沈玉富（煙臺(tái)荏原空調(diào)設(shè)備有限公司，山東 煙臺(tái) 265500）

基于TRNSYS的太陽(yáng)能/空氣源熱泵數(shù)值模擬研究

沈玉富
（煙臺(tái)荏原空調(diào)設(shè)備有限公司，山東 煙臺(tái) 265500）

針對(duì)煙臺(tái)地區(qū)某浴室的并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)，以TRNSYS程序?yàn)槠脚_(tái)，采用HVAC library模塊，建立模型對(duì)并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究。通過(guò)對(duì)煙臺(tái)氣象數(shù)據(jù)分析得出并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)運(yùn)行方案，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行研究分析得出系統(tǒng)全年的太陽(yáng)能保證率、系統(tǒng)性能系數(shù)COP、熱泵的供熱量、集熱效率與熱泵的COP及其變化趨勢(shì)。

太陽(yáng)能熱泵；TRNSYS模擬；運(yùn)行分析

0 引言

早在20世紀(jì)50年代初，太陽(yáng)能熱利用的先驅(qū)者Jodan和Therkeld就指出了太陽(yáng)能熱泵的優(yōu)越性，即可同時(shí)獲得太陽(yáng)能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能的提高[1]。

1980年以后，太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)得到人們的廣泛關(guān)注，Chaturvedi對(duì)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究，其研制出的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器溫度一般高于環(huán)境溫度0～10℃，具有優(yōu)越的熱泵循環(huán)性能[2]。

Freeman TL.等利用TRNSYS軟件對(duì)并聯(lián)式、串聯(lián)式和混合式3種非直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了較全面的模擬研究，研究表明，空氣作為熱源的情況下，并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)最實(shí)用，且比串聯(lián)式和混合式系統(tǒng)的熱性能更優(yōu)越[3]。

本文以煙臺(tái)地區(qū)某職工浴室的并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)為例，分析該地區(qū)天氣狀況下其運(yùn)行特性。系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)并聯(lián)組合而成，如圖1所示。其最高日設(shè)計(jì)用水量10t，供熱水箱熱水設(shè)計(jì)溫度為55℃。主要采用TRNSYS瞬時(shí)系統(tǒng)模擬程序[4]進(jìn)行模擬研究。采用專用的Tess模塊中的熱泵系統(tǒng)模塊，以及標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)中的一些相關(guān)模塊，同時(shí)以TRNSYS模擬程序?yàn)槠脚_(tái)，建立需要的并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)模型。

圖1 并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)

1 仿真模型

太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)的總模塊是由若干個(gè)模塊通過(guò)傳遞的信息流連接起來(lái)，圖2是通過(guò)TRNSYS建立的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)模型。

圖2 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)模型

1.1 模擬假設(shè)條件

（1）系統(tǒng)耗熱量計(jì)算時(shí)的冷水溫度為固定值15 ℃，每日固定10 t用水量；（2）熱泵系統(tǒng)的循環(huán)水泵能耗較熱泵運(yùn)行能耗比很小，忽略不計(jì)。（3）系統(tǒng)各月熱損失率在10％～20％之間[5]。

1.2 設(shè)置氣象參數(shù)

典型氣象年是經(jīng)過(guò)精細(xì)整理選取的共有8760h的逐時(shí)氣象資料組成的氣象參數(shù)數(shù)據(jù)集，包括干、濕球溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、風(fēng)速及風(fēng)向等?！癟MY2”[6]方法是取長(zhǎng)年代中有代表性的某年的一個(gè)月的氣象臺(tái)測(cè)試值組成12個(gè)月的數(shù)據(jù)作為的8760h原始測(cè)試值。本文氣象數(shù)據(jù)采取由氣象數(shù)據(jù)生成軟件METEONORM生成的TMY2典型氣象年參數(shù)數(shù)據(jù)。

1.3 系統(tǒng)最優(yōu)方案的選擇

該系統(tǒng)白天主要采用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)集熱，以利用少量的電能獲得所需要的熱量；夜間主要采用熱泵系統(tǒng)集熱，利用電谷時(shí)間段電費(fèi)低的優(yōu)點(diǎn)來(lái)減少系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。系統(tǒng)選擇最優(yōu)方案時(shí)，采用最不利天氣狀況（1月）的氣象數(shù)據(jù)作為設(shè)備運(yùn)行參數(shù)選擇的依據(jù)，避免系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)無(wú)法滿足使用要求的情況。

太陽(yáng)能集熱器總采光面積計(jì)算公式[7]：

式中 Ac——集熱器總采光面積，m2；

m——設(shè)計(jì)日用熱水量，t/d；

tend——熱水的最終溫度，℃；

tL——水的初始設(shè)計(jì)溫度，℃；

f——太陽(yáng)能保證率，煙臺(tái)地區(qū)太陽(yáng)能資源較豐富，取0.5；

JT——年平均或月平均日太陽(yáng)輻射量，kJ/m2；

ηd——集熱器年或月平均集熱效率，取0.45；

ηL——管路及蓄熱水箱熱損失，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取0.15。

熱泵機(jī)組的制熱量計(jì)算公式[8]：

式中 Q——熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)平均每秒供熱量，kJ；

c——水的比熱，kJ/（kg?℃）；

m——熱水質(zhì)量，kg；

H——熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工作時(shí)間，h；

Tr——熱泵加熱水的最終溫度，℃；

T0——蓄熱水箱中初始水溫，℃。

根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算出加熱10 t水需要集熱器面積為131 m2、熱泵制熱量為77 kW。

根據(jù)該地區(qū)全年氣象變化制定系統(tǒng)全年運(yùn)行控制策略，如圖3、圖4所示，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨著時(shí)間的增加先上升后緩慢下降，約在2920～3650h（5月）太陽(yáng)的輻射達(dá)到最高值，約在6500～7300h（10月）太陽(yáng)輻射較弱。溫度曲線隨著時(shí)間的增加也是先上升后緩慢下降，最高值區(qū)間出現(xiàn)在約5110～5840h（8月）。

圖3 煙臺(tái)全年太陽(yáng)輻射變化

圖4 煙臺(tái)全年溫度變化

根據(jù)該地區(qū)氣候特點(diǎn)（冬季寒冷、夏季雨量豐富），并充分考慮節(jié)約能源，對(duì)各月的控制策略提出要求。通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)模型中時(shí)間控制器的參數(shù)來(lái)調(diào)整熱泵夜間運(yùn)行時(shí)間。以滿足水箱水溫設(shè)計(jì)要求和熱泵夜間運(yùn)行時(shí)間最少為前提，得出各月最佳運(yùn)行策略表，如表1所示。

表1 各月熱泵夜間運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)

系統(tǒng)模擬控制策略：每天系統(tǒng)供水時(shí)間18：00～20：00，供熱水箱設(shè)計(jì)水溫為50℃。夜晚電谷時(shí)段（23：00～08：00）為熱泵加熱時(shí)間，依據(jù)表1不同月份熱泵夜間加熱時(shí)間不同；第二天白天（08：00～17：00）太陽(yáng)能集熱單元采用溫差控制原理對(duì)水進(jìn)行加熱，時(shí)段（15：00～18：00）為熱泵輔助加熱；給水泵定時(shí)（22：00～23：00）給蓄熱水箱中加入自來(lái)水。

2 全年系統(tǒng)模擬結(jié)果及性能分析

對(duì)于整個(gè)太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)，太陽(yáng)能保證率f、系統(tǒng)的供熱性能系數(shù)COP是重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)[9]。系統(tǒng)模擬采用月控制策略得出全年月集熱量及能耗量，如表2所示，作為計(jì)算全年各月系統(tǒng)運(yùn)行性能指標(biāo)的計(jì)算基礎(chǔ)。

由表2可得，系統(tǒng)全年總的熱量為43.19×107kJ，系統(tǒng)年運(yùn)行能耗約為9.44×107kJ。太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)年節(jié)省量QSAVE為太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)年集熱量QS和熱泵熱水系統(tǒng)年節(jié)省量QSAVEH之和。由表2得，QS=18.8×107kJ；熱泵熱水系統(tǒng)年節(jié)省量即熱泵單元集熱量與熱泵能耗的差值，QSAVEH=QHWH=15.01×107kJ；所以該系統(tǒng)年總節(jié)省量QSAVE=33.81×107kJ，相當(dāng)于節(jié)省電能93916.67kW?h。

從圖5可以看出，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)集熱量和熱泵系統(tǒng)集熱量處于此消彼長(zhǎng)的狀態(tài)。一年中整個(gè)系統(tǒng)總集熱量夏季較低，冬季較高；太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)集熱量夏季較高，冬季較低。由于并聯(lián)的2個(gè)系統(tǒng)各月集熱量的比不同，且太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)能耗較小，所以系統(tǒng)在各月單位熱水所需能耗有很大的差別，而從整體上看，該系統(tǒng)夏季運(yùn)行能耗較少，冬季運(yùn)行能耗較高。

圖6、圖7為系統(tǒng)月平均供熱量、總耗功及COP值變化趨勢(shì)。從1月到7月，平均COP曲線呈逐漸上升趨勢(shì)，到7月份COP值達(dá)到最高7.46，之后曲線為單一下降趨勢(shì)。由表2可知，系統(tǒng)月平均供熱量為3.60×107kJ，月平均總能耗0.78×107kJ，月平均COP值為4.65，系統(tǒng)整體的供熱性能良好。

由圖8可以看出，太陽(yáng)能保證率曲線隨著太陽(yáng)輻射曲線變化而變化，遵循先升高后降低的總體規(guī)律，其值在0.23～0.71之間變化。由于夏季雨水霧氣的影響，圖中7月、8月太陽(yáng)輻射強(qiáng)度有明顯降低，導(dǎo)致太陽(yáng)能保證率也有降低。可見，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是影響太陽(yáng)能保證率的主要因素。

由圖9可知，熱泵系統(tǒng)COP在1.67～3.53之間變化，由于夏季氣溫較高，熱泵運(yùn)行性能系數(shù)也提高了，所以6月、7月、8月熱泵系統(tǒng)COP值較高。集熱效率曲線隨著月份的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，其值在0.28～0.55之間變化。

圖5 加熱單元各月集熱量

表2 全年月集熱量及能耗量

圖6 系統(tǒng)各月供熱量及總能耗變化

圖7 系統(tǒng)各月COP變化

圖8 系統(tǒng)各月太陽(yáng)能輻射和太陽(yáng)能保證率變化

圖9 熱泵系統(tǒng)COP和集熱效率變化

3 結(jié)論

本文介紹了并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)及其仿真模型，并通過(guò)模擬得出系統(tǒng)全年模擬結(jié)果，又利用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)分析得出系統(tǒng)全年重要性能參數(shù)的變化規(guī)律。文中研究結(jié)果表明，太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)年節(jié)省能量33.81×107kJ，相當(dāng)于節(jié)省電能93916.67kW?h，并通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)在不同月份集熱比例差異較大，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)集熱比例夏季較大，冬季較小，熱泵系統(tǒng)則相反。系統(tǒng)性能系數(shù)COP先增加再減小，在7月份達(dá)到最大值。

[1]Chaturvedi S K,Chiang Y F,Roberts A S.Analysis of Two—Phase Flow Solar Collectors with Application to Heat Pumps[J].Journal of Solar Energy Engineering,1982（104）：358～365

[2]Tripanagno Y,Stopoulos.Solar Collectors with Colored Absorbers[J].Solar Energy,2000，68（4）：100～102

[3]Freeman T L,Mitchell J W,Audit T E.Performance of combined solar-heat pump systems[J].solar energy,1979，22（2）：125～135

[4]陳雁.太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵供暖實(shí)驗(yàn)和模擬研究[D].天津：天津大學(xué)，2006

[5]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范（GB50495—2009）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009

[6]Marion W,Urban K.Users Manual for TMY2s Typical Meteorological Years[M].National Renewable Energy Laboratory,1995

[7]Beckman W A.Modern Computing Methods in Solar Energy Analysis[J].Solar Energy,1995，55（1）：21

[8]Cervantes J G,Torres-Reyes E.Experiments on a solar assisted heat PumP and an exergy analysis of the system[J]. Applied Thermal Engineering，2002（22）：1 289～1 297

[9]Kuang YH,Wang R Z,Yu L Q.Experimental study on solar assisted heat Pump system for the heat supply[J].Enegry Conversion and Management,2003，44（7）：1089～1098

2014-12-04

沈玉富（1977—），女，黑龍江人，工程師，主要從事冷凍空調(diào)及專利技術(shù)的分析與研究。