太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統在西安地區的應用特性分析及評價

鄭煜鑫，趙 帥，李 潔

(西安航空學院能源與建筑學院，西安 710077)

0 引言

目前，太陽能與空氣能均顯示出清潔、環保的優點。因此，可將二者作為供暖系統的能量來源。其中，太陽能具有清潔且方便利用的特點；但利用空氣能的空氣源熱泵在應用時會受到環境溫度低等因素的制約，在冬季還可能存在室外結霜的問題。而將可利用太陽能的裝置與可利用空氣能的空氣源熱泵進行綜合應用，構建太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統，有助于解決以上問題；對此類復合式供暖系統的結構參數和運行狀況進行優化研究，有助于提高此類復合式供暖系統的系統效率，減少能源消耗，并提高系統的經濟性。

近年來，有不少學者針對將太陽能與空氣源熱泵相結合的供暖系統的性能進行了研究。馬曉雪[1]針對蘭州地區某新型村鎮的住宅設計了一套太陽能與空氣源熱泵雙熱源供暖系統，并利用軟件對該系統進行了模擬。結果表明，在整個供暖期內，該住宅每個房間的溫度基本維持在10～20 ℃，室內舒適度較好，蓄熱水箱的水溫維持在30～60 ℃；在上述模擬結果的基礎上，研究者還對系統設計的參數進行了優化，得出該雙熱源供暖系統中平板太陽能集熱器的最優面積為14 m2，蓄熱水箱的最優體積為1.4 m3的結論。

韓宗偉等[2]對太陽能蓄熱與低溫空氣源熱泵復合空調系統的運行特性進行了模擬研究，結果表明，通過利用太陽能進行跨季節蓄熱，在整個供暖季，該復合空調系統的能效比(COP)可達到3.34。

歐云峰等[3]在對太陽能與空氣源熱泵復合式熱水系統進行優化分析時發現，該復合式熱水系統可比傳統的電輔助太陽能集熱系統減少約75%的電力損耗。

KAYGUSUZ[4]通過理論分析和實驗研究了太陽能與空氣能復合的熱泵系統，研究結果表明，采用串聯和并聯運行方式時，該復合熱泵系統的季節供暖性能指數分別為3.0和4.0。

劉業鳳等[5]提出利用太陽能與空氣源復合式熱泵系統對太陽能熱泵系統因吸收熱量不足而導致工作時不穩定的情況進行優化，使該復合式熱泵系統可根據太陽輻射強度的變化而改變運行方式，從而實現了太陽能集熱系統和空氣源熱泵系統可交替運行，優化后的復合式熱泵系統具有運行穩定和環保節能的優點。

為了解決空氣源熱泵系統及太陽能集熱系統在單獨供暖時可能存在的問題，本文以西安地區的某個房間為研究對象，基于TRNSYS軟件對比分析了在整個供暖季該房間分別采用太陽能集熱系統、空氣源熱泵系統單獨供暖，以及采用太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統供暖這3種運行方式時的能耗特性。

1 太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統的工作原理及模型介紹

1.1 工作原理

太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統由太陽能集熱系統和空氣源熱泵系統構成。其中，太陽能集熱系統為主要的熱源系統，其主要作用是將太陽能轉換為熱能，并進行供暖；而空氣源熱泵為輔助供暖的設備。該復合式供暖系統通過設定最優參數及改變工作方式來最大化利用太陽能，從而減少補充熱源的利用，以最大程度的實現能源節約。

太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統供暖時的運行方式包括3種，分別為僅太陽能集熱系統運行、僅空氣源熱泵系統運行，以及太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統運行。當太陽輻射強度較高時，太陽能集熱系統單獨工作；當太陽輻射強度較低，太陽能集熱系統不足以滿足房間的供暖要求時，空氣源熱泵也需要同時工作；若遇到陰天無日照時，空氣源熱泵則需要單獨工作。

1.2 模型的主要部件介紹

TRNSYS軟件是一款極其靈活的模塊化瞬態過程模擬軟件，本文采用該軟件建立太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統模型。該模型包括建筑模塊、太陽能集熱器模塊、氣象數據模塊、空氣源熱泵機組模塊、水箱模塊、控制系統模塊等。

1.2.1 建筑模塊

利用TRNSYS軟件中的建筑模塊來設定房間的各參數。

房間圍護結構的傳熱系數如表1所示。

表1 房間圍護結構的傳熱系數Table 1 Heat transfer coefficient of building envelopes

房間內的平均溫度Treq可表示為：

式中，Ti為房間內任意一點的溫度，℃；Tset為設定的房間內的溫度，℃。

其中，Ti可表示為：

式中，Ci為房間內任意一點的空氣比熱容，J/(kg·℃)；t為時間，s；Q為房間內獲得的熱量，kW；P為房間的供暖熱負荷，kW。

式中，[XY]為房間內沿XY方向的溫度分布；[Z]為房間內沿高度方向的溫度分布。

1.2.2 太陽能集熱器模塊

太陽能集熱器吸收的太陽輻射量QA可表示為：

式中，QU為太陽能集熱器中工質獲得的熱量，kJ；QL為太陽能集熱器的熱損失，kJ；QS為太陽能集熱器儲存的熱量，kJ。

QA還可以表示為：

式中，FR為太陽能集熱器的熱遷移因子；AC為太陽能集熱器的采光面積，m2；IT為太陽能集熱器采光面上的總太陽輻射強度，W/m2；(τα)e為透明蓋板的有效透過率和吸收率的乘積。

QU可表示為：

式中，Tf,in、Tf,out分別為太陽能集熱器中工質的入口溫度和出口溫度，℃；CP為太陽能集熱器中工質的定壓比熱容，J/(kg·℃)；G為太陽能集熱器內單位面積工質的質量流量，kg/s。

QL可表示為：

式中，UL為太陽能集熱器的總熱損失系數，W/(m2·℃)；TP為集熱板的溫度，℃；Ta為外界空氣溫度，℃。

QS可表示為：

式中，MC為太陽能集熱器的熱容量，J/℃；T為太陽能集熱器的溫度，℃。

太陽能集熱器的瞬時效率η可表示為：

式中，FR(τα)e為截距效率；FRUL為斜率效率，W/(m2·K)。

由于UL與T呈線性關系變化，因此修正后的η可表示為：

式中，FRUL/T為曲率效率，W/(m2·K)。

1.2.3 空氣源熱泵機組模塊

對空氣源熱泵機組(type941)模塊進行參數設定。空氣源熱泵機組包括制冷和制熱2種模式[6]，但本文僅討論制熱模式。

冷凝器的出水量Qdhw可表示為：

式中，U為蒸發器的傳熱系數；Adespr,h為蒸發器的面積，m2；Tdhw,in為冷凝器的進水溫度，℃；Tdespr為制冷劑液體的溫度，℃。

冷凝器的出水溫度Tdhw,out可表示為：

冷凝器的換熱量Qcondens可表示為：

式中，Qcap為冷凝器的制熱量，kW。

蒸發器的換熱量Qevap可表示為：

式中，Qcompressor為壓縮機的功耗，kW。

壓縮機的排氣焓hair,out可表示為：

式中，hair,in為壓縮機的吸氣焓，J/kg；為空氣流量，kg/s。

空氣源熱泵的能量轉換過程可由式(16)～式(20)表示，即：

式中，Qtotal,air為空氣源熱泵在外界環境中吸收的熱量，kW。

式中，Qsens,air為外界環境空氣中的顯熱能量，kW；Cpair為外界環境空氣的比熱容，J/(kg·℃)；Tair,in、Tair,out分別為空氣源熱泵蒸發側進、出口空氣的溫度。

式中，Qlat,air為外界環境空氣中的潛熱能量，kW。

式中，Qliq為空氣源熱泵加熱液體的能量，kW。

式中，Tliq,in、Tliq,out分別為空氣源熱泵加熱液體進、出口的溫度，℃；·mliq為空氣源熱泵加熱液體的質量流量，kg/s；Cpliq為空氣源熱泵加熱液體的比熱容，J/(kg·℃)。

空氣源熱泵機組的COPhp可表示為：

式中，Pcompessor為壓縮機的功率，kW；Pblower為風機的功率，kW；Pcontrol為控制器的功率，kW。

空氣源熱泵系統的COPhp-sys可表示為：

式中，Ppump為水泵的功率，kW。

太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統的COPc-sys可表示為：

1.2.4 水箱模塊

水箱(type4)的作用是將來自太陽能集熱系統和空氣源熱泵系統的熱量儲存在工質水中，水箱的集熱效率和容積等會影響太陽能集熱系統的集熱效率[7]。為了解決空氣源熱泵產生的生活用水與采暖用熱水匯合在一起所導致的房間溫度出現波動的問題，對水箱進行了分層。

1.2.5 控制系統模塊

本文中太陽能集熱系統的運行采用溫差控制的方式，針對太陽能集熱系統，控制器輸出的控制信號的取值為“0”或“1”，具體取決于太陽能集熱系統兩端口處的太陽能集熱器出口溫度，即太陽能集熱系統的高溫TH和水箱底部的流體溫度，也就是太陽能集熱系統的低溫TL，以及取決于控制啟停的溫差上限ΔTH和溫差下限ΔTL。

1.3 模型驗證

為了驗證該模型的正確性，本文將模型得到的模擬值與參考文獻[8]中的實驗數據(此處稱為“實驗值”)進行了對比。在保證太陽能集熱器及空氣源熱泵進、出口溫度滿足實驗設置的條件下，對比了供暖季中2016-12-15～2017-01-14期間該復合式供暖系統中空氣源熱泵機組的COP，結果如圖1所示。

圖1 實驗值與模擬值對比Fig. 1 Comparsion of experimental data and simulated data

由圖1可知，該段時間內，空氣源熱泵機組的COP實驗值與模擬值的趨勢一致，且相對誤差基本在±4%之間，最大相對誤差為5.2%。此結果說明該模型的建立較為合理[9]，可以進一步利用該模型分析太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統的性能。

2 結果與討論

本文采用TRNSYS軟件中的典型年氣候對整個供暖季11月15日～次年3月15日時房間的熱負荷，以及分別采用太陽能集熱系統、空氣源熱泵系統及太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統進行供暖時的情況進行了模擬。

2.1 房間的熱負荷

整個供暖季時西安地區某房間的動態熱負荷情況如圖2所示。

由圖2可知，在整個供暖季中，供暖季中期時房間的熱負荷最大，為1300 W，這是由于室外溫度降低，房間所需熱負荷增加；整個供暖季的平均熱負荷為670 kW。

圖2 供暖季時西安地區某房間的動態熱負荷模擬結果Fig. 2 Simulation results of dynamic thermal load of room in Xi’an area during heating season

2.2 僅采用太陽能集熱系統供暖的模擬

僅采用太陽能集熱系統供暖的運行原理圖如圖3所示，僅采用太陽能集熱系統供暖的模擬結果如表2所示。

由表2可知，整個供暖季中，僅采用太陽能集熱系統供暖時，水泵的能耗為20.52 kWh，太陽能集熱系統的總能耗為811.12 kWh；太陽能集熱器的有效集熱量為314.40 kWh，太陽能集熱器的熱損失為111.20 kWh；水箱的供熱量為993.80 kWh。

圖3 僅采用太陽能集熱系統供暖的運行原理圖Fig. 3 Operating principe diagram of heating with solar collector system alone

表2 僅采用太陽能集熱系統供暖的模擬結果Table 2 Simulation results of heating with solar collector system alone

2.3 僅采用空氣源熱泵系統供暖的模擬

僅采用空氣源熱泵系統供暖的運行原理圖如圖4所示。對整個供暖季期間，僅采用空氣源熱泵系統供暖時的運行狀況進行仿真，仿真步長為0.125 h，室內控制溫度為18 ℃，熱水溫度為38 ℃。僅采用空氣源熱泵系統供暖的模擬結果如表3所示。

由表3可知，空氣源熱泵系統的耗電量為359.30 kWh，空氣源熱泵機組的平均COPhp為3.07，空氣源熱泵系統的平均COPhp-sys為2.71。

圖4 僅采用空氣源熱泵系統供暖的運行原理圖Fig. 4 Operating principe diagram of heating with air source heat pump system alone

表3 僅采用空氣源熱泵系統供暖的模擬結果Table 3 Simulation results of heating with air source heat pump system alone

2.4 采用太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統供暖的模擬

圖5為太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統的運行原理圖。在整個供暖季期間，采用太陽能和空氣源熱泵復合式供暖系統供暖的模擬結果如表4所示。

圖5 太陽能和空氣源熱泵復合式供暖系統的運行原理圖Fig. 5 Operation principle diagram of solar and air source heat pump compound heating system

表4 采用太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統供暖時的模擬結果Table 4 Simulation results of heating with solar and air source heat pump compound heating system

由表4可知，太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統在整個供暖期內的總能耗為284.61 kWh，其中，空氣源熱泵機組的耗電量為264.10 kWh。此外，該復合式供暖系統的太陽能保證率為30.71%，平均COPc-sys為3.04，比單獨采用空氣源熱泵系統(平均COPhp-sys為2.71)時提高了0.33。

3 結論

本文采用TRNSYS軟件對供暖季時太陽能集熱系統、空氣源熱泵系統及太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統在西安地區的運行情況進行了對比分析，得出以下結論：

1)在整個供暖季，在西安地區采用太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統進行供暖的節能性優于單獨采用空氣源熱泵系統供暖。

2)單獨采用空氣源熱泵系統供暖時，空氣源熱泵機組的耗電量為345.50 kWh；空氣源熱泵機組的平均COPhp為3.07，空氣源熱泵系統的平均COPhp-sys為2.71。

3)在整個采暖期內，太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統的總能耗為284.61 kWh，其中，空氣源熱泵機組的耗電量為264.10 kWh。此外，該復合式供暖系統的太陽能保證率為30.71%，平均COPc-sys為3.04，比單獨采用空氣源熱泵系統時提高了0.33。

以上研究結果表明，在西安地區采用太陽能與空氣源熱泵復合式供暖系統具有良好的節能性。