摘要：針對(duì)太陽能供暖技術(shù)與熱泵供暖技術(shù)的不足，提出了一種太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)，并以西藏日喀則地區(qū)某項(xiàng)目為研究對(duì)象，利用TRNSYS仿真模擬軟件建立太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)模型，模擬分析該供暖系統(tǒng)的運(yùn)行特性，并對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，然后利用Hooke-Jeeves優(yōu)化算法對(duì)供暖系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：西藏地區(qū)太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽能由高溫到低溫的梯級(jí)利用，供暖季系統(tǒng)季節(jié)能效比可達(dá)4.43；相比于電鍋爐供暖，復(fù)合供暖系統(tǒng)具有更高的經(jīng)濟(jì)性，靜態(tài)回收期為5.3年；優(yōu)化后系統(tǒng)能耗減少，供暖季系統(tǒng)季節(jié)能效比提高了7.9％。

關(guān)鍵詞：太陽能 熱水源 熱泵 供暖系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU832；TK519" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號(hào)：1671-8755（2024）03-0071-08

Optimization for Solar-thermal Water Source Heat Pump

Hybrid Heating System Based on TRNSYS

WANG Liang1， DENG Shudan1， DENG Maofan1， YI Gaolin2

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Southwest University of Science and

Technology， Mianyang 621010， Sichuan， China; 2. Sichuan Dongsheng Engineering

Design Co.， Ltd.， Mianyang 621000， Sichuan， China）

Abstract：" In view of the inadequacies of solar heating technology and heat pump heating technology， a solar-thermal water source heat pump composite heating system was designed. Taking a project in the Tibet Xigaze area as the research object， TRNSYS simulation software was used to establish a solar-thermal water source heat pump composite heating system model， conducting simulation analysis of the running characteristics of the heating system and analyzing the economy of the system. Then， the Hooke-Jeeves optimization algorithm was used to optimize the key parameters of the heating system. The results show that the solar-thermal water source heat pump composite heating system in Tibet can operate efficiently and stably， realizing the cascading utilization of solar energy from high temperature to low temperature. During the heating season， the system’s average coefficient of performance reaches 4.43. Compared with electric boiler heating， the composite heating system has a higher economy， and the static payback period is 5.3 years. After optimization， energy consumption is reduced， leading to a 7.9% enhancement in the system’s average coefficient of performance during the heating season.

Keywords：" Solar energy; Thermal water source; Heat pump; Heating system

傳統(tǒng)能源供暖引發(fā)的環(huán)境污染越來越嚴(yán)重［1-3］，采用低碳供暖是解決該問題的有效途徑。在低碳能源中，太陽能與熱泵技術(shù)是重要的、備受關(guān)注的低碳節(jié)能手段［4-7］ 。熱泵系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行制熱時(shí)運(yùn)行效率低，無法充分保證其供暖的穩(wěn)定性。太陽能資源在時(shí)間和空間上分布不均勻，系統(tǒng)穩(wěn)定性易受太陽能輻射量的影響，在太陽能輻射量不足的情況下，無法有效保證供暖和熱水供應(yīng)的連續(xù)性［8］。為提高能源利用率，在低碳供暖系統(tǒng)的多能源利用中，主要是太陽能與熱泵技術(shù)相結(jié)合共同來為建筑供暖，從而充分發(fā)揮彼此的優(yōu)勢(shì)，規(guī)避劣勢(shì)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽能與熱泵相結(jié)合的系統(tǒng)進(jìn)行了研究。Starke等［9］利用TRNSYS對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)、太陽能結(jié)合空氣源熱泵系統(tǒng)、太陽能結(jié)合水源熱泵系統(tǒng)以及太陽能結(jié)合水源熱泵與空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，太陽能結(jié)合熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)具有更好的性能，相比于傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)，太陽能結(jié)合熱泵系統(tǒng)可將能耗降低48%。Emmi等［10］比較了不同的多能源組合系統(tǒng)的性能，包括 PV/T 組件、空氣源熱泵和地源熱泵等，研究表明，與普通的空氣源熱泵系統(tǒng)相比，多能源系統(tǒng)的能效提高了16%～25%。Chen等［11］利用 TRNSYS 搭建太陽能輔助空氣源熱泵供熱系統(tǒng)模型，并利用GENOPT對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了多參數(shù)優(yōu)化，獲得了最佳的供熱系統(tǒng)配置，優(yōu)化后的系統(tǒng)可節(jié)省14.2％ 的電量，太陽能利用率提高了8％。孫宏偉等［12］對(duì)比分析了水源熱泵輔助太陽能系統(tǒng)與單獨(dú)的水源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，結(jié)果表明，采用水源熱泵輔助太陽能系統(tǒng)雖然前期投資較高，但后期的運(yùn)行費(fèi)用較低，投資回收期僅為 3.30 年，并且考慮了兩者結(jié)合可減弱水源熱泵排水對(duì)水體熱污染及生態(tài)環(huán)境破壞的問題，因此水源熱泵輔助太陽能系統(tǒng)更具有節(jié)能環(huán)保效益。

目前對(duì)太陽能與熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)的研究大多以熱泵為主、太陽能為輔，對(duì)太陽能的利用效率較低，未能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的梯級(jí)利用。因此，本文提出了一種利用太陽能與地下水水源熱泵相耦合的供暖系統(tǒng)，即太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)，以西藏日喀則地區(qū)某項(xiàng)目為研究對(duì)象，利用TRNSYS仿真模擬軟件建立太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)模型，模擬分析該供暖系統(tǒng)的運(yùn)行特性，并對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，然后利用Hooke-Jeeves優(yōu)化算法對(duì)供暖系統(tǒng)的集熱器傾角、集熱器方位角、集熱器面積和蓄熱水箱體積4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并分析比較優(yōu)化前后供暖系統(tǒng)平均性能系數(shù)，為太陽能耦合熱泵系統(tǒng)的工程應(yīng)用設(shè)計(jì)提供參考。

1 太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)由太陽能集熱器、水源熱泵、蓄熱水箱、板式換熱器、水泵、末端裝置和控制系統(tǒng)組成，由太陽集熱系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)耦合運(yùn)行以滿足建筑的供暖需求，監(jiān)測(cè)蓄熱水箱溫度的變化從而進(jìn)行各個(gè)模式的切換，以達(dá)到對(duì)太陽能梯級(jí)利用的目的。復(fù)合供暖系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行模式

該供暖系統(tǒng)的運(yùn)行模式分為3種：太陽能直接供暖模式、太陽能耦合水源熱泵供暖模式和水源熱泵單獨(dú)供暖模式。

（1）太陽能直接供暖模式。當(dāng)室外太陽能輻射量比較充足，開啟閥門T2，T7，T8，T10，其余閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)，通過板式換熱器-3與用戶進(jìn)行熱交換，即僅依靠太陽能集熱系統(tǒng)能夠?qū)⑿顭崴錅囟染S持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，蓄熱水箱內(nèi)所儲(chǔ)存的熱量可以滿足建筑的供暖需求，即太陽能集熱系統(tǒng)能夠提供建筑所需的全部熱量，建筑僅由太陽能集熱系統(tǒng)供暖。

（2）太陽能聯(lián)合水源熱泵供暖模式。當(dāng)室外太陽能輻射量偏弱，單靠太陽能集熱系統(tǒng)無法使蓄熱水箱溫度維持在設(shè)定溫度范圍內(nèi)時(shí)，開啟閥門T1，T2，T3，T5，T6，T7，T8，T9，關(guān)閉閥門T4，T10，將太陽能集熱器儲(chǔ)存在蓄熱水箱的熱量通過板式換熱器-2與水源熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換提高熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)溫度，可以使熱泵機(jī)組運(yùn)行在高效區(qū)。即通過太陽能集熱系統(tǒng)能夠在蓄熱水箱內(nèi)存儲(chǔ)一定量的低品位熱能，利用水源熱泵的蒸發(fā)器提取蓄熱水箱中的低品位熱能進(jìn)行供暖。

（3）水源熱泵單獨(dú)供暖模式。當(dāng)無太陽能熱可以利用時(shí)，開啟閥門T4，T5，T6，T7，關(guān)閉閥門T1，T2，T3，T8，T9，T10，蓄熱水箱無法集熱，則采用水源熱泵連接至地下水井單獨(dú)進(jìn)行供暖。

1.3 系統(tǒng)控制運(yùn)行

該太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)根據(jù)室外太陽能輻射量變化切換系統(tǒng)運(yùn)行模式以保證建筑供暖需求。系統(tǒng)運(yùn)行控制策略流程如圖2所示。

（1）太陽能集熱系統(tǒng)控制。當(dāng)太陽能集熱器出口溫度高于蓄熱水箱頂部溫度10 ℃ 時(shí)，集熱系統(tǒng)循環(huán)水泵開啟，太陽能集熱系統(tǒng)開始集熱，當(dāng)蓄熱水箱頂部溫度高于太陽能集熱器出口溫度3 ℃ 時(shí)，集熱系統(tǒng)循環(huán)水泵關(guān)閉，系統(tǒng)停止集熱。

（2）供暖運(yùn)行模式控制。當(dāng)蓄熱水箱溫度高于55 ℃ 時(shí)，則僅由蓄熱水箱單獨(dú)給建筑供暖，即系統(tǒng)處于太陽能直接供暖模式；當(dāng)蓄熱水箱溫度在13～55 ℃ 時(shí)，則將蓄熱水箱連接至水源熱泵的蒸發(fā)器，利用太陽能輔助水源熱泵進(jìn)行供暖，即系統(tǒng)切換至太陽能聯(lián)合水源熱泵供暖模式；當(dāng)蓄熱水箱溫度低于13 ℃ 時(shí)，太陽能集熱系統(tǒng)關(guān)閉，采用地下水井連接水源熱泵進(jìn)行供暖，即系統(tǒng)切換至水源熱泵單獨(dú)供暖模式。

（3）供暖系統(tǒng)開啟控制。當(dāng)室內(nèi)溫度低于17 ℃ 時(shí)，供暖系統(tǒng)開始啟動(dòng)，向房間提供熱量；當(dāng)房間溫度高于19 ℃ 時(shí)，供暖系統(tǒng)關(guān)閉，將房間溫度控制在（18±1） ℃。

2 太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)模型

2.1 建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬

建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷是研究供暖系統(tǒng)運(yùn)行模擬及優(yōu)化分析的基礎(chǔ)。本文以西藏日喀則市定結(jié)縣西南部某小鎮(zhèn)14棟多層建筑為對(duì)象，總建筑面積9 500 m2，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如表1所示。根據(jù)前期可行性研究，日喀則地處高寒高海拔地區(qū)，屬高原內(nèi)陸干燥氣候，四季溫差小，冬冷夏涼，年平均氣溫 2 ℃，一月份平均氣溫 -8 ℃，極端最低氣溫平均 -27 ℃，七月份平均氣溫12 ℃，極端最高氣溫平均18 ℃。該地區(qū)太陽能資源豐富，屬太陽能資源Ⅰ類地區(qū)，且具備良好的地下水水源熱泵應(yīng)用條件。

根據(jù)參數(shù)設(shè)定，先利用能耗模擬軟件DeST對(duì)該建筑物進(jìn)行動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬，建筑自然室溫如圖3所示，供暖季（0～2 184 h和6 888～8 760 h）建筑逐時(shí)動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷的模擬結(jié)果如圖4所示。

從圖3和圖4可知，自然室溫在1月和12月（對(duì)應(yīng)時(shí)間分別為0～744 h和8 729～8 760 h）達(dá)到最低，在整個(gè)供暖季，自然室溫大多低于10 ℃，建筑逐時(shí)熱負(fù)荷在1月和12月達(dá)到最大，最大逐時(shí)熱負(fù)荷約750 kW。

根據(jù)建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬的負(fù)荷結(jié)果，選取相匹配的供暖系統(tǒng)設(shè)備。太陽能集熱系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表2所示。系統(tǒng)采用的熱泵機(jī)組、防凍液泵、蓄熱水泵、水箱側(cè)換熱水泵、熱泵側(cè)換熱水泵、供熱水泵和取水泵具體參數(shù)如表3所示。

2.2 太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)仿真

根據(jù)供暖系統(tǒng)原理圖及相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，利用TRNSYS仿真軟件搭建太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)仿真模型。

添加控制模塊并輸入邏輯控制程序?qū)Ω鱾€(gè)模塊進(jìn)行控制，以達(dá)到系統(tǒng)根據(jù)不同的氣候情況和蓄熱水箱溫度進(jìn)行模式切換。仿真系統(tǒng)中主要用到的幾個(gè)模塊為：太陽能集熱器、水泵、換熱器、蓄熱水箱、熱泵、三通閥、計(jì)算器、氣象模塊、控制器和顯示器等等。先利用氣象軟件Meteonorm導(dǎo)出項(xiàng)目地點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入到TRNSYS的氣象模塊，然后將DeST計(jì)算的負(fù)荷數(shù)據(jù)導(dǎo)入到TRNSYS的用戶末端模塊，根據(jù)設(shè)定的相應(yīng)參數(shù)運(yùn)行模擬，利用日喀則機(jī)場(chǎng)太陽能系統(tǒng)某典型日逐時(shí)蓄熱水箱頂部溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)的蓄熱水箱模型進(jìn)行驗(yàn)證，仿真模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比誤差如圖5 所示。

由圖5可知供暖系統(tǒng)蓄熱水箱溫度的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，最大誤差為13%，誤差較小，因此該供暖系統(tǒng)模型計(jì)算精度較高，能夠準(zhǔn)確模擬供暖運(yùn)行情況。

2.3 模擬運(yùn)行結(jié)果及分析

根據(jù)供暖系統(tǒng)設(shè)定的相應(yīng)參數(shù)運(yùn)行模擬，首先得到單位面積太陽能集熱器表面所能接收到的逐月輻射量及水箱溫度曲線圖，如圖6和圖7所示。

由圖6可知，在供暖期內(nèi)，二月（730～1 460 h）輻射量相較于供暖期其他月份較低，為169 kWh·m-2，供暖期其他月份輻射量相差不大。由圖7可知，水箱溫度大多在45～80 ℃，二月水箱溫度相比其他月份較低，這是由于二月太陽能集熱器表面所接收到的輻射量較低。

對(duì)整個(gè)供暖系統(tǒng)進(jìn)行能耗模擬，供暖系統(tǒng)的能耗主要集中在水泵和熱泵兩部分，供暖系統(tǒng)全年的水泵能耗曲線與熱泵能耗曲線如圖8所示。

由圖8可以看出，水泵能耗大于熱泵機(jī)組能耗，說明太陽能集熱系統(tǒng)所收集的熱量大部分時(shí)間能滿足房間的供暖需求，即太陽能直接供熱模式運(yùn)行時(shí)間占比較高。當(dāng)系統(tǒng)處在太陽能直接供暖模式時(shí)，系統(tǒng)的防凍液泵、蓄熱水泵、水箱側(cè)換熱水泵及供暖水泵開啟，而熱泵處于關(guān)閉狀態(tài)，因此系統(tǒng)的水泵能耗高于熱泵能耗。此外，水泵能耗曲線在供暖季能耗增長(zhǎng)較為穩(wěn)定，而熱泵機(jī)組能耗曲線在二月份變化較大，原因是二月輻射量相對(duì)于其他月份偏小，導(dǎo)致熱泵運(yùn)行時(shí)間占比增大，因此二月份熱泵能耗增長(zhǎng)率有所增大。將水泵和熱泵的能耗進(jìn)行逐月積分，得到系統(tǒng)供暖季節(jié)各月份水泵和熱泵能耗情況，能耗具體數(shù)據(jù)如圖9 所示。通過分析系統(tǒng)供暖季水泵運(yùn)行總能耗為199 306.05 kWh，熱泵運(yùn)行總能耗為86 747.58 kWh。

由圖9可以看出，除4月和10月外（4月和10月供暖天數(shù)較少，不足月），供暖季其他月份的水泵能耗相差較小，集中在30 000～40 000 kWh。受天氣和季節(jié)的影響，熱泵能耗各月份相差較大，最低能耗出現(xiàn)在11月，為3 889.93 kWh，最高能耗出現(xiàn)在2月份，為29 342.76 kWh，原因?yàn)?1月份供暖負(fù)荷相對(duì)較小，而輻射量相對(duì)偏大，僅次于12月份，故熱泵啟動(dòng)時(shí)間較短，熱泵能耗偏低。二月供暖負(fù)荷相對(duì)其他月份較大，而輻射量卻相對(duì)較小，熱泵啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，故熱泵能耗高。

經(jīng)過計(jì)算可以得到供暖系統(tǒng)在供暖季各月份的能效比（Coefficient of performance， COP），結(jié)果如圖10所示。

供暖系統(tǒng)在供暖季節(jié)的季節(jié)能效比（Seasonal coefficient of performance， SCOP）為4.43。 11月份和12月份供暖系統(tǒng)COP高于1，2，3月份，原因是11月份和12月份的輻射量較大，供暖系統(tǒng)較多的熱量來源于太陽能，熱泵耗能較小，故系統(tǒng)COP較高。由此可見，供暖系統(tǒng)能效的高低與地區(qū)的太陽能輻射量有直接關(guān)系，在太陽能資源豐富的地區(qū)，太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)運(yùn)行效果良好。

2.4 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

2.4.1 系統(tǒng)方案的初投資

（l）設(shè)備費(fèi)。 設(shè)備費(fèi)是指系統(tǒng)主要設(shè)備的投資。

（2）安裝費(fèi)。按占設(shè)備費(fèi)的百分比計(jì)算：

安裝費(fèi)=設(shè)備費(fèi)×相對(duì)百分比（1）

對(duì)于本文的供暖系統(tǒng)設(shè)備包括太陽能集熱器（2 655 m2，單價(jià)600元/m2）、水源熱泵機(jī)組（2臺(tái)，單價(jià)35萬元/臺(tái)）、蓄熱水箱（235 m3，單價(jià)1 200元/m3）、板式換熱器（105 m2，單價(jià)1 000元/m2）、水泵（9臺(tái)，單價(jià)10 000元/臺(tái)）等，總價(jià)277萬元，安裝費(fèi)按15%計(jì)算［13］ ，計(jì)41.6萬元，整套太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)初投資318.6萬元。

2.4.2 設(shè)備運(yùn)行費(fèi)

主要包括燃料費(fèi)、水電費(fèi)、維修折損費(fèi)等，計(jì)算公式為：

G=Dq×η×Y+W（2）

式中： G為運(yùn)行費(fèi)用，元；Y為燃料單價(jià)，元/t；q為燃料熱值，kJ/t；D為整個(gè)供暖季室內(nèi)所需要的熱量；W為系統(tǒng)運(yùn)行所需要的電費(fèi)，元。

2.4.3 靜態(tài)回收期

靜態(tài)回收期=初投資增加量/運(yùn)行成本節(jié)約量（3）

系統(tǒng)初投資為 318.6萬元，原有電鍋爐供暖系統(tǒng)供暖季耗電量為1 491 309.4 kWh，供暖季運(yùn)行費(fèi)用為74.5萬元，而太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用為14.3萬元，靜態(tài)回收期為5.3年。

3 太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化變量及目標(biāo)函數(shù)

由第二節(jié)對(duì)系統(tǒng)的模擬及結(jié)果分析可知，該供暖系統(tǒng)太陽能直接供暖模式運(yùn)行時(shí)間占比較高，即太陽能為系統(tǒng)的主要熱源，水源熱泵提供的熱量占比相對(duì)較小，太陽能集熱系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的能效影響較大，故選擇對(duì)太陽能集熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。太陽能集熱系統(tǒng)收集到的熱量越多，蓄熱水箱溫度越高，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能提升越大，集熱器傾角和集熱器方位角對(duì)集熱器所能接收到的太陽能輻射量有直接影響，而太陽能集熱器面積和蓄熱水箱體積則關(guān)系到整個(gè)供暖系統(tǒng)的集熱量、換熱效率和項(xiàng)目投資經(jīng)濟(jì)性，故選擇太陽能集熱器面積、蓄熱水箱體積、集熱器傾角及集熱器方位角這4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)作為優(yōu)化變量。

由于集熱器傾角和集熱器方位角兩個(gè)參數(shù)與供暖系統(tǒng)的初期投入相關(guān)性較小，以單位面積太陽能集熱器供暖季接收到的最大輻射量作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)對(duì)集熱器傾角和集熱器方位角進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于太陽能集熱器面積和蓄熱水箱體積的優(yōu)化則需要兼顧系統(tǒng)運(yùn)行效率和初期投入，故本文選用費(fèi)用年值為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，能夠在給定的費(fèi)用約束條件下，得到能效比較高的系統(tǒng)。

3.2 優(yōu)化方法

Hooke-Jevees算法是一種求解最優(yōu)化問題的直接方法，與其他方法相比，Hooke-Jevees方法具有適應(yīng)性強(qiáng)、快速搜尋、快速收斂等優(yōu)點(diǎn)［14］。

對(duì)于該互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的優(yōu)化，以搭建的供暖系統(tǒng)仿真模型為基礎(chǔ)，通過TRNSYS 中 TRNOPT 模塊調(diào)用 Genopt 軟件， 并在Genopt中利用 Hooke-Jeeves 算法對(duì)供暖系統(tǒng)的太陽能集熱器面積、蓄熱水箱體積、集熱器傾角及集熱器方位角4個(gè)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。

3.3 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

針對(duì)系統(tǒng)在不同條件下的長(zhǎng)期運(yùn)行性能評(píng)估，本文采用季節(jié)能效比SCOP作為評(píng)價(jià)指標(biāo)［15］，對(duì)復(fù)合供暖系統(tǒng)優(yōu)化前后的性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下：

SCOP=∫t0［Qc（t）+Qr（t）］dt∫t0［Wp（t）+Wr（t）］dt（4）

式中：Qc（t）為太陽能集熱系統(tǒng)制熱量，kW；Qr（t）為水源熱泵制熱量，kW；Wp（t）為循環(huán)水泵耗能，kW；Wr（t）為水源熱泵耗能，kW。

3.4 優(yōu)化結(jié)果及分析

3.4.1 集熱器傾角與集熱器方位角優(yōu)化

選取集熱器傾角和集熱器方位角作為優(yōu)化變量，以單位面積太陽能集熱器供暖季接收到的最大輻射量作為目標(biāo)函數(shù)，首先利用氣象軟件Meteonorm導(dǎo)出項(xiàng)目地點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，并由模型 Type15-2 將西藏日喀則地區(qū)典型年氣象文件加載到系統(tǒng)模型中，通過積分器模型和計(jì)算器實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)函數(shù)的求解，再通過TRNSYS中TRNOPT 模塊完成 Genopt 與其連接，并在Genopt中調(diào)用 Hooke-Jeeves 算法。根據(jù)供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，太陽能集熱器傾角初始值設(shè)為 40°，變化范圍為20°～60°；方位角初始值為 26°，范圍-4°～56°；初始步長(zhǎng)設(shè)為1，優(yōu)化后確定了集熱器的傾角為50.6°，方位角為2.6°。集熱器傾角與方位角優(yōu)化收斂結(jié)果如圖11所示。

3.4.2 集熱器面積與蓄熱水箱體積優(yōu)化

以費(fèi)用年值作為太陽能集熱器面積和蓄熱水箱體積的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，其公式為：

Ca=i（1+i）m（1+i）m-1×C0+C（5）

式中：Ca為費(fèi)用年值，萬元；i為銀行貸款年利率，取 4.9%；m為供暖系統(tǒng)運(yùn)行年限，取20 a；C0為初投資，萬元；C為年運(yùn)行費(fèi)用，萬元。

西藏日喀則地區(qū)太陽能集熱器成本600元/m2，蓄熱水箱成本1 200元/m3 ，當(dāng)?shù)仉妰r(jià) 0.499 3元/kWh，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)，目標(biāo)函數(shù)可表示為：

Ca=0.049（1+0.049）20（1+0.049）20-1×

（318.6+0.06A+1200V）+0.4993W10000（6）

式中：A——集熱器面積，m2；V——水箱容積，m3；W——耗電量，kWh。根據(jù)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定，太陽能集熱器面積初始值設(shè)為2 655 m3，變化范圍為2 600 ～2 700 m2，蓄熱水箱初始值為170 m3，變化范圍設(shè)為150～300 m3。初始步長(zhǎng)設(shè)為1，優(yōu)化收斂結(jié)果如圖12所示。優(yōu)化后確定了太陽能集熱器面積為2 636 m2，蓄熱水箱體積為268 m3。

在供暖季節(jié)內(nèi)，對(duì)優(yōu)化前后的復(fù)合系統(tǒng)逐月COP進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化前后復(fù)合系統(tǒng)逐月COP的模擬結(jié)果如圖13 所示。

從圖13 可以看出，相較于優(yōu)化前的COP，優(yōu)化后供暖季內(nèi)各月份的COP均有所提高，說明在相同熱負(fù)荷條件下，優(yōu)化后的性能系數(shù)得到了改善。優(yōu)化前整個(gè)供暖季復(fù)合系統(tǒng)的季節(jié)能效比SCOP為4.43；優(yōu)化后整個(gè)供暖季復(fù)合系統(tǒng)的季節(jié)能效比SCOP提升至4.78，較優(yōu)化前提高了7.9%。

綜上可得，對(duì)復(fù)合供暖系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，確定了優(yōu)化參數(shù)集熱器的傾角為50.6°，方位角為2.6°，集熱器面積為2 636 m2，蓄熱水箱體積為268 m3，優(yōu)化后供暖系統(tǒng)的季節(jié)能效比可達(dá)4.78，提高了7.9%。優(yōu)化后系統(tǒng)的初期投入雖然增加了2.82萬元，但優(yōu)化后的系統(tǒng)在一年中供暖季耗電量減少了30 125.3 kWh，運(yùn)行費(fèi)用減少了1.5萬元。

4 結(jié)論

以西藏日喀則地區(qū)某項(xiàng)目為研究對(duì)象，利用TRNSYS仿真模擬軟件建立太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)模型，分析了該供暖系統(tǒng)的運(yùn)行特性及經(jīng)濟(jì)性，并利用Hooke-Jeeves優(yōu)化算法對(duì)供暖系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到如下結(jié)論：（1）太陽能-熱水源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)在西藏等太陽能資源豐富地區(qū)運(yùn)行效果良好，可行性高，供暖系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定滿足建筑的供暖需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽能的梯級(jí)利用。（2）供暖系統(tǒng)季節(jié)能效比為4.43，相比于電鍋爐供暖，復(fù)合供暖系統(tǒng)具有更高的經(jīng)濟(jì)性，靜態(tài)回收期為5.3年。（3）利用Hooke-Jeeves優(yōu)化算法對(duì)系統(tǒng)集熱器傾角、集熱器方位角、集熱器面積和蓄熱水箱體積4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后確定了集熱器的傾角為50.6°，集熱器方位角為2.6°，集熱器面積為2 636 m2，蓄熱水箱體積為268 m3，優(yōu)化后供暖系統(tǒng)季節(jié)能效比可達(dá)4.78，提高了7.9％。

研究結(jié)果可為此類系統(tǒng)在工程上的應(yīng)用提供參考。

參考文獻(xiàn)

［1］ BI G B， SONG W， ZHOU P， et al. Does environmental regulation affect energy efficiency in China’s thermal power generation？ Empirical evidence from a slacks-based DEA model［J］. Energy Policy， 2014， 66： 537-546.

［2］ CHEN Y Y， EBENSTEIN A， GREENSTONE M， et al. Evidence on the impact of sustained exposure to air pollution on life expectancy from China’s Huai River policy［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2013， 110（32）： 12936-12941.

［3］ CESUR R， TEKIN E， ULKER A. Air pollution and infant mortality： evidence from the expansion of natural gas infrastructure［J］. The Economic Journal， 2017， 127（600）： 330-362.

［4］ 喻白帆. 22 kW太陽能空氣源熱泵復(fù)合供能系統(tǒng)研究［D］. 武漢： 華中科技大學(xué)， 2017： 41-43.

［5］ 張妍妍. 暖通空調(diào)領(lǐng)域新能源熱泵技術(shù)的應(yīng)用［J］. 黑龍江科學(xué)， 2020， 11（14）： 84-85.

［6］ 李丹. 地源熱泵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］. 中國(guó)資源綜合利用， 2019， 37（11）： 172-175.

［7］ 張朝暉， 王若楠， 高鈺， 等. 熱泵技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］. 制冷與空調(diào)， 2018， 18（1）： 1-8.

［8］ 王侃宏， 趙東雪， 羅景輝， 等. 基于田口方法的太陽能耦合污水源熱泵熱水系統(tǒng)優(yōu)化的研究［J］. 可再生能源， 2021， 39（11）： 1463-1469.

［9］ STARKE A R， CARDEMIL J M， ESCOBAR R， et al. Thermal analysis of solar-assisted heat pumps for swimming pool heating［J］. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering， 2017， 39（6）： 2289-2306.

［10］EMMI G， ZARRELLA A， DE CARLI M. A heat pump coupled with photovoltaic thermal hybrid solar collectors： a case study of a multi-source energy system［J］. Energy Conversion and Management， 2017， 151： 386-399.

［11］CHEN J F， DAI Y J， WANG R Z. Experimental and theoretical study on a solar assisted CO2 heat pump for space heating［J］. Renewable Energy， 2016， 89： 295-304.

［12］孫宏偉. 區(qū)域水源熱泵與太陽能耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析［J］. 中國(guó)洗滌用品工業(yè)， 2015（1）： 60-63.

［13］馮旭輝. 太陽能礦井水源熱泵復(fù)合系統(tǒng)分析研究［D］. 西安： 西安科技大學(xué)， 2012： 41-42.

［14］HOOKE R， JEEVES T A. “Direct search” solution of numerical and statistical problems［J］. Journal of the ACM， 1961， 8（2）： 212-229.

［15］陽季春， 季杰， 裴剛， 等. 間接膨脹式太陽能多功能熱泵單獨(dú)制熱水性能實(shí)驗(yàn)研究［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2008， 29（6）： 678-683.