基于TRNSYS 太陽(yáng)能空氣源熱泵供暖系統(tǒng)模擬研究

秦永星 李鵬超 陳景 楊超凡 陳九法

1 中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司

2 成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司

3 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

0 引言

因太陽(yáng)能儲(chǔ)量巨大，利用太陽(yáng)能進(jìn)行建筑采暖的技術(shù)被廣泛應(yīng)用。但由于太陽(yáng)能本身的間斷性和不穩(wěn)定性，使得太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的應(yīng)用受到局限，而采用空氣源熱泵作為太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)輔助能源的復(fù)合系統(tǒng)可以較好的解決這一問(wèn)題。20 世紀(jì)50 年代初Jordan和Threlkeld[1]，最早提出了將太陽(yáng)能與熱泵復(fù)合供暖的想法，得出太陽(yáng)能復(fù)合系統(tǒng)可以同時(shí)提高太陽(yáng)能集熱器效率和熱泵的供熱性能，具有顯著的節(jié)能效果。Freeman T L[2]等人，采用TRNSYS 軟件模擬分析并聯(lián)式，串聯(lián)式和混合式三種太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效果，得出并聯(lián)式太陽(yáng)能與空氣源熱泵復(fù)合系統(tǒng)性能更優(yōu)異。Hawlade[3]等人研究了新加坡地區(qū)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用效果，測(cè)試結(jié)果顯示，水箱中水溫為30～50 ℃時(shí)，集熱效率在40%～75%范圍內(nèi)，熱泵制冷系數(shù)在4～9 范圍內(nèi)。并得出集熱器的集熱面積，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。胡偉[4]等人研究了壓縮機(jī)選取對(duì)并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)的影響，得出一定環(huán)境溫度下，不同的壓縮機(jī)影響熱泵COP 進(jìn)而導(dǎo)致集熱器效率不同，因此需要根據(jù)系統(tǒng)選擇壓縮機(jī)的類型。

本研究以南京地區(qū)某別墅型建筑項(xiàng)目為研究對(duì)象，針對(duì)太陽(yáng)能熱水與空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)配置進(jìn)行研究，利用TRNSYS 軟件模擬集熱水箱體積與集熱面積比值對(duì)系統(tǒng)集熱效果、空氣源熱泵供熱量等方面的影響。

1 系統(tǒng)原理

太陽(yáng)能空氣源熱泵供暖系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱循環(huán)系統(tǒng)，空氣源熱泵循環(huán)系統(tǒng)，儲(chǔ)熱水箱，供暖末端，閥門附件及水泵等組成。原理圖如圖1 所示：

圖1 太陽(yáng)能空氣源熱泵供暖系統(tǒng)原理圖

在太陽(yáng)能集熱循環(huán)系統(tǒng)中，水箱下部的冷水通過(guò)循環(huán)泵流至集熱器中加熱，產(chǎn)生的熱水循環(huán)至蓄熱水箱上部，供當(dāng)天輻射末端供暖使用，以此循環(huán)。系統(tǒng)以空氣源熱泵作為輔助熱源，在白天太陽(yáng)輻照不好或在夜間太陽(yáng)輻射量不足時(shí)，蓄熱水箱內(nèi)水溫達(dá)不到設(shè)定的供水溫度，空氣源熱泵啟動(dòng)，加熱蓄熱水箱內(nèi)的水，使水溫度升高達(dá)到供暖所需熱水溫度。

太陽(yáng)能空氣源熱泵供暖系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分為三種運(yùn)行模式：①太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行模式。即當(dāng)太陽(yáng)輻射充足的情況下，單獨(dú)運(yùn)行太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。②空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)加熱熱水的運(yùn)行模式，且優(yōu)先運(yùn)行太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。③空氣源熱泵單獨(dú)運(yùn)行模式。即當(dāng)太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度不能滿足建筑采暖需要的情況，單獨(dú)運(yùn)行空氣源熱泵加熱蓄水箱中的水。本研究中采用溫差控制方法，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行模式的切換。即通過(guò)檢測(cè)集熱器的出水水溫和蓄熱水箱底部水溫的溫差來(lái)控制集熱系統(tǒng)循環(huán)泵的啟停。當(dāng)出水溫度與蓄熱水箱底部水溫的溫差大于5 ℃時(shí)，開始啟動(dòng)集熱系統(tǒng)循環(huán)泵，蓄熱水箱底部的水不斷經(jīng)過(guò)集熱器加熱，產(chǎn)生的水壓將集熱器內(nèi)的熱水送到蓄熱水箱的上部。當(dāng)檢測(cè)到溫差小于2 ℃時(shí)，集熱系統(tǒng)循環(huán)泵停止運(yùn)行。在太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)停止工作之后，同時(shí)檢測(cè)到水箱上層的水溫低于設(shè)定的最低蓄熱溫度32 ℃時(shí)，開啟空氣源熱泵熱水系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)建模

2.1 平板集熱器模型

2.1.1 集熱效率

集熱效率計(jì)算公式如下：

式中：η 為平板集熱器的集熱效率，%；(ατ)為平板集熱器吸熱比和透射比的有效乘積；UL為集熱器總損失系數(shù)，W/ (m2℃)；I 為傾斜面太陽(yáng)能輻射量，W/m2；tf,I為集熱器進(jìn)水溫度，℃；a 為環(huán)境溫度，℃。

2.1.2 集熱面積

太陽(yáng)能集熱器面積的計(jì)算是太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，關(guān)乎到系統(tǒng)的集熱效果及初投資成本。集熱面積的設(shè)計(jì)依據(jù)冬季特征月的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和建筑的采暖負(fù)荷[5]。

式中：Qa為建筑典型日供暖負(fù)荷，W；Ac為太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的集熱面積，m2；IT為集熱器傾斜面上的平均太陽(yáng)輻射量，J/m2；f 為太陽(yáng)能保證率；ηcd為供暖期平均集熱效率；ηL為管道和蓄熱水箱熱損失系數(shù)。

以南京地區(qū)為例，模擬得到1 月份的日平均太陽(yáng)輻射量為10.75 MJ/m2，以典型日熱負(fù)荷指標(biāo)34.66 W/m2，計(jì)算可得全天建筑能耗為1005.4 MJ，平均日照時(shí)間為5 h。根據(jù)供暖末端水溫需要，設(shè)定集熱溫度范圍為35～65 ℃，以每隔5 ℃計(jì)算一集熱面積，結(jié)果如表1：

表1 集熱效率和集熱面積計(jì)算結(jié)果

2.2 蓄熱水箱模型

蓄熱水箱主要用于調(diào)整一天的熱量平衡，在陰雨天時(shí)采用空氣源熱泵輔助供暖。其容積設(shè)計(jì)模型有如下公式：

式中：Vw為蓄熱水箱體積，m3；tw為蓄熱溫度，℃；tg為供熱溫度，℃；Quo為太陽(yáng)能集熱器的日有效集熱量，J/d；Qr為建筑逐時(shí)熱負(fù)荷，W；ηcd為太陽(yáng)能集熱器的日均集熱效率。

根據(jù)集熱溫度及7 組集熱面積確定對(duì)應(yīng)的蓄熱水箱容積，結(jié)果如表2：

表2 集熱面積和蓄熱水箱容積計(jì)算結(jié)果

2.3 集熱面積與蓄熱容積配比

在太陽(yáng)能空氣源熱泵供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮的因素有系統(tǒng)投資，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性等，集熱面積與蓄熱容積的配比關(guān)乎到系統(tǒng)的集熱效果、初投資成本。系統(tǒng)的蓄熱水箱容積與集熱面積的配比，定義為VAR。根據(jù)以上7 組集熱面積及對(duì)應(yīng)的蓄熱水箱容積，得出7 組VAR，分別為0.235 m，0.115 m，0.073 m，0.053 m，0.041 m，0.033 m 和0.027 m。

2.4 TRNSYS 仿真模型

利用TRNSYS 軟件對(duì)太陽(yáng)能空氣源熱泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行建模。軟件中調(diào)用主要模塊有：典型氣象年數(shù)據(jù)資料TYPE109、平板集熱器TYPE1b、水泵TYPE3b、蓄熱水箱TYPE4b、多區(qū)域建筑模型TYPE5（建筑全年逐時(shí)能耗的設(shè)置是在多區(qū)域建筑模型TYPE56 中）、空氣源熱泵TYPE665-3、換熱器TYPE5b、方程編輯器Equa、在線繪圖儀TYPE65、控制器TYPE2b 等。本文模擬的太陽(yáng)能復(fù)合系統(tǒng)在TRNSYS 平臺(tái)上的連接方式如圖2 所示。

圖2 復(fù)合供暖系統(tǒng)TRNSYS 建模示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 集熱效率與有效集熱量

利用TRNSYS 軟件模擬蓄熱水箱體積與集熱器面積比VAR 在0.027～0.235 m 內(nèi)變動(dòng)時(shí)，供暖期各月太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)有效集熱量和集熱效率變化，結(jié)果如圖3～9。

圖3 VAR=0.235 m 時(shí)各月平均集熱效率和日平均有效集熱量

圖4 VAR=0.115 m 時(shí)各月平均集熱效率和日平均有效集熱量

圖5 VAR=0.073 m 時(shí)各月平均集熱效率和日平均有效集熱量

圖6 VAR=0.053 m 時(shí)各月平均集熱效率和日平均有效集熱量

圖7 VAR=0.041 m 時(shí)各月平均集熱效率和日平均有效集熱量

圖8 VAR=0.033 m 時(shí)各月平均集熱效率和日平均有效集熱量

圖9 VAR=0.027 m 時(shí)各月平均集熱效率和日平均有效集熱量

從各組模擬結(jié)果均可以看出，供暖期11 月份和3月份的太陽(yáng)能集熱器的平均效率和日平均有效集熱量較大，12 月份到2 月份的較低。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度增大和室外溫度升高，集熱器的集熱效率和有效集熱量也有所增大。從七組模擬結(jié)果對(duì)比可以看出，隨著VAR的減小集熱器的平均集熱效率和有效集熱量有所減小，且隨著VAR 的減小集熱效率降低的幅度也有所增大。太陽(yáng)能集熱器有效集熱量隨著集熱器集熱效率的減小而減小。供暖期平均集熱效率在0.3726～0.4875之間，日平均有效集熱量在278.9960～295.5058 MJ。

3.2 空氣源熱泵供熱量模擬

輔助熱源空氣源熱泵的供熱量為供暖當(dāng)天建筑逐時(shí)能耗減去太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)當(dāng)天的有效集熱量供暖期建筑逐時(shí)能耗。通過(guò)方程編輯器Equa，編輯熱泵系統(tǒng)供熱量。將VAR 分別為0.235、0.115、0.073、0.053、0.041、0.033 和0.027 m 時(shí)空氣源熱泵的供熱量（MJ）匯總?cè)绫?：

表3 供暖期各月熱泵供熱量匯總表

從表3 中各月的熱泵供熱量縱向變化趨勢(shì)可以看出，隨著VAR 的減小，空氣源熱泵供熱量有所增加。從表中橫向變化趨勢(shì)可以看出，空氣源熱泵的供熱量在11 月份和3 月份較少，1 月份最大。

4 結(jié)論

本文對(duì)太陽(yáng)能空氣源熱泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究，分析不同蓄熱水箱體積與集熱面積配置（VAR）下的集熱效率和有效集熱量以及空氣源熱泵的供熱量情況。得到以下結(jié)論：

1）針對(duì)35～65 ℃范圍內(nèi)的蓄熱溫度，理論計(jì)算出7組典型設(shè)計(jì)參數(shù)，以蓄熱水箱體積與集熱面積的比值（VAR）表 示分別為0.235 m，0.115 m，0.073 m，0.053 m，0.041 m，0.033 m 和0.027 m。

2）VAR 在0.027～0.235 m 范圍內(nèi)變化時(shí)，供暖期平均集熱效率在0.3726～0.4875 之間，日平均有效集熱量在278.9960～295.5058 MJ 之間。隨著VAR 的減小集熱器的平均集熱效率和有效集熱量有所減小，且隨著VAR 的減小集熱效率降低的幅度也有所增大。

3）熱泵供熱量隨著VAR 的減小，空氣源熱泵供熱量有所增加。且空氣源熱泵的供熱量在11 月份和3月份較少，1 月份最大。