川西藏區(qū)空氣源熱泵運(yùn)行優(yōu)化研究

劉巧娟 魏鵬 劉優(yōu)優(yōu)

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

由于川西藏區(qū)獨特的低溫、高濕氣候特征，使空氣源熱泵在該地區(qū)應(yīng)用時會出現(xiàn)制熱量下降、結(jié)霜、機(jī)組不能啟動或死機(jī)的情況[1]。故對空氣源熱泵運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化是解決川西藏區(qū)空氣源熱泵運(yùn)用的關(guān)鍵問題。

在運(yùn)行優(yōu)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(jié)果表明變水流量節(jié)能率可達(dá)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(tǒng)的幾種運(yùn)行方式進(jìn)行模擬，得出白天運(yùn)行夜間停機(jī)的方式最佳。Oussama Ibrahim[4]建立空氣源熱泵系統(tǒng)的動態(tài)模擬模型，結(jié)論顯示采用微型冷凝器增加了系統(tǒng)的COP，節(jié)省了能源。Kezhi Yu[5]運(yùn)用TRNSYS 軟件對一所大學(xué)的教學(xué)樓空調(diào)系統(tǒng)不同控制策略下進(jìn)行模擬得出新的控制策略下系統(tǒng)的節(jié)能率可達(dá)15.27%。基于此本文提出蓄熱運(yùn)行的優(yōu)化策略，使空氣源熱泵高效穩(wěn)定的運(yùn)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(jié)構(gòu)，無外保溫，外墻傳熱系數(shù)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(shù)按寒冷地區(qū)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)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(shù)0.5，體型系數(shù)0.3，窗墻面積比：北-0.25，東西-0.3，南-0.45[6]。

1.2 系統(tǒng)參數(shù)

本文建筑模型為兩層獨棟住宅建筑的空氣源熱泵系統(tǒng)，室外溫度制熱量修正系數(shù)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(tǒng)各部件初始參數(shù)如表1 所示。

表1 空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

1.3 TRNSYS 模型

參考魏鵬[8]對川西藏區(qū)供暖現(xiàn)狀的調(diào)研分析，本文建立獨棟居民住宅空氣源熱泵熱水機(jī)風(fēng)機(jī)盤管供暖末端系統(tǒng)，利用典型年氣象參數(shù)和中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)發(fā)布的2017 年供暖季的數(shù)據(jù)，基于分區(qū)域結(jié)霜圖譜，采用K-means 法以結(jié)霜頻率為指標(biāo)將川西藏區(qū)35 個供暖縣市聚為Ⅰ～Ⅳ4 類，Ⅰ類地區(qū)聚類中心為鄉(xiāng)城，Ⅱ類地區(qū)聚類中心為石渠，Ⅲ類地區(qū)聚類中心為紅原，Ⅳ類地區(qū)聚類中心為康定[9]。利用TRNSYS 軟件建立完整的動態(tài)空氣源熱泵系統(tǒng)模型，對西藏區(qū)聚類中心的四個城市進(jìn)行在供暖季的全天連續(xù)運(yùn)行和白天運(yùn)行夜晚停機(jī)即蓄熱運(yùn)行的方式進(jìn)行模擬運(yùn)用TRNSYS 軟件首先搭建建筑負(fù)荷計算模型，氣象參數(shù)取各城市的數(shù)據(jù)[10]，運(yùn)行時先進(jìn)行負(fù)荷統(tǒng)計再由在線輸出模型輸出負(fù)荷模擬及室外溫度圖，其負(fù)荷計算模型示意圖如圖1 所示。

圖1 負(fù)荷計算模型圖

以1 h 為時間步長模擬，運(yùn)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(jìn)行詳細(xì)模擬分析，首先獲得紅原縣該棟居民建筑整個供暖季的負(fù)荷及室外溫度逐時模擬值如圖2 所示，可以看出負(fù)荷整體表現(xiàn)出的趨勢是供暖中期大，初期和末期小，在9120 h 負(fù)荷達(dá)到最大，為-19.09 kW。

圖2 供暖季負(fù)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(fù)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(fù)荷最大為-18.98 kW，在下午15 時負(fù)荷最小為-5.31 kW，日負(fù)荷變化近似呈現(xiàn)為橫著的“S”型。

圖3 典型供暖日負(fù)荷及室外溫度變化曲線

2 系統(tǒng)模擬

2.1 空氣源熱泵數(shù)學(xué)模型

2.1.1 熱泵機(jī)組數(shù)學(xué)模型[11]

空氣源熱泵制熱工況下性能系數(shù)：

空氣源熱泵制熱工況下源側(cè)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(fā)器從熱源側(cè)提取的熱量，kW；Ta,in、Ta,out為蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)、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(cè)進(jìn)、出口水溫度，℃；為蒸發(fā)器、冷凝器側(cè)載熱介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s。

2.2.2 風(fēng)機(jī)盤管數(shù)學(xué)模型

圖4 為風(fēng)機(jī)盤管示意圖。為了便于數(shù)學(xué)模型的建立首先做如下假設(shè)：①干空氣和空氣中的水蒸氣都當(dāng)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(zhì)交換達(dá)到平衡，則劉伊斯數(shù)看成常數(shù)1。③管內(nèi)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(huán)形翅片來近似[12]。

圖4 風(fēng)機(jī)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(jìn)口溫度為流體的質(zhì)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(cè)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(jìn)口的焓值，kJ/kg。

2.2 系統(tǒng)模型搭建

本模型為居民住宅建筑空氣源熱泵熱水機(jī)風(fēng)機(jī)盤管供暖末端系統(tǒng)，模型的搭建通過瞬態(tài)系統(tǒng)模擬軟件TRNSYS 實現(xiàn)，所用部件模型主要有氣象數(shù)據(jù)模型Type109、空氣源熱泵模型Type917、水泵模型Type3b，風(fēng)機(jī)模型Type112b，風(fēng)機(jī)盤管模型Type753e等，如圖5 所示。

圖5 空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行模型示意圖

系統(tǒng)主要由三個環(huán)路構(gòu)成，外加輸入與輸出設(shè)置，控制部分主要是每天運(yùn)行時間下熱泵的啟?？刂?，模擬時間為整個供暖季，蓄熱和全天運(yùn)行工況區(qū)別在于參數(shù)設(shè)置。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 室內(nèi)溫度模擬

通過空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時間的控制實現(xiàn)全天和蓄熱兩種運(yùn)行工況，以0.125 h 為時間步長，設(shè)定室溫為19 ℃±1 ℃，得到整個供暖季室內(nèi)溫度模擬如圖6所示。

圖6 供暖季室內(nèi)溫度模擬圖

比較圖6（a）和圖6（b）可以看出，兩種運(yùn)行模式下建筑室內(nèi)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(nèi)溫度絕大多數(shù)在設(shè)定室溫范圍內(nèi)，但均有一定波動，這是由于在一個時間步長內(nèi)，風(fēng)機(jī)只能實現(xiàn)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(yùn)行不會對室溫造成過大影響。

圖7 典型供暖日室內(nèi)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(nèi)日溫度變化情況，如圖7 所示，可以看出蓄熱運(yùn)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(dá)到16.6 ℃。這是由于蓄熱工況下夜晚停機(jī)，白天從8:00 時開始運(yùn)行，故在早上8:00 時室內(nèi)溫度最低。

3.2 能耗模擬

通過設(shè)置模型輸出，得到空氣源熱泵蓄熱、全天兩種運(yùn)行工況下的空氣源熱泵系統(tǒng)各能耗的對比圖，如圖8 所示。由圖8 可以看出在蓄熱運(yùn)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(yùn)行工況下水泵的能耗為322.56 kW·h，總能耗為13956.91 kW·h?？梢姛岜脵C(jī)組能耗為系統(tǒng)的主要能耗，水泵能耗只占特別小的一部分，且蓄熱運(yùn)行工況下的各能耗都低于全天運(yùn)行工況。

圖8 蓄熱、全天運(yùn)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(yùn)行工況下的空氣源熱泵系統(tǒng)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(yùn)行工況的總能耗總是小于全天運(yùn)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(tǒng)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(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定范圍機(jī)組停機(jī)。可以看出在全天運(yùn)行工況下機(jī)組啟停頻繁，而蓄熱運(yùn)行工況下機(jī)組幾乎只在白天8:00-18:00 之間的時間內(nèi)運(yùn)行，夜晚一直停機(jī)。這是因為蓄熱運(yùn)行有一蓄熱裝置可以把白天機(jī)組的多余制熱量儲存起來在晚上停機(jī)時利用，這樣既能節(jié)能又減少機(jī)組的啟停次數(shù)，可以增加熱泵機(jī)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(qū)的結(jié)霜頻率時空分布特征為夜晚和凌晨結(jié)霜更嚴(yán)重，采用蓄熱運(yùn)行工況時熱泵機(jī)組在輕結(jié)霜時段運(yùn)行，這樣很好的避開了結(jié)霜較嚴(yán)重的時段，使機(jī)組高效穩(wěn)定的運(yùn)行。

4 同一工況下不同城市的對比

前文以紅原縣為例進(jìn)行了空氣源熱泵系統(tǒng)的模擬運(yùn)行及詳細(xì)的分析，同理對川西藏區(qū)聚類中心城市康定、石渠、鄉(xiāng)城三個城市在相同條件下進(jìn)行蓄熱和全天兩種運(yùn)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(jié)能率的值進(jìn)行匯總見表2。

表2 典型城市蓄熱、全天運(yùn)行工況下系統(tǒng)各參數(shù)匯總表

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

5 結(jié)論

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

1）蓄熱和全天兩種運(yùn)行工況下室內(nèi)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(yùn)行工況波動較大但在室溫的設(shè)置范圍內(nèi)，表明蓄熱運(yùn)行可以滿足室內(nèi)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(yùn)行工況下空氣源熱泵系統(tǒng)的能耗低，其COP 明顯高于全天運(yùn)行工況。這是由于蓄熱運(yùn)行工況有一蓄熱裝置可以把白天機(jī)組的多余制熱量儲存起來在晚上停機(jī)時利用，這樣既節(jié)能又減少機(jī)組的啟停次數(shù)。

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

4）結(jié)合川西藏區(qū)的結(jié)霜頻率時空分布特征，夜晚和凌晨結(jié)霜更嚴(yán)重，采用蓄熱運(yùn)行使熱泵機(jī)組在輕結(jié)霜時段運(yùn)行，啟停次數(shù)少運(yùn)行更穩(wěn)定，故蓄熱運(yùn)行在川西藏區(qū)是一種很有效的運(yùn)行優(yōu)化方式。