嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村太陽能與空氣源熱泵供熱系統(tǒng)優(yōu)化研究

張志正,張 浩,可 悅,華云峰

(長春工程學(xué)院,長春 130012)

1 問題及背景

目前,我國北方嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村冬季供熱仍以燃煤方式為主,勞動量大且污染嚴(yán)重。同時(shí),該供熱方式會使得農(nóng)村建筑在供暖期的室內(nèi)溫度波動大,白天室內(nèi)溫度尚能滿足供熱要求,夜間熄火后室內(nèi)溫度很低,有時(shí)會低于5 ℃,且影響環(huán)境、效率低[1]。農(nóng)村的供熱方式也是減少碳排放的著力點(diǎn),隨著太陽能與空氣源熱泵技術(shù)的發(fā)展,國家在冬季煤改電項(xiàng)目的推進(jìn)過程中,以太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合供熱為代表的清潔能源成為未來供熱發(fā)展的主要方向之一,可以在很大程度上節(jié)約能源,縮減成本,保護(hù)環(huán)境。

針對太陽能與空氣源熱泵供熱系統(tǒng)的性能分析,胡文舉等[2]對北京農(nóng)村地區(qū)一戶平房所采用的空氣源熱泵加散熱器末端供暖系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測量,得出該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,冬季室內(nèi)溫度達(dá)15 ℃,制熱性能系數(shù)達(dá)2.75,供暖效果良好的結(jié)論。Kaygusuz,et al[3]對太陽能與空氣源熱泵供暖的串、并聯(lián)形式的集熱器效率進(jìn)行試驗(yàn)和研究,發(fā)現(xiàn)并聯(lián)熱泵系統(tǒng)比串聯(lián)熱泵系統(tǒng)更節(jié)能。陳子丹等[4]在寒冷地區(qū)搭建空氣源熱泵供暖系統(tǒng)試驗(yàn)項(xiàng)目中,通過分析該供暖系統(tǒng)在供暖季的運(yùn)行特性,得出建筑室內(nèi)溫度可達(dá)20 ℃,系統(tǒng)制熱性能系數(shù)高達(dá)2.24,節(jié)能性要高于燃?xì)忮仩t,CO2排放量比燃煤鍋爐下降20%的結(jié)論。但對太陽能與空氣源熱泵供熱系統(tǒng)中空氣源熱泵啟停溫度控制參數(shù)、供水溫度和運(yùn)行策略的研究,相對較少。

本文以嚴(yán)寒地區(qū)具有一定典型性的長春市為研究地點(diǎn),以農(nóng)村建筑太陽能與空氣源熱泵供熱系統(tǒng)為研究對象,通過對復(fù)合供熱系統(tǒng)的優(yōu)化研究,為今后太陽能與空氣源熱泵供熱系統(tǒng)的推廣提供有效方案及數(shù)據(jù)支持。

2 模型簡介

利用TRNSYS軟件搭建太陽能與空氣源熱泵供熱系統(tǒng)仿真模型。該模型主要包括太陽能集熱器模塊、板式換熱器模塊、空氣源熱泵模塊、蓄熱水箱模塊和建筑負(fù)荷模型等,太陽能與空氣源熱泵供熱系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 太陽能與空氣源熱泵供熱系統(tǒng)系統(tǒng)仿真模型

2.1 建筑熱負(fù)荷

本文選取長春地區(qū)某典型農(nóng)村住宅為研究對象,其建筑面積為128 m2,如圖2所示。

圖2 建筑模型

長春市采暖的規(guī)定時(shí)間為10月20日—次年4月6日,室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18 ℃,根據(jù)JGJ 26—2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[5],利用TRNSYS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算,整理分析計(jì)算結(jié)果得到逐時(shí)建筑熱負(fù)荷,如圖3所示。

由圖3可知,整個(gè)供暖季農(nóng)村建筑熱負(fù)荷波動較大,且中期逐時(shí)熱負(fù)荷高于初期和末期,這與供暖季中期室外環(huán)境溫度以及太陽輻射輻照度較低,而供暖季初期和末期的室外環(huán)境溫度以及太陽輻射輻照度較高的氣象參數(shù)一致。供暖季最冷月平均熱負(fù)荷為6.17 kW,單位面積平均熱負(fù)荷為48.20 W/m2。

2.2 真空管太陽能集熱器數(shù)學(xué)模型

真空管太陽能集熱器的能量平衡方程和有用能量公式分別為式(1)～(2):

QA=QU+QS+QL,

(1)

QU=AcmCP(Tout-Tin),

(2)

式中:QA為單位時(shí)間內(nèi)真空管太陽能集熱器吸收的太陽輻射能量,W;QU為單位時(shí)間內(nèi)真空管太陽能集熱器輸出的有用能量,W;QS為單位時(shí)間內(nèi)真空管太陽能集熱器自身儲存的能量,W;QL為單位時(shí)間內(nèi)真空管太陽能集熱器向周圍環(huán)境散失的能量,W;m為真空管太陽能集熱器單位面積介質(zhì)質(zhì)量流量,kg/(m2·s);CP為介質(zhì)定壓比熱容,J/(kg·℃);Tout為真空管太陽能集熱器內(nèi)工質(zhì)出口溫度,℃;Tin為真空管太陽能集熱器內(nèi)工質(zhì)進(jìn)口溫度,℃。

2.3 真空管太陽能集熱器面積計(jì)算

太陽能與空氣源熱泵供熱系統(tǒng)中太陽能集熱系統(tǒng)為間接加熱系統(tǒng),太陽能集熱器面積公式為(3)～(4)

(3)

(4)

式中:AIN為間接系統(tǒng)集熱器總面積,m2;AC為直接系統(tǒng)集熱器總面積,m2;UL為集熱器總熱損系數(shù),w/(m2·℃);Uhx為換熱器傳熱系數(shù),w/(m2·℃);Ahx為間接系統(tǒng)換熱器面積,m2;Qs為太陽能集熱器承擔(dān)的熱負(fù)荷,w;為太陽能保證率,%;JC為太陽能集熱器采光面上12月平均日太陽能輻照量,J/(m2·d);ηC為集熱效率;ηL為管路及集熱水箱熱損失率,%。計(jì)算可得集熱器面積為35 m2。

2.4 空氣源熱泵數(shù)學(xué)模型

空氣源熱泵的制熱量和制熱性能公式為式(5)～(6):

Qh=cw×mw×(to-ti) ,

(5)

(6)

式中:Qh為熱泵制熱量,W;cw為水的比熱容,J/(kg·℃);mw為冷卻水質(zhì)量流量,kg/s;to為冷卻水進(jìn)水溫度,℃;ti為冷卻水出水溫度,℃;Ph為空氣源熱泵功率,W。

2.5 運(yùn)行模式

該系統(tǒng)共有3種運(yùn)行模式:

1)太陽能集熱系統(tǒng)單獨(dú)供熱模式。當(dāng)室外光照條件充足時(shí),集熱器將收集的熱量通過板式換熱器傳遞給蓄熱水箱,太陽能集熱系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行能夠滿足農(nóng)村住宅的供熱要求,若有剩余熱量,則將其儲存在蓄熱水箱中。

2)太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合供熱模式。在多云、陰天等光照不足的天氣情況下,太陽能集熱系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行無法滿足農(nóng)村住宅的供暖要求,此時(shí)需要開啟空氣源熱泵供熱系統(tǒng),兩個(gè)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行,以滿足供暖要求。

3)空氣源熱泵供熱系統(tǒng)單獨(dú)供熱模式。在沒有太陽輻射并且蓄熱水箱已無多余熱量的情況下,空氣源熱泵供熱系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行給住宅供暖。

3 系統(tǒng)運(yùn)行性能仿真與優(yōu)化

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行工況模擬結(jié)果

通過TRNSYS軟件對太陽能與空氣源熱泵復(fù)合供熱系統(tǒng)進(jìn)行供暖季模擬計(jì)算,整理分析計(jì)算結(jié)果得圖4～6。

圖4 最冷月份(1月份)逐時(shí)室內(nèi)外溫度變化曲線圖

圖4中T1、T2、T3、Ta分表表示臥室一溫度、客廳溫度、臥室二溫度、室外溫度,由該圖可知,長春1月份室外寒冷,最低溫度可達(dá)到-27 ℃,平均溫度在-15 ℃。通過太陽能與空氣源熱泵供熱系統(tǒng)對農(nóng)村建筑進(jìn)行供暖,供暖期間室內(nèi)溫度穩(wěn)定在18～24 ℃,滿足長春市居民用戶室內(nèi)溫度晝夜不得低于18 ℃的要求。并且室內(nèi)溫度變化較為平穩(wěn),不受室外環(huán)境溫度變化大的影響,室內(nèi)熱舒適性較好。

圖5是供暖季各月太陽能集熱器集熱量、空氣源熱泵制熱量和系統(tǒng)COP。由該圖可知,空氣源熱泵制熱量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,且12月份和次年1月份空氣源熱泵制熱量大于太陽能集熱器集熱量,由于12月和次年1月室外環(huán)境溫度較低且建筑熱負(fù)荷較大,此時(shí)系統(tǒng)COP較低,供暖季系統(tǒng)平均COP為5.5。

圖5 逐月集熱量、制熱量和系統(tǒng)COP

供熱系統(tǒng)各能耗部件的用電量比例如圖6所示,由該圖可知,空氣源熱泵能耗最大為3 755.76 kW·h,約占系統(tǒng)總能耗的90.07%,其次是負(fù)荷側(cè)循環(huán)水泵為283.92 kW·h,占系統(tǒng)總能耗的6.81%。通過前述數(shù)據(jù)可知,復(fù)合供熱系統(tǒng)雖然滿足用戶對于供熱的需求,但是其熱泵機(jī)組是系統(tǒng)最大的能耗部件,存在很大的節(jié)能優(yōu)化空間。

圖6 供熱系統(tǒng)能耗比例圖

3.2 優(yōu)化分析

3.2.1 空氣源熱泵啟停溫度控制參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

由模擬分析可知,空氣源熱泵能耗是供熱系統(tǒng)的主要能耗,而影響空氣源熱泵能耗的主要因素是空氣源熱泵的啟停溫度?？諝庠礋岜霉嵯到y(tǒng)的啟停受蓄熱水箱頂部溫度TS的控制,當(dāng)蓄熱水箱頂部溫度TS小于啟動溫度控制參數(shù)TL時(shí),空氣源熱泵供熱系統(tǒng)開始運(yùn)行。當(dāng)蓄熱水箱頂部溫度TS大于停止溫度控制參數(shù)TH時(shí),空氣源熱泵供熱系統(tǒng)停止運(yùn)行,具體控制策略為:

TS

TS>TH,空氣源熱泵供熱系統(tǒng)停止。

為了研究空氣源熱泵啟停溫度控制參數(shù)對供熱系統(tǒng)能耗和系統(tǒng)COP的影響,設(shè)定空氣源熱泵啟停溫度TL、TH為35 ℃和40 ℃、37 ℃和42 ℃、39 ℃和44 ℃、40 ℃和45 ℃的供熱系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算,整理分析計(jì)算結(jié)果可得圖7～8。

圖7 不同啟停溫度控制參數(shù)對應(yīng)的系統(tǒng)能耗和太陽能保證率

圖8 逐月系統(tǒng)能耗和系統(tǒng)COP

由圖7～8可知,隨著啟停溫度控制參數(shù)的增大,系統(tǒng)能耗增加,系統(tǒng)太陽能保證率減小,且12月份和次年1月份的系統(tǒng)能耗高于其他月份,這是由于隨著空氣源熱泵啟停溫度控制參數(shù)的增大,系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間增加,導(dǎo)致運(yùn)行能耗增加,同時(shí)啟停溫度升高,會使蓄熱水箱溫度升高,進(jìn)而導(dǎo)致集熱器進(jìn)出口溫差減小,集熱效率降低,導(dǎo)致太陽能保證率減小。熱泵啟停溫度控制參數(shù)每降低1℃,供暖季系統(tǒng)能耗降低2%～3%,太陽能保證率升高0.52%,系統(tǒng)COP升高0.12。因此,在供暖季的不同時(shí)期,根據(jù)熱負(fù)荷的不同,適當(dāng)降低熱泵啟停溫度控制參數(shù)是減少供熱系統(tǒng)運(yùn)行能耗的重要措施。

3.2.2 供水溫度對系統(tǒng)性能的影響

供水溫度是影響太陽能與空氣源熱泵供熱系統(tǒng)的重要因素,為了研究供水溫度對系統(tǒng)能耗和系統(tǒng)COP的影響,在初始供水溫度43 ℃的基礎(chǔ)上,分別選取供水溫度為38 ℃、40 ℃、42 ℃的供熱系統(tǒng)進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果如圖9～10所示。

由圖9～10可知,隨著供水溫度的逐漸增加,供熱期內(nèi)系統(tǒng)能耗呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢,且12月份與次年1月份的增幅大于其他月份。供水溫度為38 ℃與43 ℃相比,供熱期系統(tǒng)能耗可降低4.27%,供水溫度每降低1 ℃,系統(tǒng)能耗降低0.8%～0.9%。供水溫度降低,回水溫度隨之降低,空氣源熱泵進(jìn)口水溫降低,集熱器換熱溫差增大,從而使系統(tǒng)COP增大。因此,在供暖季的不同時(shí)期,根據(jù)熱負(fù)荷的不同,適當(dāng)降低供水溫度設(shè)定值是減少供熱系統(tǒng)運(yùn)行能耗的重要措施。

圖9 不同供水溫度對應(yīng)的系統(tǒng)能耗和系統(tǒng)COP

圖10 逐月系統(tǒng)能耗和系統(tǒng)COP

3.2.3 運(yùn)行策略對系統(tǒng)性能的影響

供熱系統(tǒng)的性能與運(yùn)行策略密切相關(guān),合理的運(yùn)行策略可提高系統(tǒng)性能、降低能耗、減少運(yùn)行成本,該系統(tǒng)采用最大利用太陽能的運(yùn)行策略,即當(dāng)室內(nèi)有供暖需求時(shí),各供熱模式開啟的優(yōu)先級:太陽能單獨(dú)供暖、太陽能和空氣源熱泵聯(lián)合供暖,空氣源熱泵單獨(dú)供暖。未考慮室外溫度和長春市分時(shí)電價(jià)政策對供熱系統(tǒng)的影響,分時(shí)電價(jià)政策見表1。對該系統(tǒng)采用運(yùn)行費(fèi)用最低策略,即通過時(shí)間和蓄熱水箱頂部溫度控制空氣源熱泵的啟停,21:00—次日8:00為低谷電階段,空氣源熱泵同時(shí)滿足農(nóng)村建筑的供熱和蓄熱水箱蓄熱,8:00—21:00為平價(jià)電階段,選取室外溫度較高的時(shí)間段10:00—12:00、14:00—16:00、18:00—20:00,分時(shí)段開啟空氣源熱泵給供熱系統(tǒng)補(bǔ)熱,以保證供熱系統(tǒng)可以滿足用戶的供熱需求。

表1 長春市分時(shí)電價(jià)

圖12 不同運(yùn)行策略系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

由圖11～12可知,運(yùn)行能耗與運(yùn)行費(fèi)用都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在12月份與次年1月份的能耗較大,運(yùn)行費(fèi)用較高,這是由于此時(shí)間段室外溫度較低,太陽輻射量較小,空氣源熱泵COP較低,建筑熱負(fù)荷較大。太陽能與空氣源熱泵供熱系統(tǒng)采用運(yùn)行費(fèi)用最低策略比采用最大太陽能運(yùn)行策略的系統(tǒng)能耗少,運(yùn)行費(fèi)用低。這是由于在8:00—21:00,選取室外溫度較高的時(shí)間段運(yùn)行空氣源熱泵,此時(shí)空氣源熱泵COP較高,而在21:00—次日8:00,采用低谷電,從而降低運(yùn)行成本。采用運(yùn)行費(fèi)用最低策略整供暖季比采用最大太陽能運(yùn)行策略能耗降低3%～4%,運(yùn)行費(fèi)用減少了7%～8%。

圖11 不同運(yùn)行策略系統(tǒng)能耗

4 結(jié)論

1)本文使用 TRNSYS 軟件對太陽能與空氣源熱泵復(fù)合供熱系統(tǒng)進(jìn)行了模擬。從模擬情況看,該系統(tǒng)的參數(shù)選擇滿足長春地區(qū)該典型農(nóng)村住宅冬季供暖的要求,室內(nèi)溫度保持在18～24 ℃,舒適度較好。

2)降低空氣源熱泵啟停溫度控制參數(shù)能夠有效地降低供熱系統(tǒng)能耗,熱泵啟停溫度控制參數(shù)設(shè)定值每降低1 ℃,系統(tǒng)供熱期能耗降低約2%～3%,太陽能保證率升高0.52%,系統(tǒng)COP升高0.12。因此,在供暖季不同階段,根據(jù)熱負(fù)荷的不同,可適當(dāng)降低熱泵啟停溫度控制參數(shù),從而減少運(yùn)行能耗。

3)降低太陽能與空氣源熱泵供熱系統(tǒng)供水溫度,能夠有效地降低供熱系統(tǒng)能耗,供水溫度每降低1 ℃,系統(tǒng)的能耗降低0.8%～0.9%。因此,在供暖季的不同階段,根據(jù)熱負(fù)荷的不同,可適當(dāng)降低供水溫度的設(shè)定值,從而減少運(yùn)行能耗。

4)供熱系統(tǒng)采用運(yùn)行費(fèi)用最低策略優(yōu)于最大太陽能運(yùn)行策略,若采用運(yùn)行費(fèi)用最低策略,整個(gè)供暖季供熱系統(tǒng)的運(yùn)行能耗可降低3%～4%,運(yùn)行費(fèi)用可減少7%～8%。