鄭煜鑫，趙 帥，李 潔

(西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院，西安 710077)

0 引言

目前，太陽能與空氣能均顯示出清潔、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。因此，可將二者作為供暖系統(tǒng)的能量來源。其中，太陽能具有清潔且方便利用的特點(diǎn)；但利用空氣能的空氣源熱泵在應(yīng)用時(shí)會受到環(huán)境溫度低等因素的制約，在冬季還可能存在室外結(jié)霜的問題。而將可利用太陽能的裝置與可利用空氣能的空氣源熱泵進(jìn)行綜合應(yīng)用，構(gòu)建太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)，有助于解決以上問題；對此類復(fù)合式供暖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行狀況進(jìn)行優(yōu)化研究，有助于提高此類復(fù)合式供暖系統(tǒng)的系統(tǒng)效率，減少能源消耗，并提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

近年來，有不少學(xué)者針對將太陽能與空氣源熱泵相結(jié)合的供暖系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究。馬曉雪[1]針對蘭州地區(qū)某新型村鎮(zhèn)的住宅設(shè)計(jì)了一套太陽能與空氣源熱泵雙熱源供暖系統(tǒng)，并利用軟件對該系統(tǒng)進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，在整個(gè)供暖期內(nèi)，該住宅每個(gè)房間的溫度基本維持在10～20 ℃，室內(nèi)舒適度較好，蓄熱水箱的水溫維持在30～60 ℃；在上述模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究者還對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出該雙熱源供暖系統(tǒng)中平板太陽能集熱器的最優(yōu)面積為14 m2，蓄熱水箱的最優(yōu)體積為1.4 m3的結(jié)論。

韓宗偉等[2]對太陽能蓄熱與低溫空氣源熱泵復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明，通過利用太陽能進(jìn)行跨季節(jié)蓄熱，在整個(gè)供暖季，該復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的能效比(COP)可達(dá)到3.34。

歐云峰等[3]在對太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式熱水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合式熱水系統(tǒng)可比傳統(tǒng)的電輔助太陽能集熱系統(tǒng)減少約75%的電力損耗。

KAYGUSUZ[4]通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究了太陽能與空氣能復(fù)合的熱泵系統(tǒng)，研究結(jié)果表明，采用串聯(lián)和并聯(lián)運(yùn)行方式時(shí)，該復(fù)合熱泵系統(tǒng)的季節(jié)供暖性能指數(shù)分別為3.0和4.0。

劉業(yè)鳳等[5]提出利用太陽能與空氣源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)對太陽能熱泵系統(tǒng)因吸收熱量不足而導(dǎo)致工作時(shí)不穩(wěn)定的情況進(jìn)行優(yōu)化，使該復(fù)合式熱泵系統(tǒng)可根據(jù)太陽輻射強(qiáng)度的變化而改變運(yùn)行方式，從而實(shí)現(xiàn)了太陽能集熱系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)可交替運(yùn)行，優(yōu)化后的復(fù)合式熱泵系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定和環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

為了解決空氣源熱泵系統(tǒng)及太陽能集熱系統(tǒng)在單獨(dú)供暖時(shí)可能存在的問題，本文以西安地區(qū)的某個(gè)房間為研究對象，基于TRNSYS軟件對比分析了在整個(gè)供暖季該房間分別采用太陽能集熱系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)單獨(dú)供暖，以及采用太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)供暖這3種運(yùn)行方式時(shí)的能耗特性。

1 太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)的工作原理及模型介紹

1.1 工作原理

太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)由太陽能集熱系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)構(gòu)成。其中，太陽能集熱系統(tǒng)為主要的熱源系統(tǒng)，其主要作用是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，并進(jìn)行供暖；而空氣源熱泵為輔助供暖的設(shè)備。該復(fù)合式供暖系統(tǒng)通過設(shè)定最優(yōu)參數(shù)及改變工作方式來最大化利用太陽能，從而減少補(bǔ)充熱源的利用，以最大程度的實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。

太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)供暖時(shí)的運(yùn)行方式包括3種，分別為僅太陽能集熱系統(tǒng)運(yùn)行、僅空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行，以及太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)運(yùn)行。當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度較高時(shí)，太陽能集熱系統(tǒng)單獨(dú)工作；當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度較低，太陽能集熱系統(tǒng)不足以滿足房間的供暖要求時(shí)，空氣源熱泵也需要同時(shí)工作；若遇到陰天無日照時(shí)，空氣源熱泵則需要單獨(dú)工作。

1.2 模型的主要部件介紹

TRNSYS軟件是一款極其靈活的模塊化瞬態(tài)過程模擬軟件，本文采用該軟件建立太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)模型。該模型包括建筑模塊、太陽能集熱器模塊、氣象數(shù)據(jù)模塊、空氣源熱泵機(jī)組模塊、水箱模塊、控制系統(tǒng)模塊等。

1.2.1 建筑模塊

利用TRNSYS軟件中的建筑模塊來設(shè)定房間的各參數(shù)。

房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)如表1所示。

表1 房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)Table 1 Heat transfer coefficient of building envelopes

房間內(nèi)的平均溫度Treq可表示為：

式中，Ti為房間內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度，℃；Tset為設(shè)定的房間內(nèi)的溫度，℃。

其中，Ti可表示為：

式中，Ci為房間內(nèi)任意一點(diǎn)的空氣比熱容，J/(kg·℃)；t為時(shí)間，s；Q為房間內(nèi)獲得的熱量，kW；P為房間的供暖熱負(fù)荷，kW。

式中，[XY]為房間內(nèi)沿XY方向的溫度分布；[Z]為房間內(nèi)沿高度方向的溫度分布。

1.2.2 太陽能集熱器模塊

太陽能集熱器吸收的太陽輻射量QA可表示為：

式中，QU為太陽能集熱器中工質(zhì)獲得的熱量，kJ；QL為太陽能集熱器的熱損失，kJ；QS為太陽能集熱器儲存的熱量，kJ。

QA還可以表示為：

式中，F(xiàn)R為太陽能集熱器的熱遷移因子；AC為太陽能集熱器的采光面積，m2；IT為太陽能集熱器采光面上的總太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；(τα)e為透明蓋板的有效透過率和吸收率的乘積。

QU可表示為：

式中，Tf,in、Tf,out分別為太陽能集熱器中工質(zhì)的入口溫度和出口溫度，℃；CP為太陽能集熱器中工質(zhì)的定壓比熱容，J/(kg·℃)；G為太陽能集熱器內(nèi)單位面積工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s。

QL可表示為：

式中，UL為太陽能集熱器的總熱損失系數(shù)，W/(m2·℃)；TP為集熱板的溫度，℃；Ta為外界空氣溫度，℃。

QS可表示為：

式中，MC為太陽能集熱器的熱容量，J/℃；T為太陽能集熱器的溫度，℃。

太陽能集熱器的瞬時(shí)效率η可表示為：

式中，F(xiàn)R(τα)e為截距效率；FRUL為斜率效率，W/(m2·K)。

由于UL與T呈線性關(guān)系變化，因此修正后的η可表示為：

式中，F(xiàn)RUL/T為曲率效率，W/(m2·K)。

1.2.3 空氣源熱泵機(jī)組模塊

對空氣源熱泵機(jī)組(type941)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。空氣源熱泵機(jī)組包括制冷和制熱2種模式[6]，但本文僅討論制熱模式。

冷凝器的出水量Qdhw可表示為：

式中，U為蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)；Adespr,h為蒸發(fā)器的面積，m2；Tdhw,in為冷凝器的進(jìn)水溫度，℃；Tdespr為制冷劑液體的溫度，℃。

冷凝器的出水溫度Tdhw,out可表示為：

冷凝器的換熱量Qcondens可表示為：

式中，Qcap為冷凝器的制熱量，kW。

蒸發(fā)器的換熱量Qevap可表示為：

式中，Qcompressor為壓縮機(jī)的功耗，kW。

壓縮機(jī)的排氣焓hair,out可表示為：

式中，hair,in為壓縮機(jī)的吸氣焓，J/kg；為空氣流量，kg/s。

空氣源熱泵的能量轉(zhuǎn)換過程可由式(16)～式(20)表示，即：

式中，Qtotal,air為空氣源熱泵在外界環(huán)境中吸收的熱量，kW。

式中，Qsens,air為外界環(huán)境空氣中的顯熱能量，kW；Cpair為外界環(huán)境空氣的比熱容，J/(kg·℃)；Tair,in、Tair,out分別為空氣源熱泵蒸發(fā)側(cè)進(jìn)、出口空氣的溫度。

式中，Qlat,air為外界環(huán)境空氣中的潛熱能量，kW。

式中，Qliq為空氣源熱泵加熱液體的能量，kW。

式中，Tliq,in、Tliq,out分別為空氣源熱泵加熱液體進(jìn)、出口的溫度，℃；·mliq為空氣源熱泵加熱液體的質(zhì)量流量，kg/s；Cpliq為空氣源熱泵加熱液體的比熱容，J/(kg·℃)。

空氣源熱泵機(jī)組的COPhp可表示為：

式中，Pcompessor為壓縮機(jī)的功率，kW；Pblower為風(fēng)機(jī)的功率，kW；Pcontrol為控制器的功率，kW。

空氣源熱泵系統(tǒng)的COPhp-sys可表示為：

式中，Ppump為水泵的功率，kW。

太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)的COPc-sys可表示為：

1.2.4 水箱模塊

水箱(type4)的作用是將來自太陽能集熱系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)的熱量儲存在工質(zhì)水中，水箱的集熱效率和容積等會影響太陽能集熱系統(tǒng)的集熱效率[7]。為了解決空氣源熱泵產(chǎn)生的生活用水與采暖用熱水匯合在一起所導(dǎo)致的房間溫度出現(xiàn)波動(dòng)的問題，對水箱進(jìn)行了分層。

1.2.5 控制系統(tǒng)模塊

本文中太陽能集熱系統(tǒng)的運(yùn)行采用溫差控制的方式，針對太陽能集熱系統(tǒng)，控制器輸出的控制信號的取值為“0”或“1”，具體取決于太陽能集熱系統(tǒng)兩端口處的太陽能集熱器出口溫度，即太陽能集熱系統(tǒng)的高溫TH和水箱底部的流體溫度，也就是太陽能集熱系統(tǒng)的低溫TL，以及取決于控制啟停的溫差上限ΔTH和溫差下限ΔTL。

1.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該模型的正確性，本文將模型得到的模擬值與參考文獻(xiàn)[8]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(此處稱為“實(shí)驗(yàn)值”)進(jìn)行了對比。在保證太陽能集熱器及空氣源熱泵進(jìn)、出口溫度滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)置的條件下，對比了供暖季中2016-12-15～2017-01-14期間該復(fù)合式供暖系統(tǒng)中空氣源熱泵機(jī)組的COP，結(jié)果如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比Fig. 1 Comparsion of experimental data and simulated data

由圖1可知，該段時(shí)間內(nèi)，空氣源熱泵機(jī)組的COP實(shí)驗(yàn)值與模擬值的趨勢一致，且相對誤差基本在±4%之間，最大相對誤差為5.2%。此結(jié)果說明該模型的建立較為合理[9]，可以進(jìn)一步利用該模型分析太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)的性能。

2 結(jié)果與討論

本文采用TRNSYS軟件中的典型年氣候?qū)φ麄€(gè)供暖季11月15日～次年3月15日時(shí)房間的熱負(fù)荷，以及分別采用太陽能集熱系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)及太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)進(jìn)行供暖時(shí)的情況進(jìn)行了模擬。

2.1 房間的熱負(fù)荷

整個(gè)供暖季時(shí)西安地區(qū)某房間的動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷情況如圖2所示。

由圖2可知，在整個(gè)供暖季中，供暖季中期時(shí)房間的熱負(fù)荷最大，為1300 W，這是由于室外溫度降低，房間所需熱負(fù)荷增加；整個(gè)供暖季的平均熱負(fù)荷為670 kW。

圖2 供暖季時(shí)西安地區(qū)某房間的動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷模擬結(jié)果Fig. 2 Simulation results of dynamic thermal load of room in Xi’an area during heating season

2.2 僅采用太陽能集熱系統(tǒng)供暖的模擬

僅采用太陽能集熱系統(tǒng)供暖的運(yùn)行原理圖如圖3所示，僅采用太陽能集熱系統(tǒng)供暖的模擬結(jié)果如表2所示。

由表2可知，整個(gè)供暖季中，僅采用太陽能集熱系統(tǒng)供暖時(shí)，水泵的能耗為20.52 kWh，太陽能集熱系統(tǒng)的總能耗為811.12 kWh；太陽能集熱器的有效集熱量為314.40 kWh，太陽能集熱器的熱損失為111.20 kWh；水箱的供熱量為993.80 kWh。

圖3 僅采用太陽能集熱系統(tǒng)供暖的運(yùn)行原理圖Fig. 3 Operating principe diagram of heating with solar collector system alone

表2 僅采用太陽能集熱系統(tǒng)供暖的模擬結(jié)果Table 2 Simulation results of heating with solar collector system alone

2.3 僅采用空氣源熱泵系統(tǒng)供暖的模擬

僅采用空氣源熱泵系統(tǒng)供暖的運(yùn)行原理圖如圖4所示。對整個(gè)供暖季期間，僅采用空氣源熱泵系統(tǒng)供暖時(shí)的運(yùn)行狀況進(jìn)行仿真，仿真步長為0.125 h，室內(nèi)控制溫度為18 ℃，熱水溫度為38 ℃。僅采用空氣源熱泵系統(tǒng)供暖的模擬結(jié)果如表3所示。

由表3可知，空氣源熱泵系統(tǒng)的耗電量為359.30 kWh，空氣源熱泵機(jī)組的平均COPhp為3.07，空氣源熱泵系統(tǒng)的平均COPhp-sys為2.71。

圖4 僅采用空氣源熱泵系統(tǒng)供暖的運(yùn)行原理圖Fig. 4 Operating principe diagram of heating with air source heat pump system alone

表3 僅采用空氣源熱泵系統(tǒng)供暖的模擬結(jié)果Table 3 Simulation results of heating with air source heat pump system alone

2.4 采用太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)供暖的模擬

圖5為太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)的運(yùn)行原理圖。在整個(gè)供暖季期間，采用太陽能和空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)供暖的模擬結(jié)果如表4所示。

圖5 太陽能和空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)的運(yùn)行原理圖Fig. 5 Operation principle diagram of solar and air source heat pump compound heating system

表4 采用太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)供暖時(shí)的模擬結(jié)果Table 4 Simulation results of heating with solar and air source heat pump compound heating system

由表4可知，太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)在整個(gè)供暖期內(nèi)的總能耗為284.61 kWh，其中，空氣源熱泵機(jī)組的耗電量為264.10 kWh。此外，該復(fù)合式供暖系統(tǒng)的太陽能保證率為30.71%，平均COPc-sys為3.04，比單獨(dú)采用空氣源熱泵系統(tǒng)(平均COPhp-sys為2.71)時(shí)提高了0.33。

3 結(jié)論

本文采用TRNSYS軟件對供暖季時(shí)太陽能集熱系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)及太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)在西安地區(qū)的運(yùn)行情況進(jìn)行了對比分析，得出以下結(jié)論：

1)在整個(gè)供暖季，在西安地區(qū)采用太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)進(jìn)行供暖的節(jié)能性優(yōu)于單獨(dú)采用空氣源熱泵系統(tǒng)供暖。

2)單獨(dú)采用空氣源熱泵系統(tǒng)供暖時(shí)，空氣源熱泵機(jī)組的耗電量為345.50 kWh；空氣源熱泵機(jī)組的平均COPhp為3.07，空氣源熱泵系統(tǒng)的平均COPhp-sys為2.71。

3)在整個(gè)采暖期內(nèi)，太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)的總能耗為284.61 kWh，其中，空氣源熱泵機(jī)組的耗電量為264.10 kWh。此外，該復(fù)合式供暖系統(tǒng)的太陽能保證率為30.71%，平均COPc-sys為3.04，比單獨(dú)采用空氣源熱泵系統(tǒng)時(shí)提高了0.33。

以上研究結(jié)果表明，在西安地區(qū)采用太陽能與空氣源熱泵復(fù)合式供暖系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性。