川西藏區空氣源熱泵運行優化研究

劉巧娟 魏鵬 劉優優

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

0 引言

由于川西藏區獨特的低溫、高濕氣候特征，使空氣源熱泵在該地區應用時會出現制熱量下降、結霜、機組不能啟動或死機的情況[1]。故對空氣源熱泵運行方式進行優化是解決川西藏區空氣源熱泵運用的關鍵問題。

在運行優化方面，張曉林等[2]基于TRNSYS 軟件分別建立了空氣源熱泵的變水流量和定水流量模型，通過模擬仿真結果表明變水流量節能率可達10.3%。杜彥[3]通過TRNSYS 軟件對某建筑的空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統的幾種運行方式進行模擬，得出白天運行夜間停機的方式最佳。Oussama Ibrahim[4]建立空氣源熱泵系統的動態模擬模型，結論顯示采用微型冷凝器增加了系統的COP，節省了能源。Kezhi Yu[5]運用TRNSYS 軟件對一所大學的教學樓空調系統不同控制策略下進行模擬得出新的控制策略下系統的節能率可達15.27%。基于此本文提出蓄熱運行的優化策略，使空氣源熱泵高效穩定的運行。

1 模型簡介

1.1 建筑模型

建筑模型為兩層獨棟住宅建筑，磚混結構，無外保溫，外墻傳熱系數2.5 W/(m2·K)，外窗向陽面采用單層玻璃窗，背陽面為雙層玻璃窗，門窗的傳熱系數按寒冷地區建筑節能標準計算。上下共兩層，總面積240 m2，一層層高3.5 m，二層層高3.0 m，塑鋼雙層玻璃窗，整棟建筑均用空氣源熱泵供暖，一層為起居室，二層為主臥室。換氣次數0.5，體型系數0.3，窗墻面積比：北-0.25，東西-0.3，南-0.45[6]。

1.2 系統參數

本文建筑模型為兩層獨棟住宅建筑的空氣源熱泵系統，室外溫度制熱量修正系數取0.4。水箱體積為1 m3，供水溫度為45 ℃，供回水溫差為5 ℃[7]，系統各部件初始參數如表1 所示。

表1 空氣源熱泵系統設計參數

1.3 TRNSYS 模型

參考魏鵬[8]對川西藏區供暖現狀的調研分析，本文建立獨棟居民住宅空氣源熱泵熱水機風機盤管供暖末端系統，利用典型年氣象參數和中國氣象數據網發布的2017 年供暖季的數據，基于分區域結霜圖譜，采用K-means 法以結霜頻率為指標將川西藏區35 個供暖縣市聚為Ⅰ～Ⅳ4 類，Ⅰ類地區聚類中心為鄉城，Ⅱ類地區聚類中心為石渠，Ⅲ類地區聚類中心為紅原，Ⅳ類地區聚類中心為康定[9]。利用TRNSYS 軟件建立完整的動態空氣源熱泵系統模型，對西藏區聚類中心的四個城市進行在供暖季的全天連續運行和白天運行夜晚停機即蓄熱運行的方式進行模擬運用TRNSYS 軟件首先搭建建筑負荷計算模型，氣象參數取各城市的數據[10]，運行時先進行負荷統計再由在線輸出模型輸出負荷模擬及室外溫度圖，其負荷計算模型示意圖如圖1 所示。

圖1 負荷計算模型圖

以1 h 為時間步長模擬，運行時間為整個供暖季11 月15 日到次年3 月15 日，房間溫度控制在19 ℃±1 ℃。以紅原縣為例進行詳細模擬分析，首先獲得紅原縣該棟居民建筑整個供暖季的負荷及室外溫度逐時模擬值如圖2 所示，可以看出負荷整體表現出的趨勢是供暖中期大，初期和末期小，在9120 h 負荷達到最大，為-19.09 kW。

圖2 供暖季負荷及室外溫度模擬圖

再取典型供暖日1 月15 日，得到該天的逐時負荷及室外溫度模擬值如圖3 所示，從圖中可以看出在凌晨8 時負荷最大為-18.98 kW，在下午15 時負荷最小為-5.31 kW，日負荷變化近似呈現為橫著的“S”型。

圖3 典型供暖日負荷及室外溫度變化曲線

2 系統模擬

2.1 空氣源熱泵數學模型

2.1.1 熱泵機組數學模型[11]

空氣源熱泵制熱工況下性能系數：

空氣源熱泵制熱工況下源側吸熱量：

式中：COPa為空氣源熱泵能效比；QAHP為空氣源熱泵制熱量，kW；PAHP為空氣源熱泵功率，kW。

空氣源熱泵制熱工況下出口空氣的溫度、出水的溫度：

式中：Qa為空氣源熱泵蒸發器從熱源側提取的熱量，kW；Ta,in、Ta,out為蒸發器側進、出口空氣溫度，℃；cp,air為空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·K）；Tl,in、Tl,out為冷凝器側進、出口水溫度，℃；為蒸發器、冷凝器側載熱介質質量流量，kg/s。

2.2.2 風機盤管數學模型

圖4 為風機盤管示意圖。為了便于數學模型的建立首先做如下假設：①干空氣和空氣中的水蒸氣都當做理想氣體，并忽略流體密度與熱容的變化。②濕空氣與盤管換熱器外表面的冷凝水膜之間的熱質交換達到平衡，則劉伊斯數看成常數1。③管內流體溫度Tw只沿管長方向變化，沿半徑方向的溫度分布是均勻的。④等厚度矩形板翅片的性能可以通過定義等效環形翅片來近似[12]。

圖4 風機盤管示意圖

則流體的出口溫度可由下式計算：

式中：Tfluid,in為流體進口溫度為流體的質量流量為流體吸收的熱量，kJ/h。

流體吸收的熱量為：

流出盤管的空氣的焓值：

源側的吸熱量為：

式中：hair,out為空氣出口的焓值，kJ/kg；hair,in為空氣進口的焓值，kJ/kg。

2.2 系統模型搭建

本模型為居民住宅建筑空氣源熱泵熱水機風機盤管供暖末端系統，模型的搭建通過瞬態系統模擬軟件TRNSYS 實現，所用部件模型主要有氣象數據模型Type109、空氣源熱泵模型Type917、水泵模型Type3b，風機模型Type112b，風機盤管模型Type753e等，如圖5 所示。

圖5 空氣源熱泵系統運行模型示意圖

系統主要由三個環路構成，外加輸入與輸出設置，控制部分主要是每天運行時間下熱泵的啟停控制，模擬時間為整個供暖季，蓄熱和全天運行工況區別在于參數設置。

3 模擬結果與分析

3.1 室內溫度模擬

通過空氣源熱泵系統運行時間的控制實現全天和蓄熱兩種運行工況，以0.125 h 為時間步長，設定室溫為19 ℃±1 ℃，得到整個供暖季室內溫度模擬如圖6所示。

圖6 供暖季室內溫度模擬圖

比較圖6（a）和圖6（b）可以看出，兩種運行模式下建筑室內溫度變化基本一致，一樓比二樓室溫略高1 ℃，是由于二樓屋頂散熱的原因。二樓室內溫度絕大多數在設定室溫范圍內，但均有一定波動，這是由于在一個時間步長內，風機只能實現啟或停一種模式，另外可以看出，采用蓄熱工況室溫波動只有幾個時刻略大于全天工況，因此，可以得出蓄熱運行不會對室溫造成過大影響。

圖7 典型供暖日室內溫度變化曲線

取典型供暖日1 月15 日，以二樓為例模擬兩種工況下空氣源熱泵的室內日溫度變化情況，如圖7 所示，可以看出蓄熱運行工況下室溫變化范圍較大，在早上11:00 時溫度最高為19.6 ℃，而在早上8:00 時溫度最低達到16.6 ℃。這是由于蓄熱工況下夜晚停機，白天從8:00 時開始運行，故在早上8:00 時室內溫度最低。

3.2 能耗模擬

通過設置模型輸出，得到空氣源熱泵蓄熱、全天兩種運行工況下的空氣源熱泵系統各能耗的對比圖，如圖8 所示。由圖8 可以看出在蓄熱運行工況下，水泵的能耗為234.83 kW·h，總能耗為11804.85 kW·h，全天運行工況下水泵的能耗為322.56 kW·h，總能耗為13956.91 kW·h。可見熱泵機組能耗為系統的主要能耗，水泵能耗只占特別小的一部分，且蓄熱運行工況下的各能耗都低于全天運行工況。

圖8 蓄熱、全天運行工況下各能耗對比圖

圖9 為空氣源熱泵蓄熱、全天兩種運行工況下的空氣源熱泵系統整個供暖季各月份的能耗柱狀圖，由圖9 可以看出，供暖季的每個月份蓄熱運行工況的總能耗總是小于全天運行工況的，且供暖季中期1 月份的總能耗最大，12 月份和2 月份次之，而供暖季前期和末期的總能耗最小。

圖9 供暖季各月能耗柱狀圖

3.3 功率模擬

圖10 給出空氣源熱泵系統在典型供暖日1 月15日全天和蓄熱兩種工況下的逐時總功率模擬圖，圖中功率為零時表示室內溫度達到設定范圍機組停機。可以看出在全天運行工況下機組啟停頻繁，而蓄熱運行工況下機組幾乎只在白天8:00-18:00 之間的時間內運行，夜晚一直停機。這是因為蓄熱運行有一蓄熱裝置可以把白天機組的多余制熱量儲存起來在晚上停機時利用，這樣既能節能又減少機組的啟停次數，可以增加熱泵機組的使用壽命。

圖10 典型供暖日逐時總功率模擬圖

而川西藏區的結霜頻率時空分布特征為夜晚和凌晨結霜更嚴重，采用蓄熱運行工況時熱泵機組在輕結霜時段運行，這樣很好的避開了結霜較嚴重的時段，使機組高效穩定的運行。

4 同一工況下不同城市的對比

前文以紅原縣為例進行了空氣源熱泵系統的模擬運行及詳細的分析，同理對川西藏區聚類中心城市康定、石渠、鄉城三個城市在相同條件下進行蓄熱和全天兩種運行工況下的模擬分析，得出這四個城市的總能耗、總供熱量、COP、節能率的值進行匯總見表2。

表2 典型城市蓄熱、全天運行工況下系統各參數匯總表

從表2 可以看出在每個城市蓄熱運行工況下空氣源熱泵系統的總能耗都對全天運行工況下的低，其供熱量蓄熱運行工況也比全天工況小，空氣源熱泵系統COP 在蓄熱運行工況下比全天運行高，節能率都在10%以上。

5 結論

本文搭建了空氣源熱泵在蓄熱和全天兩種運行模式下的TRNSYS 模型，通過模擬的結果得到了以下結論：

1）蓄熱和全天兩種運行工況下室內溫度變化基本一致，一樓比二樓略高1 ℃，都有一定波動，蓄熱運行工況波動較大但在室溫的設置范圍內，表明蓄熱運行可以滿足室內溫度的熱舒適性要求。

2）由供暖季各能耗的對比圖以及每個月份的能耗柱狀圖可以看出，在蓄熱運行工況下空氣源熱泵系統的能耗低，其COP 明顯高于全天運行工況。這是由于蓄熱運行工況有一蓄熱裝置可以把白天機組的多余制熱量儲存起來在晚上停機時利用，這樣既節能又減少機組的啟停次數。

3）川西藏區四個聚類中心城市在蓄熱運行工況下的總能耗、總供熱量都比全天運行工況的低，節能率按紅原、康定、石渠、鄉城依次為15.42%、16.30%、16.67%、12.86%，故蓄熱運行方式在川西藏區是普遍適用的。

4）結合川西藏區的結霜頻率時空分布特征，夜晚和凌晨結霜更嚴重，采用蓄熱運行使熱泵機組在輕結霜時段運行，啟停次數少運行更穩定，故蓄熱運行在川西藏區是一種很有效的運行優化方式。