增加蓄熱裝置的空氣源熱泵-太陽能互補供暖系統(tǒng)優(yōu)化研究

閆素英，王 群，高世杰，魏澤輝，趙曉燕，王勝捷

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學 能源與動力工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051）

0 引言

與傳統(tǒng)燃煤供暖方式相比，太陽能-熱泵互補供暖系統(tǒng)的優(yōu)越性日益凸顯[1]～[3]。Kamil Kaygusuz研究了太陽能-空氣源熱泵的不同結(jié)合方式對系統(tǒng)熱性能的影響[4]～[6]。Dikici A從能量平衡和平衡的角度分析了太陽能-熱泵互補供暖系統(tǒng)，分析結(jié)果表明，系統(tǒng)COP可達到3.08，系統(tǒng)的熱效率和效率可分別達到65.6 %和30.8 %[7]。Motrison G L利用TRANSYS軟件分析了在3種運行時間控制方案下太陽能-熱泵系統(tǒng)的全年制熱性能[8]。Wenzhu Huang利用太陽模擬器研究了環(huán)境溫度和太陽輻射強度對太陽能-熱泵互補供暖系統(tǒng)制熱性能的影響，模擬結(jié)果表明，環(huán)境溫度越低，熱泵COP越小[9]。由此可見，在嚴寒地區(qū)，熱泵工作性能會受到環(huán)境溫度的制約，進而導致供暖系統(tǒng)熱性能降低，經(jīng)濟性也隨之變差[10]，[11]。

針對上述太陽能-熱泵互補供暖系統(tǒng)的不足，本文設(shè)計了一種新型蓄熱空氣源熱泵，即在空氣源熱泵入口前加裝蓄熱裝置，以提高空氣源熱泵在低溫工況下的工作性能，而后利用TRNSYS仿真軟件構(gòu)建了太陽能-蓄熱空氣源熱泵互補供暖系統(tǒng)數(shù)學模型，并以內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市的天氣數(shù)據(jù)為基準，利用計算結(jié)果對比分析優(yōu)化前后系統(tǒng)的熱性能和經(jīng)濟性指標。

1 仿真模型的建立

1.1 太陽能-蓄熱空氣源熱泵互補供暖系統(tǒng)

太陽能-蓄熱空氣源熱泵互補供暖系統(tǒng)（以下簡稱為復合系統(tǒng)）原理如圖1所示。在傳統(tǒng)太陽能-空氣源熱泵互補供暖系統(tǒng)（以下簡稱為傳統(tǒng)系統(tǒng)）的基礎(chǔ)上，增加了由蓄熱裝置組成的復合系統(tǒng)，以實現(xiàn)提高空氣源熱泵入口工質(zhì)溫度、延長工作時間的目的。

圖1 太陽能-蓄熱空氣源熱泵互補供暖系統(tǒng)原理圖Fig.1 Solar energy-thermal storage air source heat pump heating principle of complementarity

本文利用TRNSYS軟件搭建了復合系統(tǒng)仿真模型。在復合系統(tǒng)中，蓄熱水箱位于空氣源熱泵的入口前側(cè)，容積為500 L，蓄熱循環(huán)流量為100 kg/h，蓄熱溫度為30℃。復合系統(tǒng)通過切換供熱模式實現(xiàn)能量調(diào)控：當太陽輻照度較高時，僅運行太陽能集熱回路；當太陽輻照度較低時，在前者的基礎(chǔ)上增加了空氣源熱泵進行輔助供熱，用于保證系統(tǒng)的供熱能力。

1.2 部件數(shù)學模型

1.2.1 太陽能集熱器模型

式中：δ為太陽能集熱器的熱吸收率；Ac為太陽能集熱器面積；Ic為太陽輻射強度；Ta為室外氣溫；Tsun為太陽核心溫度；mc為太陽能集熱器的傳熱介質(zhì)流量；cp為水的比熱容；Tci，Tco分別為太陽能集熱器進、出口溫度。

1.2.2 空氣源熱泵模型

空氣源熱泵的主要性能指標為COP（制熱能效比），COP的計算式為

式中：q0為空氣源熱泵的制熱量；N0為制冷壓縮機的理論功率；Ne為制冷壓縮機的軸功率；ηs為制冷壓縮機的總效率。

1.2.3 儲水箱模型

式中：Qs為儲水箱的蓄熱率；Tsm為儲水箱的平均溫度；Teo為蒸發(fā)器的出口溫度；mg為采暖介質(zhì)的質(zhì)量流量；Th為采暖回水溫度；Fc，F(xiàn)r，F(xiàn)p2分別為太陽能集熱器、空氣源熱泵、水泵的控制函數(shù)，工作時函數(shù)值均為1，不工作時函數(shù)值均為0。

Qs的計算式為

式中：ms為儲水箱中水的質(zhì)量；t為時間。

1.3 模型驗證

為了驗證仿真模型的可靠性，本文將仿真結(jié)果與相似實驗的數(shù)據(jù)進行對比。饒義本以南京某一住宅建筑作為研究對象，進行了與能耗相關(guān)的實驗[13]。本文將文獻[13]中的建筑、氣象、部件等載入傳統(tǒng)系統(tǒng)的仿真模型，采用與文獻[13]相同的參數(shù)設(shè)置，模擬計算仿真模型的能耗值，并與文獻[13]中的實驗值進行對比驗證。

本文仿真模型的能耗值與文獻[13]的實驗值如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)能耗的仿真值和實驗值Fig.2 System energy consumption value and experimental value

由圖2可知：在供暖期內(nèi)，仿真模型的能耗值為3 189 kW·h，比實驗值減小了291 kW·h，降低了8.36 %；2月仿真模型的能耗值為692.1 kW·h，比實驗值減小了73.4 kW·h，降低了9.59 %；典型日（1月26日），仿真模型的能耗值為54.3 kW·h，比實驗值減小了5.4 kW·h，降低了9.05 %。

焦浩以烏魯木齊太陽能低溫地板輻射供暖系統(tǒng)作為研究對象，在2014年11月1日-2015年3月31日進行了太陽能保證率的實驗測試[14]。本文將文獻[14]中的建筑、氣象、部件等載入傳統(tǒng)系統(tǒng)的仿真模型，并設(shè)置相同的參數(shù)，以計算仿真模型的能耗值和太陽能有用得熱量，并與文獻[14]中的實驗值進行對比分析。供暖期內(nèi)各月仿真模型的能耗和太陽能有用得熱量與實驗值如圖3所示。

由圖3可知：仿真模型的平均能耗值比實驗值減小了14.92 kW·h，降低了2.14 %；仿真模型的太陽能有用得熱量的平均值比實驗值減小了13.48kW·h，降低了3.05 %。

圖3 供暖期內(nèi)各月系統(tǒng)的能耗和太陽能有用得熱量的模擬值與實驗值Fig.3 The energy consumption and the useful solar energy of the simulationmodel and the experimental value during the heating period

本文將月均環(huán)境溫度和太陽能保證率的模擬值與文獻[14]中的實驗值進行對比驗證。供暖期內(nèi)各月環(huán)境溫度和太陽能保證率的模擬值與實驗值如圖4所示。

圖4 供暖期內(nèi)各月環(huán)境溫度和太陽能保證率的模擬值與實驗值Fig.4 Simulated and experimental values of the ambient temperatureand solarguarantee rate during theheating period

由圖4可知：在供暖期內(nèi)，太陽能保證率模擬值的平均值比實驗值減小了0.72%，平均誤差為1.12%；在12月份，太陽能保證率的模擬值比實驗值增大了4%，此時誤差最大，為6.2%。由圖3，4可知：3，11月和12月，平均環(huán)境溫度的模擬值高于實驗值，此時仿真模型的能耗值和太陽能有用得熱量均小于實驗值；其他月份，仿真模型的能耗值和太陽能有用得熱量均大于實驗值；在供暖期內(nèi)，各指標平均誤差的最大值為3.05%，單月最大誤差為9.95%，這說明本文仿真模型的模擬結(jié)果具有可靠性。

2 蓄熱裝置對系統(tǒng)性能的影響

2.1 性能指標

2.1.1 系統(tǒng)綜合性能

系統(tǒng)綜合性能評價指標主要包括系統(tǒng)能耗、太陽能保證率和費用年值。太陽能保證率的定義為在太陽能集熱系統(tǒng)中，來自太陽輻射的有用得熱量與供暖系統(tǒng)所需熱負荷之比。費用年值是將項目投資支出換算成為一個等值的年成本均勻序列的數(shù)額，同時加上年度成本。該方法用來評價項目投資經(jīng)濟效果，費用年值的計算式為

式中：AC為費用年值，萬元；PC為費用現(xiàn)值，萬元；（A/P，i，n）為資本回收系數(shù)，其中A為AC×104，元；P為PC×104，元；n為計算年；i為折現(xiàn)率。

PC的計算式為

式中：Q為系統(tǒng)的初投資；CO為每年現(xiàn)金流出量；（P/A，i，n）為現(xiàn)值系數(shù)。

此外，將系統(tǒng)費用年值與太陽能保證率的比值A(chǔ)CSF定義為新的評價指標，則ACSF的計算式為

式中：Exq為2種系統(tǒng)的；Exdpi為2種系統(tǒng)中循環(huán)泵消耗的代價；n為2種系統(tǒng)中循環(huán)泵的數(shù)量；Exdr為2種系統(tǒng)中空氣源熱泵消耗的代價；ExdD為2種系統(tǒng)中的電加熱裝置消耗的代價。

2.2 各部件熱性能分析

2.2.1 熱泵制熱量與COP

供暖期內(nèi)各月傳統(tǒng)系統(tǒng)和復合系統(tǒng)中空氣源熱泵的制熱量和COP如圖5所示。由圖4，5可知：2種系統(tǒng)中空氣源熱泵COP的變化趨勢與環(huán)境溫度相同，環(huán)境溫度越低，空氣源熱泵的COP也越低；2種系統(tǒng)中空氣源熱泵制熱量的變化趨勢與環(huán)境溫度均相反，這是由于環(huán)境溫度越低，系統(tǒng)的熱負荷越大，由空氣源熱泵提供的輔助供熱量則越大，因此，空氣源熱泵制熱量越大。

圖5 供暖期內(nèi)各月傳統(tǒng)系統(tǒng)和復合系統(tǒng)中空氣源熱泵的制熱量和COPFig.5 The heating capacity and COP of the air source heat pump in the traditional system and the heat storage system during the heating period

由圖5還可以看出：在供暖期內(nèi)，復合系統(tǒng)中空氣源熱泵COP的平均值為3.52，傳統(tǒng)系統(tǒng)中空氣源熱泵COP的平均值為2.61，復合系統(tǒng)中空氣源熱泵COP顯著高于傳統(tǒng)系統(tǒng)；在12月和1月環(huán)境溫度較低、系統(tǒng)熱負荷較大時，復合系統(tǒng)熱性能的優(yōu)勢尤其顯著；10月，2種系統(tǒng)中空氣源熱泵COP高于供暖期其它月份，這是由于10月的環(huán)境溫度較高，空氣源熱泵入口處空氣溫度也較高，導致蓄熱水箱溫度較高，因此蓄熱水箱對空氣源熱泵入口處空氣的預熱效果較好，從而導致空氣源熱泵COP較高；此外，10月系統(tǒng)的熱負荷較低，此時空氣源熱泵的制熱量較低。

供暖期內(nèi)各月傳統(tǒng)系統(tǒng)和復合系統(tǒng)中太陽能集熱器、空氣源熱泵和蓄熱水箱的效率見圖6。

圖6 供暖期內(nèi)各月傳統(tǒng)系統(tǒng)和復合系統(tǒng)中太陽能集熱器、空氣源熱泵和蓄熱水箱的效率Fig.6 The exergy efficiency of solar collectors，air source heat pumps and hotwater storage tanks in traditional systems and thermal storage systems during the heating period

圖7 供暖期內(nèi)各月復合系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)中太陽能集熱器的獲得火用Fig.7 The obtain exergy of solar collectors in the heat storage system and the traditional system during the heating period

由圖7可知，在供暖期內(nèi)各月，復合系統(tǒng)中的太陽能集熱器獲得火用高于傳統(tǒng)系統(tǒng)。在熱負荷較大的12月和1月，復合系統(tǒng)中的太陽能集熱器獲得火用比傳統(tǒng)系統(tǒng)分別增大了3.45 ×105 kJ和3.70 ×105kJ，提升效果最為顯著。

2.3 系統(tǒng)性能分析

2.3.1 太陽能保證率、系統(tǒng)能耗與費用年值

復合系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)在運行過程中的太陽能保證率和系統(tǒng)能耗如圖8所示。

由圖8可知，供暖期內(nèi)太陽輻照度低于非供暖期，2個系統(tǒng)的熱負荷增大，導致空氣源熱泵的制熱量增大，因此，2個系統(tǒng)的太陽能保證率降低，2個系統(tǒng)能耗相對增加。復合系統(tǒng)的能耗值在供暖期各月均較低，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，復合系統(tǒng)的熱性能具有明顯優(yōu)勢。

圖8 復合系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)在運行過程中的太陽能保證率和系統(tǒng)能耗Fig.8 Solar energy guarantee rate and system energy consumption during operation of thermal storage system and traditional system

根據(jù)式（5），（6），可計算得出系統(tǒng)的費用年值，再結(jié)合太陽能保證率即可得到系統(tǒng)的ACSF。在空氣源熱泵前增加蓄熱裝置后，系統(tǒng)的ACSF由188元減小至184.7 元。

圖9 供暖期內(nèi)各月傳統(tǒng)系統(tǒng)和復合系統(tǒng)的代價效率Fig.9 The costof exergy efficiency of traditional system and heat storage system during heating period

3 結(jié)論

本文運用TRNSYS軟件對傳統(tǒng)系統(tǒng)和復合系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)和性能指標進行模擬計算，通過在空氣源熱泵入口前端增設(shè)蓄熱裝置，改善了空氣源熱泵在低溫工況下的工作性能。與未增設(shè)蓄熱裝置的供暖系統(tǒng)相比，增設(shè)蓄熱裝置后空氣源熱泵COP增大了0.88 ，火用效率增大了4.63 %，系統(tǒng)的代價火用效率增大了3.24%，系統(tǒng)的ACSF值減小了3.3 元。由此可見，在空氣源熱泵前增設(shè)蓄熱裝置有利于提高太陽能-空氣源熱泵互補供暖系統(tǒng)的熱性能和經(jīng)濟性。

此外，由于部分參數(shù)的改善效果不佳，因此，對多能互補供暖系統(tǒng)熱性能進行優(yōu)化仍存在一定空間，即可以通過提高太陽能集熱器面積和蓄熱水箱容積，降低空氣源熱泵制熱量，同時合理匹配、調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行參數(shù)，進一步提高太陽能-蓄熱空氣源熱泵互補供暖系統(tǒng)的制熱性能。