)方案設(shè)計，設(shè)置各個模塊的連接及參數(shù)后，得出符合上海天氣情況的1月1日至1月7日這7天時間內(nèi)的系統(tǒng)運行情況。

由于8個不同數(shù)量級的參數(shù)，為方便觀察，去除系統(tǒng)運行中間階段的運行參數(shù)ToSolar、ToPump1及ToPump2，這三個數(shù)值功能基本與ToUser數(shù)值類似，均為系統(tǒng)各個過程中的熱水溫度，因此在分析時僅需讀取供給用戶的熱水溫度以確保系統(tǒng)的可靠運行。如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行結(jié)果圖

從圖3可以看出，在前三天由于下雨等天氣原因造成太陽能熱水器基本沒有出力時，當(dāng)天的水箱溫度一直在下降，直到16點空氣源熱泵和電加熱器開始出力。而第四天由于輻射量較大，經(jīng)過空氣源熱泵后的熱水已達(dá)到了設(shè)定的60攝氏度，故電加熱器沒有出力。與之相同，在之后的5，6，7日由于太陽能出力，16點時水箱內(nèi)水溫較高，故而電加熱器在運行一段時間，水溫達(dá)到預(yù)期設(shè)定值后停止運行。

當(dāng)空氣源熱泵開始運行時，其COP值維持在3．5～5左右。空氣源熱泵最大耗電量約為100kWh，電加熱器耗電量約為60kWh，即類比于全使用電加熱的情況下，最大僅花費了32%的耗電。若計入太陽能熱水的效果，可達(dá)到全天的耗電量減少70%以上。節(jié)能效果明顯。

4 結(jié)論

在節(jié)能的大背景下，如何高效利用能源已成為當(dāng)前社會研究的主要課題之一。本文結(jié)合某校學(xué)生公寓的實際情況介紹了太陽能熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵聯(lián)合運行的方式，提出了以加裝太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)為主，電加熱為輔助的節(jié)能改造方案。使用仿真軟件TRNSYS對這一方案進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)整個系統(tǒng)對天氣狀況的依賴性較大，但由于太陽能熱水系統(tǒng)基本無能量消耗，以及空氣源熱泵的高COP值，相比于原來的單一使用電加熱器的情況，節(jié)能效果明顯，從理論上驗證了這一方案的可行性。

同時，由于屋頂面積的限制，太陽能熱水系統(tǒng)的容量被限定，因此無法進(jìn)行太陽能與空氣源熱泵的最佳配置設(shè)計。從仿真結(jié)果可以看出空氣源熱泵COP隨熱水溫度升高而下降明顯，因此如何調(diào)整太陽能熱水系統(tǒng)的面積，從價格角度優(yōu)化整個太陽能-熱水系統(tǒng)的配置，以及全年天氣參數(shù)對于這一系統(tǒng)的量化性影響，均需要進(jìn)一步的研究分析。