空氣源熱泵輔助熱水系統(tǒng)的優(yōu)化研究

周杰

摘 要：空氣源熱泵是一種廣泛應(yīng)用的節(jié)能環(huán)保的熱水器系統(tǒng)，為了提升空氣源熱泵輔助熱水系統(tǒng)中各關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)的匹配性，本文利用仿真分析平臺建立了空氣源熱泵輔助熱水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，以空氣源熱泵工作時的生命周期成本為匹配參數(shù)，將所涉及的水箱容積、集熱面積等作為優(yōu)化變量，對其進行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明：優(yōu)化后系統(tǒng)的節(jié)能效果顯著提升，全年的節(jié)電率達到了8.92%，單位集熱面積所對應(yīng)的最佳的水箱的量為72.7L/㎡，單位面積所對應(yīng)的最佳的熱泵功率為59.1W/㎡，為空氣源熱泵輔助熱水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了技術(shù)了理論支撐。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；熱水系統(tǒng)；集熱面積；優(yōu)化設(shè)計

0 引言

空氣源熱泵是一種將大氣內(nèi)的低溫的熱量吸收進來，任何通過流動介質(zhì)的氣化，將熱量傳遞給水箱內(nèi)的水的設(shè)備，具有高效、節(jié)能的特點。但當(dāng)環(huán)境溫度低的時候其工作效率會集聚下降，因此為了確保用戶的正常使用，需要為空氣源熱泵配備相應(yīng)的輔助熱水系統(tǒng)，以滿足不同環(huán)溫條件下的正常使用。因此如何對輔助熱水控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計進行優(yōu)化匹配，提高工作效率、降低電能消耗就顯的至關(guān)重要。本文利用TRNSYS仿真分析軟件，搭建了空氣源熱泵機輔助熱水系統(tǒng)的仿真分析模型，以空氣源熱泵工作時的生命周期成本為優(yōu)化目標(biāo)，對其進行仿真分析，最終確定了最佳的參數(shù)匹配數(shù)據(jù)，極大的提升了空氣源熱泵工作時的經(jīng)濟性和可靠性。

1 仿真算法優(yōu)化流程

利用TRNSYS仿真分析軟件建立空氣源熱泵及輔助熱水系統(tǒng)的仿真分析模型，將其并入到CENOPT算法優(yōu)化程序中，進行參數(shù)匹配優(yōu)化，在優(yōu)化時設(shè)置優(yōu)化變量A為集熱器的面積，設(shè)優(yōu)化變量B為集熱器的傾斜角，設(shè)置優(yōu)化變量C為輔助熱水系統(tǒng)水箱的容量，設(shè)置熱水系統(tǒng)的熱泵功率為D，同時對仿真分析時候的加速因子、分析時的步長以及步長的收縮率、系統(tǒng)優(yōu)化分析精度進行設(shè)置，在進行分析時，利用每一步迭代后的參數(shù)驅(qū)動仿真分析模型對此參數(shù)配置情況下空氣源熱泵輔助熱水系統(tǒng)的工作性能進行分析，根據(jù)分析結(jié)果修正迭代數(shù)據(jù)并進一步優(yōu)化，直到所獲得的參數(shù)匹配滿足設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)。化變量A的范圍為79㎡≤A≤206㎡，設(shè)置優(yōu)化變量B的范圍為18°≤B≤35°，設(shè)置優(yōu)化變量C的范圍為5.6m3≤C≤12.9 m3，設(shè)置優(yōu)化變量D的范圍為7kW≤B≤27.6kW。

2 優(yōu)化方程及優(yōu)化結(jié)果

在進行優(yōu)化時，以空氣源熱泵輔助熱水系統(tǒng)的生命周期成本為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)全國平均的集熱器、

供水系統(tǒng)、管路附件等成本，所建立的生命周期成本的目標(biāo)函數(shù)為可表示為[2]：

由仿真分析結(jié)果可知，在不斷優(yōu)化迭代的過程中系統(tǒng)的生命周期函數(shù)不斷降低，經(jīng)過約140次的優(yōu)化迭代后，空氣源熱泵復(fù)雜熱水系統(tǒng)的生命周期成本最低且基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)，此時表明當(dāng)集熱器的面積為154㎡，集熱器的工作傾角為21°，輔助水系統(tǒng)水箱的容積為11.2m3、功率為9.1kW情況下該空氣源熱泵輔助熱水系統(tǒng)具有最低的生命周期成本。

3 優(yōu)化前后的對比分析

由對比分析結(jié)果可知，在優(yōu)化過程中該空氣源熱泵輔助熱水系統(tǒng)的水箱的容積和集熱器的面積的比值約為72.7L/㎡，系統(tǒng)的熱泵功率和集熱器的面積的比值約為59.1W/㎡，熱水泵系統(tǒng)工作時的最佳的傾角約為當(dāng)?shù)鼐暥仍贉p6°，因此在實際配置的時候可以以此為匹配原則對空氣源熱泵與輔助熱水系統(tǒng)的匹配參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

以COP表示系統(tǒng)的性能系數(shù)[4]，則本文選擇2018年12月1日～12月10日，連續(xù)十天對優(yōu)化前后系統(tǒng)的性能分布情況進行研究，結(jié)果如圖3所示。

由實際測試結(jié)果可知，優(yōu)化后系統(tǒng)在同等條件下的性能系數(shù)要優(yōu)于優(yōu)化前系統(tǒng)的性能系數(shù)，由此證明了該優(yōu)化結(jié)果的準確性，經(jīng)優(yōu)化后系統(tǒng)能夠最大限度的優(yōu)先對太陽能進行利用，合理的設(shè)置輔熱水系統(tǒng)的工作參數(shù)，有效降低工作時的耗電量，經(jīng)分析，優(yōu)化后系統(tǒng)全年的耗電量能夠比優(yōu)化前降低約8.92%。

4 結(jié)論

為了合理設(shè)置空氣源熱泵和輔助熱水系統(tǒng)工作時的性能參數(shù)，達到節(jié)能的效果，本文利用仿真分析軟

件和系統(tǒng)優(yōu)化分析軟件，對不同參數(shù)配置下析它的工作特性進行仿真分析，根據(jù)優(yōu)化迭代及實際驗證結(jié)果表明：①當(dāng)集熱器的面積為154㎡，集熱器的工作傾角為21°，輔助水系統(tǒng)水箱的容積為11.2m3、功率為9.1kW情況下該空氣源熱泵輔助熱水系統(tǒng)具有最低的生命周期成本；②生命周期成本最低情況下，空氣源熱泵輔助熱水系統(tǒng)的水箱的容積和集熱器的面積的比值約為72.7L/㎡，系統(tǒng)的熱泵功率和集熱器的面積的比值約為59.1W/㎡，熱水泵系統(tǒng)工作時的最佳的傾角約為當(dāng)?shù)鼐暥仍贉p6°；③經(jīng)優(yōu)化后系統(tǒng)能夠最大限度的優(yōu)先對太陽能進行利用，合理的設(shè)置輔熱水系統(tǒng)的工作參數(shù)，有效降低工作時的耗電量，系統(tǒng)全年的耗電量能夠比優(yōu)化前降低約8.92%。

參考文獻：

[1]曠玉輝，王如竹，許煜雄.直膨式太陽能熱泵供熱水系統(tǒng)的性能研究[J].工程熱物理學(xué)報，2004，25（5）：737-740.

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[3]劉麗軍.太陽能輔助空氣源熱泵在生活熱水工程中的應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[4]姚盼，袁艷平，孫亮亮，等.基于交互試驗的熱水系統(tǒng)太陽能保證率影響因素研究[J].太陽能報，2017，38（2）：400-408.