摘 要：以嚴(yán)寒地區(qū)一棟辦公建筑空氣源熱泵供熱（ASHP）系統(tǒng)為研究對(duì)象，實(shí)地調(diào)研系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析ASHP系統(tǒng)供熱效果并提出改造優(yōu)化方案。利用TRNSYS軟件構(gòu)建太陽(yáng)能光伏空氣源熱泵耦合供熱系統(tǒng)（PV-ASHP系統(tǒng)）、太陽(yáng)能光熱空氣源熱泵耦合供熱系統(tǒng)（SC-ASHP系統(tǒng)）和太陽(yáng)能光伏光熱空氣源熱泵耦合供熱系統(tǒng)（PV/T-ASHP系統(tǒng)）模型，研究改造方案可行性。結(jié)果表明：相較于改造前系統(tǒng)，改造后系統(tǒng)中SC-ASHP系統(tǒng)與PV/T-ASHP系統(tǒng)性能系數(shù)（[Ccop]）為7.10、6.57，PV-ASHP系統(tǒng)與PV/T-ASHP系統(tǒng)運(yùn)行能耗降低約50%，PV/T-ASHP系統(tǒng)太陽(yáng)能利用率最高，達(dá)61.51%。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換；可再生能源；熱泵系統(tǒng)；改造優(yōu)化；PV/T-ASHP系統(tǒng)

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0 引 言

依據(jù)《中國(guó)能源大數(shù)據(jù)報(bào)告2022》，中國(guó)一次能源消費(fèi)總量達(dá)52.4億t標(biāo)準(zhǔn)煤［1］。建筑能耗占中國(guó)能源消耗總量20%，電力消耗總量23%，二氧化碳排放總量30%［2］。降低供暖能耗、加快發(fā)展可再生能源是推進(jìn)能源革命和構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的重大舉措。

近年來(lái)，為解決空氣源熱泵供熱不穩(wěn)定、效率低等問(wèn)題，諸多學(xué)者將太陽(yáng)能利用技術(shù)與空氣源熱泵相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)清潔供熱。在空氣源熱泵與太陽(yáng)能光伏技術(shù)相結(jié)合方面，呂月霞等［3］提出PV-ASHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，太陽(yáng)能光伏子系統(tǒng)年總發(fā)電量36348 kWh，78.3%的電量直接用于供熱系統(tǒng)；徐向宇等［4］提出空氣源熱泵與光伏發(fā)電相結(jié)合的系統(tǒng)方案，供暖季系統(tǒng)發(fā)電量承擔(dān)壓縮機(jī)30%的耗電量。在空氣源熱泵與太陽(yáng)能光熱技術(shù)相結(jié)合方面，李海林等［5］建立太陽(yáng)能空氣源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)，串聯(lián)式系統(tǒng)熱泵性能系數(shù)為3.75～4.74，并聯(lián)式系統(tǒng)熱泵性能系數(shù)為4.19～4.77；李金平等［6］搭建大平板太陽(yáng)能集熱器-空氣源熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)一次能源節(jié)約率為69.0%，節(jié)省標(biāo)煤7635.91 kg。在空氣源熱泵與太陽(yáng)能光伏光熱技術(shù)相結(jié)合方面，張夢(mèng)等［7］對(duì)太陽(yáng)能空氣源熱泵供能系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，光伏光熱組件發(fā)電量可滿足系統(tǒng)自用需求；孔艷強(qiáng)等［8］所提出的系統(tǒng)能效效率達(dá)40.23%，空氣源熱泵平均性能系數(shù)為5.06。

實(shí)地調(diào)研嚴(yán)寒地區(qū)空氣源熱泵（air source heat pump，ASHP）系統(tǒng)應(yīng)用效果，針對(duì)ASHP系統(tǒng)供熱溫度不達(dá)標(biāo)、能耗高等問(wèn)題，提出將太陽(yáng)能利用技術(shù)與空氣源熱泵相結(jié)合的改造方案。利用TRNSYS軟件對(duì)改造系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，以其最大限度降低供熱系統(tǒng)能耗。

1 實(shí)地調(diào)研

1.1 調(diào)研對(duì)象與內(nèi)容

以沈陽(yáng)市一棟辦公建筑為調(diào)研對(duì)象，建筑面積為300 m2，地上3層，層高均為3.0 m，東、南、西和北方向窗墻比分別為0.40、0.55、0.40和0.35。屋面、外墻、地基、樓板、外窗、內(nèi)墻和外門(mén)傳熱系數(shù)分別為0.18、0.30、1.35、1.80、1.94、1.10和1.55 W/（m2?K）。房間功能主要為辦公室、會(huì)議室、接待室、休息室、大廳和前廳等。調(diào)研時(shí)間為2018年11月—2019年3月，供熱熱源為空氣源熱泵機(jī)組，供熱末端為地面輻射供暖系統(tǒng)。空氣源熱泵額定制熱量為30 kW，額定功率為13.78 kW，蓄熱水箱體積為1 m3，供熱循環(huán)泵與負(fù)荷側(cè)循環(huán)泵額定功率均為3.0 kW，揚(yáng)程均為8 m，流量分別為6.5、2.6 m3/h。調(diào)研內(nèi)容包括系統(tǒng)流量、供熱量、運(yùn)行時(shí)間、空氣源熱泵與蓄熱水箱供回水溫度、室內(nèi)溫度。

1.2 調(diào)研結(jié)果與分析

ASHP系統(tǒng)受室外溫度影響較大，故選取室外平均溫度最低日為典型日。實(shí)測(cè)結(jié)果與室外溫度見(jiàn)圖1。依據(jù)JGJ 042—2012［9］，熱水地面輻射供暖系統(tǒng)供水溫度為35～45 ℃，10：30前蓄熱水箱供水溫度未達(dá)到最低設(shè)計(jì)值35 ℃。規(guī)范GB 55015—2021［10］中規(guī)定，辦公建筑在冬季供暖時(shí)間內(nèi)房間溫度應(yīng)保持在18～20 ℃，在工作時(shí)間，各層室內(nèi)溫度低于18 ℃時(shí)間占比分別為68.42%、52.63%、42.11%，有必要進(jìn)行建筑供熱系統(tǒng)改造。

2 供熱系統(tǒng)改造優(yōu)化方案

2.1 PV-ASHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PV-ASHP系統(tǒng)主要由光伏組件、控制器、蓄電池、逆變器、空氣源熱泵和蓄熱水箱組成，系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2a，運(yùn)行模式如下：

1）光伏組件發(fā)電直供模式：太陽(yáng)輻照度較強(qiáng)，光伏組件的發(fā)電量供給空氣源熱泵及供熱泵，光伏組件的發(fā)電量有余時(shí)輸送到電網(wǎng)。

2）電網(wǎng)輔助光伏組件供電模式：光伏組件發(fā)電量不滿足供熱系統(tǒng)用電需求，電網(wǎng)介入向供熱系統(tǒng)供電。

3）電網(wǎng)供電模式：供熱系統(tǒng)運(yùn)行所需電量完全由電網(wǎng)供給。

2.2 SC-ASHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SC-ASHP系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器、空氣源熱泵和蓄熱水箱組成，系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2b，運(yùn)行模式如下：

1）太陽(yáng)能集熱運(yùn)行模式：太陽(yáng)輻照度較強(qiáng)，太陽(yáng)能集熱器可滿足建筑供熱要求，太陽(yáng)能集熱器獨(dú)立供熱。

2）空氣源熱泵運(yùn)行模式：陰、雪天和太陽(yáng)輻照度較弱時(shí)，太陽(yáng)能集熱器出口水溫未達(dá)到集熱泵開(kāi)啟溫度，供熱量全部由空氣源熱泵提供。

3）太陽(yáng)能空氣源熱泵耦合運(yùn)行模式：太陽(yáng)能集熱泵開(kāi)啟，蓄熱水箱內(nèi)溫度隨之上升?？諝庠礋岜媒邮盏今詈瞎崮Ｊ叫盘?hào)后，供熱泵和空氣源熱泵開(kāi)啟，太陽(yáng)能集熱器和空氣源熱泵處于耦合供熱狀態(tài)。

2.3 PV/T-ASHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PV/T-ASHP系統(tǒng)主要由PV/T組件、控制器、蓄電池、逆變器、空氣源熱泵和蓄熱水箱組成，系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2c，運(yùn)行模式如下：

1）PV/T組件運(yùn)行模式：太陽(yáng)輻照度較強(qiáng)，系統(tǒng)處于PV/T組件獨(dú)立供熱供電狀態(tài)。

2）空氣源熱泵運(yùn)行模式：陰、雪天和太陽(yáng)輻照度較弱時(shí)，PV/T組件出口水溫達(dá)不到集熱泵開(kāi)啟溫度，集熱泵停止運(yùn)行，供熱量全部由空氣源熱泵提供。

3）PV/T空氣源熱泵耦合運(yùn)行模式：集熱泵開(kāi)啟，蓄熱水箱內(nèi)溫度隨之上升。空氣源熱泵接收到耦合供熱模式信號(hào)后，供熱泵和空氣源熱泵開(kāi)啟，PV/T組件和空氣源熱泵處于耦合供熱狀態(tài)。

2.4 系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

2.4.1 太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)方法

基于GB 55015—2021［10］，本文研究系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器與PV/T組件面積計(jì)算公式為：

[AC=86400QHfJTηcd（1-ηL）] （1）

式中：[AC]——太陽(yáng)能集熱器或PV/T組件總面積，m2；[QH]——供熱負(fù)荷，W；[f]——太陽(yáng)能保證率，取30%；[JT]——當(dāng)?shù)靥?yáng)能集熱器或PV/T組件采光面上采暖期平均日太陽(yáng)輻射量，沈陽(yáng)地區(qū)取值為14.98 MJ/（m2·d）；[ηcd]——太陽(yáng)能集熱器或PV/T組件的年平均集熱效率，取45%；[ηL]——蓄熱水箱和管路的熱損失率，取15%。

工程上，光伏組件主要鋪設(shè)在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)南立面，光伏組件面積取決于南立面外墻面積。本文主要對(duì)改造后供熱系統(tǒng)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，光伏組件面積與太陽(yáng)能集熱器和PV/T組件一致，取值為49 m2。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，確定沈陽(yáng)地區(qū)太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)最優(yōu)傾角為53.5° ［11］。

2.4.2 空氣源熱泵設(shè)計(jì)方法

改造前供熱系統(tǒng)中空氣源熱泵可滿足室內(nèi)最大熱負(fù)荷需求。因此，使用改造前供熱系統(tǒng)中空氣源熱泵。

2.4.3 蓄熱水箱設(shè)計(jì)方法

依據(jù)GB 55015—2021［10］中規(guī)定，集熱器單位采光面積對(duì)應(yīng)蓄熱水箱體積為40～300 L。運(yùn)用TRNSYS軟件優(yōu)化蓄熱水箱體積，當(dāng)蓄熱水箱體積為2.5 m3時(shí)，系統(tǒng)能耗最低，故蓄熱水箱體積設(shè)計(jì)值為2.5 m3。

3 供熱系統(tǒng)模型構(gòu)建

3.1 建筑負(fù)荷計(jì)算

沈陽(yáng)供暖季為11月1日—3月31日，供暖季逐時(shí)熱負(fù)荷見(jiàn)圖3，總體上呈先上升后降低的趨勢(shì)，最大值為24.55 kW，累計(jì)值為14279.04 kW，熱指標(biāo)達(dá)81.83 W/m2。

3.2 供熱系統(tǒng)模型構(gòu)建

以TRNSYS軟件為平臺(tái)，構(gòu)建ASHP系統(tǒng)、PV-ASHP系統(tǒng)、SC-ASHP系統(tǒng)和PV/T-ASHP系統(tǒng)仿真模型，供熱系統(tǒng)模型見(jiàn)圖4，主要模塊參數(shù)見(jiàn)表1。改造前與改造后的供熱系統(tǒng)主要采用溫度控制和溫差控制策略，針對(duì)ASHP系統(tǒng)和PV-ASHP系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)蓄熱水箱溫度控制空氣源熱泵啟停，蓄熱水箱溫度lt;40 ℃，開(kāi)啟空氣源熱泵；蓄熱水箱溫度≥45 ℃，關(guān)閉空氣源熱泵。針于SC-ASHP系統(tǒng)和PV/T-ASHP系統(tǒng)控制策略如下：1）太陽(yáng)能單元控制：集熱器出口溫度和蓄熱水箱溫差gt;6 ℃，集熱循環(huán)泵啟動(dòng)；集熱器出口溫度和蓄熱水箱溫差≤2 ℃，集熱泵關(guān)閉。2）空氣源熱泵單元控制：蓄熱水箱溫度lt;40 ℃，開(kāi)啟空氣源熱泵；蓄熱水箱溫度≥45 ℃，關(guān)閉空氣源熱泵。

3.3 模型驗(yàn)證

以ASHP系統(tǒng)為基準(zhǔn)，驗(yàn)證各供熱系統(tǒng)模型準(zhǔn)確性，誤差分析結(jié)果見(jiàn)圖5?？諝庠礋岜霉┗厮疁囟?、蓄熱水箱供回水溫度及室內(nèi)溫度相對(duì)誤差平均值依次為5.36%、5.91%、5.07%、9.32%和6.29%，均在10%以內(nèi)，驗(yàn)證仿真模型準(zhǔn)確性。

4 供熱系統(tǒng)綜合性分析

4.1 系統(tǒng)供熱量占比分析

SC-ASHP系統(tǒng)和PV/T-ASHP系統(tǒng)供熱量構(gòu)成見(jiàn)圖6。ASHP系統(tǒng)、PV-ASHP系統(tǒng)僅由空氣源熱泵供熱，空氣源熱泵供熱量占比為100%。針對(duì)改造方案中SC-ASHP系統(tǒng)，供暖季太陽(yáng)能集熱器與空氣源熱泵供熱量分別為8411.13、6807.83 kWh，太陽(yáng)能集熱器供熱量高于空氣源熱泵，太陽(yáng)能保證率達(dá)55.27%。11月太陽(yáng)能集熱器供熱量占比最大，值為79%，空氣源熱泵供熱量占比為21%。1月空氣源熱泵供熱量占比最大，值為60%，太陽(yáng)能集熱器供熱量占比為40%。針對(duì)改造方案中PV/T-ASHP系統(tǒng)，供暖季PV/T組件與空氣源熱泵供熱量分別為7584.35、7628.45 kWh，PV/T組件供熱量低于空氣源熱泵，太陽(yáng)能保證率達(dá)49.86%。11月PV/T組件供熱量占比最大，值為76%，空氣源熱泵供熱量占比為24%。

1月空氣源熱泵供熱量占比最大，值為67%，PV/T組件供熱量占比為33%。

4.2 系統(tǒng)能效分析

ASHP系統(tǒng)、PV-ASHP系統(tǒng)、SC-ASHP系統(tǒng)和PV/T-ASHP系統(tǒng)逐月系統(tǒng)性能系數(shù)見(jiàn)圖7。供暖季期間，改造前系統(tǒng)逐月[Ccop]分別為2.21、2.27、2.22、2.25與2.35，總體值偏低。改造方案中PV-ASHP中光伏組件僅用于發(fā)電，不產(chǎn)生熱量，因此ASHP系統(tǒng)和PV-ASHP系統(tǒng)[Ccop]曲線基本重合。改造方案中SC-ASHP系統(tǒng)和PV/T-ASHP系統(tǒng)可利用切換不同運(yùn)行模式的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。11月份SC-ASHP系統(tǒng)和PV/T-ASHP系統(tǒng)[Ccop]達(dá)到最大值7.10、6.57，相對(duì)于改造前系統(tǒng)性能系數(shù)分別提高2.21、1.97倍。

4.3 系統(tǒng)能耗分析

ASHP系統(tǒng)、PV-ASHP系統(tǒng)、SC-ASHP系統(tǒng)和PV/T-ASHP系統(tǒng)逐月運(yùn)行能耗見(jiàn)圖8。在供暖季，相對(duì)于改造前系統(tǒng)，改造方案中PV-ASHP系統(tǒng)運(yùn)行能耗無(wú)明顯變化，SC-ASHP系統(tǒng)和PV/T-ASHP系統(tǒng)運(yùn)行能耗降低約50%。在最冷月（1月份）SC-ASHP系統(tǒng)和PV/T-ASHP系統(tǒng)運(yùn)行能耗分別降低36.73%、30.76%，說(shuō)明改造后系統(tǒng)具有優(yōu)勢(shì)。

在發(fā)電量方面，PV-ASHP系統(tǒng)在11月與3月的發(fā)電量高于運(yùn)行能耗，PV/T-ASHP系統(tǒng)在11月、2月與3月的發(fā)電量高于運(yùn)行能耗。供暖季，PV-ASHP系統(tǒng)總能耗、總發(fā)電量依次為6323.11、5680.43 kWh，PV/T-ASHP系統(tǒng)總能耗、發(fā)電量依次為3509.53、4851.95 kWh，PV/T-ASHP系統(tǒng)發(fā)電量高于運(yùn)行能耗，可實(shí)現(xiàn)零碳供熱，通過(guò)余電上網(wǎng)可提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

4.4 系統(tǒng)太陽(yáng)能利用率分析

太陽(yáng)能利用率包括太陽(yáng)能光電效率、集熱效率和綜合效率［12-13］。典型日改造后系統(tǒng)太陽(yáng)能利用率見(jiàn)圖9。受太陽(yáng)輻射影響，白天光伏組件光電效率趨于穩(wěn)定，最大值為18.89%。太陽(yáng)能集熱器集熱效率最大值出現(xiàn)在13：00，值為53.14%。PV/T組件集熱效率可達(dá)45.63%，低于太陽(yáng)能集熱器集熱效率的主要原因?yàn)镻V/T組件在供熱的同時(shí)向系統(tǒng)提供電量，PV/T組件背板溫度降低，導(dǎo)致集熱效率下降。PV/T組件光電效率最大值為17.43%，略低于光伏組件發(fā)電效率。PV/T組件具有同時(shí)供熱、發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，其綜合效率最大值為61.51%。相對(duì)于改造前系統(tǒng)，改造后系統(tǒng)在可再生能源利用方面優(yōu)勢(shì)顯著。

5 結(jié) 論

本文對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)ASHP系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，尋求供熱系統(tǒng)現(xiàn)存問(wèn)題，提出ASHP系統(tǒng)改造優(yōu)化方案，運(yùn)用TRNSYS軟件構(gòu)建各供熱系統(tǒng)仿真模型，以供熱量、能效、能耗和太陽(yáng)能利用率為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)各供熱系統(tǒng)進(jìn)行綜合性分析，得到如下主要結(jié)論：

1）供暖季，改造方案中SC-ASHP系統(tǒng)太陽(yáng)能供熱量占比高于PV/T-ASHP系統(tǒng)，SC-ASHP系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器供熱量占比達(dá)55.27%，PV/T-ASHP系統(tǒng)PV/T組件供熱量占比達(dá)49.86%。

2）相對(duì)于改造前系統(tǒng)，改造方案中PV-ASHP系統(tǒng)[Ccop]與運(yùn)行能耗無(wú)明顯變化，SC-ASHP系統(tǒng)和PV/T-ASHP系統(tǒng)逐月[Ccop]值大幅度提升，運(yùn)行能耗降低約50%。PV-ASHP系統(tǒng)供暖季總發(fā)電量略低于總能耗，PV/T-ASHP系統(tǒng)發(fā)電量高于能耗，可實(shí)現(xiàn)零碳供熱。

3）改造方案中PV-ASHP系統(tǒng)典型日光電效率達(dá)18.89%，SC-ASHP系統(tǒng)典型日集熱效率達(dá)53.14%。PV/T-ASHP系統(tǒng)最冷日光電效率、集熱效率和綜合效率最大值依次為17.43%、45.63%和61.51%，嚴(yán)寒地區(qū)ASHP系統(tǒng)改造形式建議優(yōu)先采用PV/T-ASHP系統(tǒng)。

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RESEARCH ON RECONSTRUCTION AND OPTIMIZATION OF AIR SOURCE HEAT PUMP HEATING SYSTEM IN SEVERE COLD REGION

Liu Xin，Geng Xiu，F(xiàn)eng Guohui，Lai Xin，Song Mengmeng，Wu Xiuhui

（School of Municipal and Environmental Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang 110168， China）

Abstract：In order to solve the problems of air source heat pump heating system （ASHP system） in severe cold region， such as substandard heating effect， low efficiency and high energy consumption， it is necessary to reform and optimize the energy systems. The research object was the ASHP system of an office building in severe cold region. The system design and operation data were investigated on site， the heating effect of the ASHP system was analyzed， and an optimization plan for renovation was proposed. The models of solar photovoltaic air source heat pump coupled heating system （PV-ASHP system）， solar thermal air source heat pump coupled heating system （SC-ASHP system）， and solar photovoltaic thermal air source heat pump coupled heating system （PV/T-ASHP system） were constructed by TRNSYS software to study the feasibility of the transformation scheme. The results showed that compared with the heating system before the transformation， the [Ccop] of the SC-ASHP system and the PV/T-ASHP system can be increased to 7.10 and 6.57. The energy consumption of the PV-ASHP system and the PV/T-ASHP system is reduced by 50%， and the solar energy utilization rate of the PV/T-ASHP system is the highest， reaching 61.5%.

Keywords：solar energy conversion； renewable energy； heat pump systems； reconstruction and optimization； PV/T-ASHP system