高寒地區(qū)槽式太陽能集熱器與CO2熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)的優(yōu)化研究

何 璇 雷 波

高寒地區(qū)槽式太陽能集熱器與CO2熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)的優(yōu)化研究

何 璇 雷 波

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

對拉林線車輛整備庫的槽式太陽能集熱器與CO2熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)，利用TRNSYS軟件建立仿真平臺，分析集熱器面積、集熱器聚光比、單位集熱面積水箱容積與熱泵設(shè)計容量等設(shè)計參數(shù)對復(fù)合采暖系統(tǒng)性能的影響，采用正交試驗法，以綜合評價指標(biāo)CEI為目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，優(yōu)化結(jié)果對高寒地區(qū)同類供暖工程參數(shù)的確定有參考意義。

高寒地區(qū)；槽式太陽能集熱器；CO2空氣源熱泵；設(shè)計參數(shù)優(yōu)化

0 引言

我國高寒地區(qū)礦物能源嚴(yán)重短缺，可再生能源豐富，尤其是太陽能資源，作為一種清潔無污染的能源，太陽能對減少常規(guī)能源消耗和空氣污染具有顯著意義。拉薩素有“日光城”之稱，全年累計太陽輻射量高達(dá)7.2GJ/m2，使得采用太陽能采暖成為當(dāng)?shù)刈匀坏倪x擇[1]，因此，本文以拉薩地區(qū)為背景，進(jìn)行太陽能采暖系統(tǒng)的研究。

目前，用于太陽能采暖的集熱器有平板型集熱器、真管式集熱器及槽式太陽能集熱器。常規(guī)集熱器在寒區(qū)地區(qū)使用時存在效率低、難防凍、易過熱等[2]問題，真空管式集熱器還存在爆管問題，而槽式太陽能集熱器運(yùn)行安全可靠，冬季無需防凍，夏季無過熱問題，集熱效率高，所需面積僅為常規(guī)集熱器的20～40%[3]，可作為中大型建筑采暖系統(tǒng)的主要熱源。槽式太陽能集熱器的應(yīng)用較為廣泛，目前大都集中在發(fā)電、制冷及冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的研究，對應(yīng)用于采暖系統(tǒng)的研究較少。鄒斌[2]提出了嚴(yán)寒地區(qū)槽式太陽能集熱器與燃?xì)忮仩t復(fù)合供暖系統(tǒng)，分析系統(tǒng)運(yùn)行特性，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；Evangelos[3]等建立了太陽能與吸收式熱泵聯(lián)合運(yùn)行的系統(tǒng)，對比采用不同集熱器進(jìn)行采暖時系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明槽式集熱系統(tǒng)效率最高；王剛[4]對西藏那曲采用槽式集熱器和相變蓄能器采暖進(jìn)行研究，從集熱器面積、蓄能方式、蓄能器蓄能量等方面闡述了系統(tǒng)設(shè)計思路與計算過程。

本文選用槽式太陽能集熱器進(jìn)行高寒地區(qū)太陽能采暖的研究，以CO2熱泵作為輔助熱源，構(gòu)建槽式太陽能集熱器與CO2空氣源熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)（簡稱復(fù)合采暖系統(tǒng)），以拉林線車輛整備庫為例，分析關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對復(fù)合采暖系統(tǒng)性能的影響，并進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化。

1 復(fù)合采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 復(fù)合采暖系統(tǒng)原理圖

圖1為復(fù)合采暖系統(tǒng)的原理圖，系統(tǒng)由集熱系統(tǒng)與供熱系統(tǒng)組成。集熱系統(tǒng)由集熱器與板式換熱器組成，供熱系統(tǒng)由蓄熱水箱、熱泵機(jī)組及末端裝置組成，管路中的載熱工質(zhì)分別為導(dǎo)熱油和水，整個系統(tǒng)通過油-水板式換熱器實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)之間的連接及熱量傳遞。該復(fù)合采暖系統(tǒng)的供暖方式包括三種：太陽能直接供熱模式、蓄熱水箱供熱模式及CO2熱泵供熱模式，優(yōu)先利用太陽能或水箱進(jìn)行供熱，盡量少開啟CO2空氣源熱泵機(jī)組。

2 復(fù)合采暖系統(tǒng)性能的影響因素分析

2.1 建筑模型

選取拉林線車輛整備庫作為本文的研究對象，其建筑面積為18963m2，屬于大空間建筑。拉薩市的采暖時間為11月1日到次年3月12日，室內(nèi)設(shè)計溫度為18℃，采用EnergyPlus軟件計算建筑負(fù)荷，得到建筑采暖設(shè)計負(fù)荷為3285kW，采暖季總耗熱量為4.63×106MJ。采暖供回水溫度為70/50℃。

2.2 評價指標(biāo)

表1 平板集熱器與CO2熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)的性能參數(shù)

槽式太陽能集熱器與CO2熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)有明顯的節(jié)能優(yōu)勢，本文從節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性方面對系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析。建立基于一次能源節(jié)約率與費(fèi)用現(xiàn)值節(jié)省率[6]的綜合評價指標(biāo)，如公式（1）。

式中，E，E0為復(fù)合采暖系統(tǒng)與基準(zhǔn)系統(tǒng)耗電量，kWh；，為指標(biāo)權(quán)重，系統(tǒng)節(jié)能性及經(jīng)濟(jì)性同等重要時，均賦予0.5；，0為系統(tǒng)費(fèi)用現(xiàn)值，萬元，包括初投資、維護(hù)費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用，公式如下：

式中，為基準(zhǔn)折現(xiàn)率，8.5%[7]；為系統(tǒng)設(shè)備壽命年限，取20年；為系統(tǒng)初投資，包括熱源系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)及末端系統(tǒng)的費(fèi)用，公式[5,6]如下：

式中，A為槽式集熱器面積，m2；V為水箱容積，m3；Q為熱泵設(shè)計容量，kW；0為建筑面積m2；P為槽式集熱器的成本，元/m2，根據(jù)現(xiàn)有的集熱器價格，擬合集熱器價格與集熱器聚光比的關(guān)系如下：

采用平板型集熱器與CO2熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)作為系統(tǒng)評價的基準(zhǔn)系統(tǒng)，根據(jù)建筑設(shè)計負(fù)荷確定系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)，如表1。

2.3 系統(tǒng)性能的影響因素分析

基于TRNSYS建立的復(fù)合采暖系統(tǒng)仿真平臺，采用單因素試驗法分析系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。

（1）集熱器面積

圖2為集熱器面積A變化時系統(tǒng)太陽能保證率和的變化規(guī)律，從中可以看出，當(dāng)集熱器面積增加時，太陽能保證率增大且趨于平緩，集熱器面積在375～2910m2范圍內(nèi)變化時，太陽能保證率增加了51.3%，集熱器面積增加使得系統(tǒng)初投資增加，運(yùn)行費(fèi)用減少，隨之先增加后減小，集熱器面積處于某一個范圍內(nèi)時，大于零，當(dāng)集熱器面積為2550m2時，取得最大值，為8.0%，相比集熱器面積為375m2時，增加了29.4%。

圖2 集熱器面積的影響分析

（2）集熱器聚光比

圖3 集熱器聚光比的影響分析

圖3給出了采暖系統(tǒng)太陽能保證率和隨集熱器聚光比的變化情況，從中可以看出，隨著聚光比的增大，太陽能保證率增大且趨于平緩，之后小幅度下降，聚光比在10～60的范圍內(nèi)變化時，太陽保證率增加了6.5%，隨聚光比的增加先增加后減小，在聚光比為30時取到最大值，為4.9%，相比聚光比為10，增加了1.3%。

（3）單位集熱面積水箱容積

圖4是單位集熱面積水箱容積不同時系統(tǒng)的太陽能保證率和，從中可以看出，隨著單位集熱面積水箱容積的增大，太陽能保證率與先增大后減小，當(dāng)單位集熱面積水箱容積為120L/m2時取得最大值，太陽能保證率為54.1%，為5.6%，水箱容積在50～120L/m2范圍內(nèi)變化時，太陽保證率增加了17.3%，系統(tǒng)的增加了14.4%。

圖4 單位集熱面積水箱容積的影響分析

（4）熱泵設(shè)計容量

圖5 熱泵設(shè)計容量的影響分析

將熱泵設(shè)計容量按照名義制熱量3250kW的10～100%進(jìn)行仿真，如圖5，隨著熱泵容量的增大，太陽能保證率幾乎不受影響，采暖負(fù)荷保證率增大且趨于平緩，當(dāng)熱泵容量為50%的容量時，負(fù)荷保證率大于97%，系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用隨熱泵容量的增加而增加，隨之單調(diào)遞減，熱泵容量在50～100%的范圍內(nèi)變化時，負(fù)荷保證率僅增加了1.3%，降低了14.6%。

3 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的顯著性分析與優(yōu)化

正交試驗法可用于抓住影響指標(biāo)的關(guān)鍵因素，也可以通過少量試驗尋求最優(yōu)水平。根據(jù)本文研究對象，選用4因素3水平系列的L9(34)正交表，制定試驗方案，經(jīng)過極差分析確定設(shè)計參數(shù)影響的顯著性；為了確定系統(tǒng)綜合性能最佳的設(shè)計參數(shù)，以為目標(biāo)進(jìn)行多次正交試驗完成參數(shù)的優(yōu)化，逐漸壓縮水平步長，重新編制試驗方案進(jìn)行下一次正交試驗，當(dāng)滿足試驗終止條件時，得到系統(tǒng)的最佳設(shè)計參數(shù)，優(yōu)化終止條件如下：

（1）各因素綜合指標(biāo)CEI極差滿足R<1%；

（2）試驗水平步長不大于最小水平步長。

3.1 設(shè)計參數(shù)的顯著性分析

分析各關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對系統(tǒng)性能影響的顯著性，選擇試驗水平應(yīng)在保證太陽能保證率不低于50%的前提下，遵循“由小到大，保證最優(yōu)”的原則，選取單因素試驗分析中最優(yōu)工況與較差工況，如表2。

表2 正交試驗因素水平表

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正交表確定各組試驗組合，對各組合進(jìn)行仿真計算，并進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表3。

極差大小意味著各因素的水平改變時對試驗指標(biāo)的影響不同，極差越大表明該因素對指標(biāo)的影響效果越顯著。根據(jù)表3，得到各因素對太陽能保證率的顯著性為A>>>，對費(fèi)用現(xiàn)值的顯著性為>A>>

從各因素不同水平下值，確定各因素最優(yōu)的水平，值越大該水平越優(yōu)，由此，可以得到就復(fù)合采暖系統(tǒng)以太陽能保證率或經(jīng)濟(jì)性為指標(biāo)時各因素最優(yōu)的水平，但所得到的結(jié)果不是綜合經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性最佳的參數(shù)組合。

表3 正交試驗結(jié)果的極差分析

3.2 設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化

（1）設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過六次正交試驗，6×9組代表性組合的仿真計算后，滿足正交試驗的終止條件，得到復(fù)合采暖系統(tǒng)最佳的設(shè)計參數(shù)，即集熱器面積為2685m2，集熱器聚光比為21.3，單位集熱面積水箱容積為126.3L/m2，熱泵設(shè)計容量為1466kW。

每次試驗的優(yōu)化結(jié)果與極差結(jié)果，如圖6、7。從圖中可以看出，隨著試驗次數(shù)增多，優(yōu)化結(jié)果不斷接近系統(tǒng)的最佳參數(shù)組合，四次試驗后系統(tǒng)各因素的優(yōu)化結(jié)果趨于平緩，波動幅度小于初步取值的3.0%，極差降低至1.0%，可見，改變因素水平對指標(biāo)的影響已不具有顯著性，因此，以CEI為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化，可適當(dāng)減少試驗次數(shù)，對于本文所研究的復(fù)合采暖系統(tǒng)，試驗次數(shù)可控制在3～4次。

圖6 每次正交試驗各因素的最優(yōu)水平

圖7 每次正交試驗各因素CEI的極差

（2）系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果的綜合分析

系統(tǒng)初步選型與優(yōu)化后的設(shè)備參數(shù)與仿真結(jié)果，如表4所示。經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化，其太陽能保證率為63.6%，CEI為29.3%，相較于初步選型的結(jié)果，系統(tǒng)太陽能保證率提高了11.3%，費(fèi)用現(xiàn)值減少了27.8%，耗電量減少了27.3%，CEI增加了25.2%，系統(tǒng)的供熱能力提高、一次能源消耗量減少、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性提升。

表4 復(fù)合采暖系統(tǒng)優(yōu)化前后的性能參數(shù)

最終，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果提出高寒地區(qū)同類供暖工程設(shè)計參數(shù)的推薦原則：集熱器面積由太陽能保證率計算確定，集熱器聚光比為21.3，單位集熱面積水箱容積為126.3L/m2，熱泵設(shè)計容量為名義容量的42.5%。

4 結(jié)論

本文通過對高寒地區(qū)的槽式太陽能集熱器與CO2熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的分析與優(yōu)化，最終得到以下結(jié)論：

（1）分析各設(shè)計參數(shù)對復(fù)合采暖系統(tǒng)性能的影響，得到太陽能保證率及CEI隨設(shè)計參數(shù)的變化規(guī)律；通過顯著性分析，得到各設(shè)計參數(shù)對太陽能保證率的影響程度為A>>>，對系統(tǒng)費(fèi)用現(xiàn)值的影響程度為>A>>；

（2）以CEI為目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，得到了采暖系統(tǒng)的最佳參數(shù)組合，其太陽能保證率達(dá)到63.6%，CEI為29.3%，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果提出了高寒地區(qū)同類供暖工程設(shè)計參數(shù)的推薦原則；

（3）在實(shí)際應(yīng)用中，對本文建立的槽式太陽能集熱器與CO2熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)的仿真平臺，根據(jù)工程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備參數(shù)，調(diào)整仿真模型部件及參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)與系統(tǒng)特性的研究。

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Optimization Research of Combining Parabolic Trough Collectors and CO2Air-source Heat Pump Heating System in Alpine Region

He Xuan Lei Bo

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

In this paper, relied on a preparation workshop for railway station building in Larin, the simulation model of the parabolic trough collectors and CO2heat pump combined heating system was based on the platform of TRNSYS. Found out the influence of solar collector area，concentration ration，storage tank volume of per unit collector area and the capacity of heat pump on the system performance. Used orthogonal experimental design method and taked comprehensive evaluation index (CEI) as objective functions to optimize system parameters. The results had reference value for analyzing and determining design parameters of similar engineering in alpine region.

Alpine region; parabolic trough collectors; CO2heat pump; optimal research on design parameters

1671-6612（2019）01-006-5

U453.5

A

何 璇（1992.02-），女，在讀碩士研究生，E-mail：13540109164@163.com

雷 波（1961-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：lbswjtu@163.com

2018-04-26