于濤，張錄陸，楚廣明

(1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南 250101；2.山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，山東 濟南 250014)

0 引言

資源匱乏和環(huán)境污染一直是制約經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素。據(jù)統(tǒng)計，2019年全國能源消費總量為48.6億t標準煤，煤炭消費量占能源消費總量的57.7%[1]。我國仍存在能源消耗強度大、消費結(jié)構(gòu)不合理、消費主體為煤炭等問題。要從根本上解決能源的相關(guān)問題，就要實現(xiàn)能源的低碳轉(zhuǎn)型、壓減煤炭消費、減少污染物排放、促進可再生能源在建筑中的高效利用，以實現(xiàn)經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。

太陽能是地球上最豐富的能源，具有時間長久、空間廣泛、完全潔凈、安全可靠的優(yōu)點，是應(yīng)用潛力最大的可再生能源。在太陽能的各種利用方式中，太陽能光熱的轉(zhuǎn)換效率最高(＞40%)，太陽能熱水系統(tǒng)又是太陽能光熱利用中應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化程度最高的形式[2]。山東省明確指出“100 m及以下住宅和集中供應(yīng)熱水的公共建筑全部推行太陽能光熱建筑一體化”[3]，這就極大地促進了太陽能在建筑中的深度利用。由于太陽能具有間歇性和不穩(wěn)定性，因此太陽能熱水系統(tǒng)必須配置輔助熱源?？諝庠礋岜檬且环N吸收空氣熱能的可再生能源利用設(shè)備，具有較好的節(jié)能性，將其與太陽能熱水系統(tǒng)耦合，兩者熱利用的方式可以互補，從而實現(xiàn)全天候的熱水供應(yīng)。

國內(nèi)外對于空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的研究主要集中在以下3個方面，即(1)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計 BANISTER等[4]通過試驗研究了配有7.5 m2集熱器的家用雙水箱太陽能輔助熱泵熱水系統(tǒng)，認為雙水箱系統(tǒng)可將系統(tǒng)節(jié)能率從60%提高到69%；劉麗軍[5]利用瞬時系統(tǒng)模擬程序(Transient System Simulation Program，TRNSYS)對以空氣源熱泵為主、太陽能系統(tǒng)為輔的熱水系統(tǒng)的集熱器傾角和面積、集熱水箱體積、供熱水箱體積進行了優(yōu)化。(2)系統(tǒng)的控制策略 PANARAS等[6]研究了組合式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的性能，指出熱泵啟動溫度的設(shè)定值是系統(tǒng)性能的重要參數(shù)；孫煒等[7]現(xiàn)場測試了某宿舍的太陽能與空氣源熱泵定時供熱水系統(tǒng)，通過逐時溫度比較控制方案對系統(tǒng)進行優(yōu)化后，可使系統(tǒng)總能耗減少12.2%。(3)系統(tǒng)的運行性能

BADESCU[8]建立了集熱器模型，基于實際氣象數(shù)據(jù)，運用控制理論中的魯棒法研究了平板太陽能集熱系統(tǒng)的最優(yōu)流量控制問題，給出了恒流量策略下水箱容積與太陽能集熱器面積之間的最佳配比；羅會龍等[9]將空氣源熱泵的運行時間設(shè)定為17:00—21:00，測試分析了昆明地區(qū)某太陽能輔助熱泵熱水系統(tǒng)的熱性能和熱經(jīng)濟性，指出該地區(qū)的太陽能輔助熱泵系統(tǒng)具有可觀的熱經(jīng)濟性，太陽能保證率可達81%，空氣源熱泵機組的性能系數(shù)(Coefficient of Performance，COP)在最冷月亦可達到2.5～3.3。然而，結(jié)合工程實例對系統(tǒng)運行模式的優(yōu)化仍有待于深入研究。

文章以濟南某高校學生公寓樓的空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)工程實例為研究對象，統(tǒng)計和分析了項目的運行能耗，利用TRNSYS軟件建立系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型，以濟南市典型氣象年的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)采取不同優(yōu)化措施的節(jié)能效果，為太陽能熱水系統(tǒng)的推廣和太陽能熱水項目的建設(shè)和運維提供參考。

1 工程概況與實測數(shù)據(jù)分析

1.1 工程概況

項目位于山東省濟南市章丘區(qū)，屬太陽能資源Ⅱ類區(qū)。集熱器為平板型，輔助熱源為空氣源熱泵，系統(tǒng)24 h為學生公寓樓浴室提供50℃的洗浴熱水。每棟樓約有學生870人，設(shè)計日用水量為32 t。系統(tǒng)按單水箱循環(huán)式蓄熱系統(tǒng)設(shè)計，水箱通過盤管間接加熱。所有設(shè)備均布置于樓頂，每棟樓的系統(tǒng)設(shè)備配置見表1。

表1 某公寓樓太陽能熱水系統(tǒng)主要設(shè)備明細表

太陽能與空氣源熱泵按并聯(lián)模式運行:太陽輻射充足時，太陽能集熱系統(tǒng)單獨運行；太陽輻射不佳、不足以加熱水箱至設(shè)定溫度時，空氣源熱泵啟動，直至水箱水溫達到設(shè)定值；在陰雨天及夜間，集熱器出口溫度較低，集熱循環(huán)泵關(guān)閉，水箱得熱全部由空氣源熱泵提供。系統(tǒng)原理如圖1所示，其中P1為集熱側(cè)循環(huán)水泵，P2為熱水供水循環(huán)泵；T3為熱水回水溫度，T4為補水溫度；H1為管道溫度傳感器，H2＿1、H2＿2、H2＿3為空氣源熱泵機組。

圖1 空氣源熱泵輔助太陽能熱水監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

集熱系統(tǒng)和空氣源熱泵均采用溫差控制。集熱循環(huán)泵在集熱器出口與水箱水溫之差大于7℃時開啟，在兩者溫差低于2℃時關(guān)閉；空氣源熱泵及其循環(huán)水泵在集熱水箱溫度低于45℃時啟動，在集熱水箱溫度達到50℃時關(guān)閉。系統(tǒng)控制柜為R9型，在線測量集熱水箱水溫T0、集熱器出口水溫T1、集熱器進口水溫T2、環(huán)境溫度Tair以及水箱水位HL，數(shù)據(jù)每分鐘采集一次。熱泵啟停時間由數(shù)字量輸出(Digital Outputs，DO)點記錄，熱泵及循環(huán)水泵的耗電由電表記錄，所有數(shù)據(jù)均存儲于云平臺。

1.2 實測數(shù)據(jù)分析

該項目在2019年9—12月正常運營，在2020年1—9月，因受寒假及疫情影響而停運。由系統(tǒng)能耗監(jiān)測云平臺得到的系統(tǒng)運行期間的逐月用水量和耗電量見表2，系統(tǒng)在典型晴朗日(9月26日)和典型陰雨天(12月20日)的日運行參數(shù)曲線如圖2所示。

表2 某公寓樓太陽能熱水系統(tǒng)運行能耗表

圖2 典型天氣系統(tǒng)運行曲線圖

由表2可知，從9—12月，隨著環(huán)境溫度的下降，系統(tǒng)月用水量增加(其中9月和10月用水量差距不大，這是由于10月1—7日國慶假期期間用水量減少)，單位熱水耗電增加。在統(tǒng)計時間內(nèi)，系統(tǒng)的單位熱水耗電量為11.16 kWh/t，9月份的單位熱水能耗最低，僅約為平均值的1/5，12月的單位熱水能耗為15.46 kWh/t，約為平均值的1.4倍。

在圖2(a)中，典型晴朗日的室外氣溫較高且太陽輻射強，集熱水泵在9:26—15:49運行時，集熱器出口溫度最高可達95℃，水箱溫度由48℃逐漸上升至72℃。水箱在23:00—23:55補水9.6 t，水溫由72℃降低為40℃，此時一臺熱泵啟動，熱泵運行時間段為23:37—23:55，熱泵耗電量為5 kWh，系統(tǒng)全天耗電量為20 kWh。在圖2(b)中，室外氣溫較低且太陽輻射很弱，集熱器出口溫度低，集熱水泵不啟動，空氣源熱泵一日內(nèi)啟動3次獨自完成水箱加熱。前一天深夜補水后水箱水溫降低，兩臺熱泵在0:00—5:21開啟第一次；由于水箱持續(xù)散熱，3臺熱泵在13:04—13:30全部運行；23:05—24:00，水箱補水，兩臺熱泵再次啟動。當天，開啟3臺熱泵的時長約為0.5 h，開啟兩臺的時長為6.5 h，熱泵全天總耗電為193 kWh。

2 數(shù)學模型及仿真模型的建立

2.1 傾斜面上太陽輻射計算

到達地面的總太陽輻射主要包括太陽直射輻射、太陽散射輻射以及地面反射輻射。對于通常傾斜安裝的太陽能集熱器，照射到地表水平面的直射輻射和散熱器輻射轉(zhuǎn)化到傾斜面上的太陽總輻射強度可由式(1)[10－11]表示為

式中Iθ為傾斜面上的太陽總輻照度，W/m2；Ib，θ為傾斜面上的直射輻照度，W/m2；Id，θ為傾斜面上的散射輻照度，W/m2；Ir，θ為傾斜面上的地面反射輻照度，W/m2；Ib為水平面上的直射輻射照度，W/m2；Id為水平面上的散射輻照度，W/m2；Rb為傾斜面與水平面上直射輻照度的比值，Rb＝cosθ/cos i；θ為傾斜角度，°；ρG為地面反射比，一般取0.2，地面有雪覆蓋時取0.7。

2.2 平板型集熱器數(shù)學模型

根據(jù)能量守恒定律，平板集熱器的非穩(wěn)態(tài)能量守恒方程由式(2)[12]表示為

式中Cp為工質(zhì)的比熱容，kJ/(kg·℃)；V為集熱器的容量，kg/m2；ρ為工質(zhì)的密度，kg/m3；Tc為集熱板溫度，℃；Q·A為集熱器接受到的總太陽能輻射量，W；Q·L為集熱器散熱損失，W；Q·U為集熱器輸出的有用能量，W；F′為集熱器效率因子；A為集熱器面積，m2；(τa)e為透明蓋板投射比與吸熱板吸收比的有效乘積；Iθ為太陽能輻照度，W/m2；UL為集熱器總熱損系數(shù)，W/(m2·K)；tm為集熱器進出口工質(zhì)的平均溫度，tm＝Tc，o＋Tc，i/2，℃；Tc，i、Tc，o分別為集熱器的進、出口溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；˙mc為集熱側(cè)的循環(huán)流量，kg/s。

2.3 水箱數(shù)學模型

利用多節(jié)點模型表述水箱溫度分層，節(jié)點i的能量守恒方程由式(3)[13－14]表示為

式中Fci、FLi分別為集熱器和水箱間的控制函數(shù)；分別為集熱器和水箱間的循環(huán)流量；Ts，i為節(jié)點對應(yīng)層的溫度，℃；為水箱分層數(shù)；TL，r為補水水溫，℃；UA為水箱熱損系數(shù)與表面積的乘積。

2.4 空氣源熱泵數(shù)學模型

空氣源熱泵機組中，冷凝器釋放熱量加熱水箱中的水，加熱量是蒸發(fā)器從空氣中吸收熱量與壓縮機消耗的功所轉(zhuǎn)化的熱量之和，由式(4)表示為

2.5 仿真模型的建立

TRNSYS軟件由美國威斯康星大學的太陽能實驗室研發(fā)，具有模塊化、開放性和全面性等特點，只需調(diào)用軟件特定功能模塊并賦予輸入條件，就可對整個系統(tǒng)進行瞬時模擬分析，很好的滿足了能源系統(tǒng)模擬的研究和應(yīng)用要求。

利用TRNSYS軟件，組合氣象參數(shù)(Type 15－6)、熱水負荷控制(Type 14b)、平板集熱器(Type 1b)、集熱水箱(Type 60f)、循環(huán)泵(Type 3b)、空氣源熱泵(Type 941)和溫差控制器(Type 2b)等部件，建立空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示。

圖3 空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)模型示意圖

氣象參數(shù)采用濟南市典型氣象年的氣象數(shù)據(jù)，各部件的參數(shù)設(shè)置見表3[15]。用水量采用工程實測的典型日逐時用水數(shù)據(jù)如圖4所示，每月的補水溫度如圖5所示。

表3 仿真模型主要部件參數(shù)設(shè)置表

圖4 典型日逐時用水量分布圖

圖5 水箱補水溫度圖

3 系統(tǒng)仿真與優(yōu)化

3.1 系統(tǒng)運行工況模擬

單位熱水能耗的模擬值與實測值對比如圖6所示。系統(tǒng)單位熱水能耗隨室外溫度升高而減少，單位熱水能耗在5—9月為2～3 kWh/t，在1月和12月則接近13 kWh/t。模擬值與實測值的變化趨勢基本一致，所搭建仿真模型是可靠的。實際運行時的單位熱水能耗略大于模擬值，主要原因有:(1)模擬時僅考慮了水箱散熱，忽略了管路的熱量散失；(2)模型中，系統(tǒng)采用頂水法補水，用戶一旦用水，就有等量的冷水進入水箱，使水箱處于滿水位狀態(tài)。實際工程采用的是落水法，系統(tǒng)在23:00集中補水，水箱是變水位的。與落水法相比，頂水法水箱底部的水溫較低，集熱效率有所提高，而且輸入同樣能量，頂水法的水箱溫度比落水法低，熱損失少。

圖6 單位熱水能耗的模擬值與實測值對比圖

采用建立的仿真模型模擬系統(tǒng)全年能耗，結(jié)果見表4。系統(tǒng)全年耗電量為32 735.42 kWh，且88.63%的耗電源自空氣源熱泵；年平均單位熱水能耗為6.21 kWh/t；月平均集熱效率在0.43～0.49，年平均集熱效率為0.47；月平均太陽能保證率在0.49～0.84，年平均太陽能保證率為0.7。

表4 系統(tǒng)全年能耗模擬結(jié)果表

3.2 優(yōu)化模擬

在模擬系統(tǒng)運行工況的基礎(chǔ)上，利用TRNSYS軟件，對空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)采取不同優(yōu)化措施進行仿真模擬，并與原模型的模擬結(jié)果進行對比，分析不同優(yōu)化舉措的節(jié)能潛力，相關(guān)結(jié)論可為山東地區(qū)的太陽能－空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的設(shè)計和改造提供參考。

3.2.1 熱泵啟停溫度

空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的主要運行能耗源自熱泵，而熱泵的啟停溫度是其耗電的主要影響因素。根據(jù)用戶在不同季節(jié)的不同用水需求，通過適當降低熱泵的啟停溫度可顯著減少系統(tǒng)耗電。在初始熱泵啟停設(shè)定溫度為45℃/50℃的基礎(chǔ)之上，對比分析42℃/47℃、40℃/45℃、38℃/43℃啟停溫度下的系統(tǒng)逐月及全年耗電量，模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同啟停溫度時的熱泵耗電量、節(jié)能率及COP變化圖

隨著啟停溫度的降低，熱泵運行時間縮短，熱泵耗電量降低，且冬季降幅大于夏季。熱泵啟停溫度每降低1℃，全年耗電量約降低7%～8%。啟停溫度為38℃/43℃與45℃/50℃相比，全年耗電量可減少49.23%。熱泵啟停溫度降低，水箱溫度隨之降低，熱泵進口水溫降低，COP升高，且在夏季升高明顯。因此，在不同季節(jié)，根據(jù)用戶不同的用水需求，適當降低熱泵啟停的設(shè)定溫度是減少系統(tǒng)運行能耗的重要措施。

3.2.2 熱泵運行時段

原運行工況下，空氣源熱泵的啟?？刂苾H采用溫差控制，未考慮熱泵COP在晝夜不同溫度下的差異，也未考慮可能的分時電價因素。將熱泵的運行時段分為全天運行模式、夜間(23:00—6:00)運行模式和用水時段(6:00—22:00)運行模式，模擬3種模式下的系統(tǒng)能耗以及不同電價政策下的用電費用。夜間運行模式下，若具備分時電價政策，則基礎(chǔ)電價取0.555元/kWh，高峰時段(8:30—11:30和16:00—21:00)電價按基礎(chǔ)電價的150%計，低谷時段(23:00—7:00)電價按基礎(chǔ)電價的50%計。不同運行模式下的熱泵耗電量如圖8(a)所示，分時電價條件下3種運行模式所對應(yīng)的熱泵電費如圖8(b)所示。

圖8 不同運行模式下的熱泵耗電量及電費圖

熱泵在全天運行模式下的總耗電量最少，在夜間運行模式下的總耗電量最多。在用水時段運行模式下，熱泵在6:00啟動，且為了彌補水箱在夜間的熱損失，熱泵需要在氣溫最低的日出前后運行更長時間，因此其能耗高于全天運行模式，而且在1月和12月的能耗要高于夜間運行模式。

若當?shù)責o分時電價政策，則不同運行模式下的用電費用規(guī)律與圖7相同。若考慮分時電價，則熱泵在夜間谷電價時間段內(nèi)運行的費用少于其他兩種模式，較現(xiàn)方案全年可節(jié)省電費近40%。這種差別在冬季尤其顯著，在太陽輻射較高的月份(5—9月)，電費差距不大。

3.2.3 水量配比

太陽能熱水系統(tǒng)的水量配比(Mass Area Ratio，MAR)是影響系統(tǒng)投資與收益的重要因素，我國相關(guān)規(guī)范標準推薦的MAR值介于50～100 L/m2之間，不同太陽輻射照度條件及系統(tǒng)取不同的數(shù)值。系統(tǒng)的集熱器面積為300 m2，模擬時設(shè)定水箱容積變化范圍為15～30 t，步長為3 t，則對應(yīng)MAR的變化范圍為50～100 L/m2，步長為10 L/m2，模擬結(jié)果如圖9所示。

集熱水箱容積越小，相同日照及集熱條件下水箱升溫越快，系統(tǒng)集熱效率越低，如圖9(a)所示。同理，集熱水箱容積越大(MAR越大)，系統(tǒng)集熱效率越高，即太陽能對于提升系統(tǒng)水溫的貢獻越大，所需空氣源熱泵的輔熱量相對減少，系統(tǒng)耗電量減小。而且，如圖9(b)所示，在太陽輻射較強的月份(4—10月)，水箱容積對系統(tǒng)耗電量的影響較大，在太陽輻射較差的月份，水箱容積的影響有限。因此，較合理的集熱水箱容積是24 t，即MAR為80 L/m2。在運行過程中，可通過在太陽輻射較強的月份保持水箱高水位，以及在太陽輻射較弱的月份靈活控制水箱水位，來提高系統(tǒng)的太陽能利用程度。

圖9 不同MRA時系統(tǒng)的耗電量、集熱效率圖

3.2.4 雙水箱系統(tǒng)

雙水箱系統(tǒng)設(shè)有集熱水箱和恒溫水箱，補水在集熱水箱內(nèi)經(jīng)過預(yù)熱后進入恒溫水箱，恒溫水箱的補熱由空氣源熱泵提供。在模擬雙水箱系統(tǒng)能耗時，將集熱水箱和恒溫水箱的容積均設(shè)定為16 t，水箱間循環(huán)水泵采用水泵模型Type 3b，得到單/雙水箱系統(tǒng)的逐月集熱量、集熱效率及耗電量，如圖10所示。

圖10 單/雙水箱系統(tǒng)逐月集熱量、集熱效率與耗電量變化圖

雙水箱系統(tǒng)的集熱效率和集熱量均大于單水箱系統(tǒng)，說明其比單水箱系統(tǒng)能更充分地利用太陽能。與單水箱系統(tǒng)相比，雙水箱系統(tǒng)的全年節(jié)能率為14.22%，在太陽輻射較強月份(5—9月)的節(jié)能率可達到20.25%；在太陽輻射較弱的11、12、1和2月，雙水箱系統(tǒng)比單水箱系統(tǒng)節(jié)能11.17%。這是由于在雙水箱系統(tǒng)中，集熱水箱水溫較低，集熱效率高，集熱器有效集熱量大，加之集熱水箱補水經(jīng)集熱水箱預(yù)熱后，以較高的溫度進入供熱水箱，相同熱水負荷下所需熱泵的加熱量減少。因此，雙水箱系統(tǒng)比單水箱系 統(tǒng)節(jié)能，且太陽輻射條件越好，節(jié)能效果越明顯。

4 結(jié)論

文章分析了某駐濟高校的空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的工程實測數(shù)據(jù)，利用TRNSYS建立熱水系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型，探討了系統(tǒng)的優(yōu)化策略及節(jié)能效果，主要得到以下結(jié)論:

(1)在9—12月，系統(tǒng)的逐月用水量和耗電量逐漸增加；在統(tǒng)計時間內(nèi)，平均單位熱水能耗為11.16 kWh/t，其中9月份的單位熱水能耗最低(2.4 kWh/t)，而12月份單位熱水能耗最高(15.46 kWh/t)。

(2)降低輔助熱源空氣源熱泵的啟停溫度能夠有效地降低熱水系統(tǒng)的耗電量，熱泵啟停溫度每降低1℃，系統(tǒng)全年耗電量降低約為7%～8%。在不同季節(jié)，根據(jù)用戶不同的用水需求，可通過適當降低熱泵啟停的設(shè)定溫度減少運行能耗。

(3)熱泵夜間運行模式下的耗電量最高，白天運行模式次之，全天運行模式耗電量最低。若采取分時電價，則熱泵在夜間運行的用電費用最少，比全天運行約低40%。

(4)隨著水箱容積的增大，系統(tǒng)的集熱效率增大，全年耗電量減小，但變化的幅度越來越小，該系統(tǒng)最佳MAR可取80 L/m2，在太陽輻射較好時保證水箱處于滿水位，在輻射條件較差時適當降低水箱水位能有效降低系統(tǒng)能耗。

(5)相較于單水箱系統(tǒng)，雙水箱系統(tǒng)能提高太陽能利用率，全年節(jié)能14.22%，且太陽輻射條件越好，節(jié)能效果越明顯。