閆素英，王 群，高世杰，魏澤輝，趙曉燕，王勝捷

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051）

0 引言

與傳統(tǒng)燃煤供暖方式相比，太陽能-熱泵互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的優(yōu)越性日益凸顯[1]～[3]。Kamil Kaygusuz研究了太陽能-空氣源熱泵的不同結(jié)合方式對(duì)系統(tǒng)熱性能的影響[4]～[6]。Dikici A從能量平衡和平衡的角度分析了太陽能-熱泵互補(bǔ)供暖系統(tǒng)，分析結(jié)果表明，系統(tǒng)COP可達(dá)到3.08，系統(tǒng)的熱效率和效率可分別達(dá)到65.6 %和30.8 %[7]。Motrison G L利用TRANSYS軟件分析了在3種運(yùn)行時(shí)間控制方案下太陽能-熱泵系統(tǒng)的全年制熱性能[8]。Wenzhu Huang利用太陽模擬器研究了環(huán)境溫度和太陽輻射強(qiáng)度對(duì)太陽能-熱泵互補(bǔ)供暖系統(tǒng)制熱性能的影響，模擬結(jié)果表明，環(huán)境溫度越低，熱泵COP越小[9]。由此可見，在嚴(yán)寒地區(qū)，熱泵工作性能會(huì)受到環(huán)境溫度的制約，進(jìn)而導(dǎo)致供暖系統(tǒng)熱性能降低，經(jīng)濟(jì)性也隨之變差[10]，[11]。

針對(duì)上述太陽能-熱泵互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的不足，本文設(shè)計(jì)了一種新型蓄熱空氣源熱泵，即在空氣源熱泵入口前加裝蓄熱裝置，以提高空氣源熱泵在低溫工況下的工作性能，而后利用TRNSYS仿真軟件構(gòu)建了太陽能-蓄熱空氣源熱泵互補(bǔ)供暖系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并以內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市的天氣數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，利用計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析優(yōu)化前后系統(tǒng)的熱性能和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

1 仿真模型的建立

1.1 太陽能-蓄熱空氣源熱泵互補(bǔ)供暖系統(tǒng)

太陽能-蓄熱空氣源熱泵互補(bǔ)供暖系統(tǒng)（以下簡稱為復(fù)合系統(tǒng)）原理如圖1所示。在傳統(tǒng)太陽能-空氣源熱泵互補(bǔ)供暖系統(tǒng)（以下簡稱為傳統(tǒng)系統(tǒng)）的基礎(chǔ)上，增加了由蓄熱裝置組成的復(fù)合系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)提高空氣源熱泵入口工質(zhì)溫度、延長工作時(shí)間的目的。

圖1 太陽能-蓄熱空氣源熱泵互補(bǔ)供暖系統(tǒng)原理圖Fig.1 Solar energy-thermal storage air source heat pump heating principle of complementarity

本文利用TRNSYS軟件搭建了復(fù)合系統(tǒng)仿真模型。在復(fù)合系統(tǒng)中，蓄熱水箱位于空氣源熱泵的入口前側(cè)，容積為500 L，蓄熱循環(huán)流量為100 kg/h，蓄熱溫度為30℃。復(fù)合系統(tǒng)通過切換供熱模式實(shí)現(xiàn)能量調(diào)控：當(dāng)太陽輻照度較高時(shí)，僅運(yùn)行太陽能集熱回路；當(dāng)太陽輻照度較低時(shí)，在前者的基礎(chǔ)上增加了空氣源熱泵進(jìn)行輔助供熱，用于保證系統(tǒng)的供熱能力。

1.2 部件數(shù)學(xué)模型

1.2.1 太陽能集熱器模型

式中：δ為太陽能集熱器的熱吸收率；Ac為太陽能集熱器面積；Ic為太陽輻射強(qiáng)度；Ta為室外氣溫；Tsun為太陽核心溫度；mc為太陽能集熱器的傳熱介質(zhì)流量；cp為水的比熱容；Tci，Tco分別為太陽能集熱器進(jìn)、出口溫度。

1.2.2 空氣源熱泵模型

空氣源熱泵的主要性能指標(biāo)為COP（制熱能效比），COP的計(jì)算式為

式中：q0為空氣源熱泵的制熱量；N0為制冷壓縮機(jī)的理論功率；Ne為制冷壓縮機(jī)的軸功率；ηs為制冷壓縮機(jī)的總效率。

1.2.3 儲(chǔ)水箱模型

式中：Qs為儲(chǔ)水箱的蓄熱率；Tsm為儲(chǔ)水箱的平均溫度；Teo為蒸發(fā)器的出口溫度；mg為采暖介質(zhì)的質(zhì)量流量；Th為采暖回水溫度；Fc，F(xiàn)r，F(xiàn)p2分別為太陽能集熱器、空氣源熱泵、水泵的控制函數(shù)，工作時(shí)函數(shù)值均為1，不工作時(shí)函數(shù)值均為0。

Qs的計(jì)算式為

式中：ms為儲(chǔ)水箱中水的質(zhì)量；t為時(shí)間。

1.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真模型的可靠性，本文將仿真結(jié)果與相似實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。饒義本以南京某一住宅建筑作為研究對(duì)象，進(jìn)行了與能耗相關(guān)的實(shí)驗(yàn)[13]。本文將文獻(xiàn)[13]中的建筑、氣象、部件等載入傳統(tǒng)系統(tǒng)的仿真模型，采用與文獻(xiàn)[13]相同的參數(shù)設(shè)置，模擬計(jì)算仿真模型的能耗值，并與文獻(xiàn)[13]中的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

本文仿真模型的能耗值與文獻(xiàn)[13]的實(shí)驗(yàn)值如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)能耗的仿真值和實(shí)驗(yàn)值Fig.2 System energy consumption value and experimental value

由圖2可知：在供暖期內(nèi)，仿真模型的能耗值為3 189 kW·h，比實(shí)驗(yàn)值減小了291 kW·h，降低了8.36 %；2月仿真模型的能耗值為692.1 kW·h，比實(shí)驗(yàn)值減小了73.4 kW·h，降低了9.59 %；典型日（1月26日），仿真模型的能耗值為54.3 kW·h，比實(shí)驗(yàn)值減小了5.4 kW·h，降低了9.05 %。

焦浩以烏魯木齊太陽能低溫地板輻射供暖系統(tǒng)作為研究對(duì)象，在2014年11月1日-2015年3月31日進(jìn)行了太陽能保證率的實(shí)驗(yàn)測試[14]。本文將文獻(xiàn)[14]中的建筑、氣象、部件等載入傳統(tǒng)系統(tǒng)的仿真模型，并設(shè)置相同的參數(shù)，以計(jì)算仿真模型的能耗值和太陽能有用得熱量，并與文獻(xiàn)[14]中的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析。供暖期內(nèi)各月仿真模型的能耗和太陽能有用得熱量與實(shí)驗(yàn)值如圖3所示。

由圖3可知：仿真模型的平均能耗值比實(shí)驗(yàn)值減小了14.92 kW·h，降低了2.14 %；仿真模型的太陽能有用得熱量的平均值比實(shí)驗(yàn)值減小了13.48kW·h，降低了3.05 %。

圖3 供暖期內(nèi)各月系統(tǒng)的能耗和太陽能有用得熱量的模擬值與實(shí)驗(yàn)值Fig.3 The energy consumption and the useful solar energy of the simulationmodel and the experimental value during the heating period

本文將月均環(huán)境溫度和太陽能保證率的模擬值與文獻(xiàn)[14]中的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。供暖期內(nèi)各月環(huán)境溫度和太陽能保證率的模擬值與實(shí)驗(yàn)值如圖4所示。

圖4 供暖期內(nèi)各月環(huán)境溫度和太陽能保證率的模擬值與實(shí)驗(yàn)值Fig.4 Simulated and experimental values of the ambient temperatureand solarguarantee rate during theheating period

由圖4可知：在供暖期內(nèi)，太陽能保證率模擬值的平均值比實(shí)驗(yàn)值減小了0.72%，平均誤差為1.12%；在12月份，太陽能保證率的模擬值比實(shí)驗(yàn)值增大了4%，此時(shí)誤差最大，為6.2%。由圖3，4可知：3，11月和12月，平均環(huán)境溫度的模擬值高于實(shí)驗(yàn)值，此時(shí)仿真模型的能耗值和太陽能有用得熱量均小于實(shí)驗(yàn)值；其他月份，仿真模型的能耗值和太陽能有用得熱量均大于實(shí)驗(yàn)值；在供暖期內(nèi)，各指標(biāo)平均誤差的最大值為3.05%，單月最大誤差為9.95%，這說明本文仿真模型的模擬結(jié)果具有可靠性。

2 蓄熱裝置對(duì)系統(tǒng)性能的影響

2.1 性能指標(biāo)

2.1.1 系統(tǒng)綜合性能

系統(tǒng)綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括系統(tǒng)能耗、太陽能保證率和費(fèi)用年值。太陽能保證率的定義為在太陽能集熱系統(tǒng)中，來自太陽輻射的有用得熱量與供暖系統(tǒng)所需熱負(fù)荷之比。費(fèi)用年值是將項(xiàng)目投資支出換算成為一個(gè)等值的年成本均勻序列的數(shù)額，同時(shí)加上年度成本。該方法用來評(píng)價(jià)項(xiàng)目投資經(jīng)濟(jì)效果，費(fèi)用年值的計(jì)算式為

式中：AC為費(fèi)用年值，萬元；PC為費(fèi)用現(xiàn)值，萬元；（A/P，i，n）為資本回收系數(shù)，其中A為AC×104，元；P為PC×104，元；n為計(jì)算年；i為折現(xiàn)率。

PC的計(jì)算式為

式中：Q為系統(tǒng)的初投資；CO為每年現(xiàn)金流出量；（P/A，i，n）為現(xiàn)值系數(shù)。

此外，將系統(tǒng)費(fèi)用年值與太陽能保證率的比值A(chǔ)CSF定義為新的評(píng)價(jià)指標(biāo)，則ACSF的計(jì)算式為

式中：Exq為2種系統(tǒng)的；Exdpi為2種系統(tǒng)中循環(huán)泵消耗的代價(jià)；n為2種系統(tǒng)中循環(huán)泵的數(shù)量；Exdr為2種系統(tǒng)中空氣源熱泵消耗的代價(jià)；ExdD為2種系統(tǒng)中的電加熱裝置消耗的代價(jià)。

2.2 各部件熱性能分析

2.2.1 熱泵制熱量與COP

供暖期內(nèi)各月傳統(tǒng)系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)中空氣源熱泵的制熱量和COP如圖5所示。由圖4，5可知：2種系統(tǒng)中空氣源熱泵COP的變化趨勢與環(huán)境溫度相同，環(huán)境溫度越低，空氣源熱泵的COP也越低；2種系統(tǒng)中空氣源熱泵制熱量的變化趨勢與環(huán)境溫度均相反，這是由于環(huán)境溫度越低，系統(tǒng)的熱負(fù)荷越大，由空氣源熱泵提供的輔助供熱量則越大，因此，空氣源熱泵制熱量越大。

圖5 供暖期內(nèi)各月傳統(tǒng)系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)中空氣源熱泵的制熱量和COPFig.5 The heating capacity and COP of the air source heat pump in the traditional system and the heat storage system during the heating period

由圖5還可以看出：在供暖期內(nèi)，復(fù)合系統(tǒng)中空氣源熱泵COP的平均值為3.52，傳統(tǒng)系統(tǒng)中空氣源熱泵COP的平均值為2.61，復(fù)合系統(tǒng)中空氣源熱泵COP顯著高于傳統(tǒng)系統(tǒng)；在12月和1月環(huán)境溫度較低、系統(tǒng)熱負(fù)荷較大時(shí)，復(fù)合系統(tǒng)熱性能的優(yōu)勢尤其顯著；10月，2種系統(tǒng)中空氣源熱泵COP高于供暖期其它月份，這是由于10月的環(huán)境溫度較高，空氣源熱泵入口處空氣溫度也較高，導(dǎo)致蓄熱水箱溫度較高，因此蓄熱水箱對(duì)空氣源熱泵入口處空氣的預(yù)熱效果較好，從而導(dǎo)致空氣源熱泵COP較高；此外，10月系統(tǒng)的熱負(fù)荷較低，此時(shí)空氣源熱泵的制熱量較低。

供暖期內(nèi)各月傳統(tǒng)系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)中太陽能集熱器、空氣源熱泵和蓄熱水箱的效率見圖6。

圖6 供暖期內(nèi)各月傳統(tǒng)系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)中太陽能集熱器、空氣源熱泵和蓄熱水箱的效率Fig.6 The exergy efficiency of solar collectors，air source heat pumps and hotwater storage tanks in traditional systems and thermal storage systems during the heating period

圖7 供暖期內(nèi)各月復(fù)合系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)中太陽能集熱器的獲得火用Fig.7 The obtain exergy of solar collectors in the heat storage system and the traditional system during the heating period

由圖7可知，在供暖期內(nèi)各月，復(fù)合系統(tǒng)中的太陽能集熱器獲得火用高于傳統(tǒng)系統(tǒng)。在熱負(fù)荷較大的12月和1月，復(fù)合系統(tǒng)中的太陽能集熱器獲得火用比傳統(tǒng)系統(tǒng)分別增大了3.45 ×105 kJ和3.70 ×105kJ，提升效果最為顯著。

2.3 系統(tǒng)性能分析

2.3.1 太陽能保證率、系統(tǒng)能耗與費(fèi)用年值

復(fù)合系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的太陽能保證率和系統(tǒng)能耗如圖8所示。

由圖8可知，供暖期內(nèi)太陽輻照度低于非供暖期，2個(gè)系統(tǒng)的熱負(fù)荷增大，導(dǎo)致空氣源熱泵的制熱量增大，因此，2個(gè)系統(tǒng)的太陽能保證率降低，2個(gè)系統(tǒng)能耗相對(duì)增加。復(fù)合系統(tǒng)的能耗值在供暖期各月均較低，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，復(fù)合系統(tǒng)的熱性能具有明顯優(yōu)勢。

圖8 復(fù)合系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的太陽能保證率和系統(tǒng)能耗Fig.8 Solar energy guarantee rate and system energy consumption during operation of thermal storage system and traditional system

根據(jù)式（5），（6），可計(jì)算得出系統(tǒng)的費(fèi)用年值，再結(jié)合太陽能保證率即可得到系統(tǒng)的ACSF。在空氣源熱泵前增加蓄熱裝置后，系統(tǒng)的ACSF由188元減小至184.7 元。

圖9 供暖期內(nèi)各月傳統(tǒng)系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)的代價(jià)效率Fig.9 The costof exergy efficiency of traditional system and heat storage system during heating period

3 結(jié)論

本文運(yùn)用TRNSYS軟件對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)和性能指標(biāo)進(jìn)行模擬計(jì)算，通過在空氣源熱泵入口前端增設(shè)蓄熱裝置，改善了空氣源熱泵在低溫工況下的工作性能。與未增設(shè)蓄熱裝置的供暖系統(tǒng)相比，增設(shè)蓄熱裝置后空氣源熱泵COP增大了0.88 ，火用效率增大了4.63 %，系統(tǒng)的代價(jià)火用效率增大了3.24%，系統(tǒng)的ACSF值減小了3.3 元。由此可見，在空氣源熱泵前增設(shè)蓄熱裝置有利于提高太陽能-空氣源熱泵互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的熱性能和經(jīng)濟(jì)性。

此外，由于部分參數(shù)的改善效果不佳，因此，對(duì)多能互補(bǔ)供暖系統(tǒng)熱性能進(jìn)行優(yōu)化仍存在一定空間，即可以通過提高太陽能集熱器面積和蓄熱水箱容積，降低空氣源熱泵制熱量，同時(shí)合理匹配、調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)一步提高太陽能-蓄熱空氣源熱泵互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的制熱性能。