基于TRNSYS的太阳能-热泵联合供热水系统运行性能研究

杨 敏



基于TRNSYS的太阳能-热泵联合供热水系统运行性能研究

杨 敏

（约克(中国)商贸有限公司北京分公司 北京 100010）

基于TRNSYS软件建立了太阳能与空气源热泵联合供水系统模型，模拟了长沙地区某学生宿舍不同季节水箱内的水温变化及运行能耗特点。结果表明，所选取的时间-温差控制方案下该系统各个月的水温基本上可以满足用户需求。通过比较各供热水系统各月吸收太阳热量、热泵能耗、各个部件能耗，得出夏季热泵能耗最少，太阳能利用率最高，该系统节约能源最多。研究结果对掌握太阳能供热水系统性能及改善整个系统的设计与控制具有参考价值。

太阳能；热水系统；空气源热泵；控制方案；TRNSYS

0 引言

随着人们生活水平的提高以及可再生能源建筑应用技术的推广，太阳能供热水系统日益推广。太阳能制取热水技术具有运行成本低、无污染等优点，但其利用效率易受天气状况的影响，在阴雨天气或者阳光较弱时难以满足热水需求，须增加辅助热源来满足全天候热水供应[1,2]。空气源热泵热水器以环境空气作为低温热源制取热水，具有系统结构简单、热效率高等优点，但运行性能易受气候等参数影响[3]。将太阳能和空气源热泵联合构成热水机组，可在太阳能不足的时利用热泵中热能制取热水，太阳能充足时节省了热泵所要消耗的电能，有助于实现热水系统高效稳定运行[4]。

国内外研究者都对太阳能热泵供热水系统进行了理论研究和实验分析。Freeman等[5]利用TRNSYS软件对串联、并联、混合式太阳能热泵系统进行了模拟研究。Le等[6]在通过改变系统的一些条件对系统循环进行性能分析，结果表明影响系统效率的主要因素有太阳能集热器面积、初始水温和储罐的体积等。Li等[7]建立数学模型比较了不同天气条件下系统的性能，结果表明在系统循环中水的流速、太阳能集热器倾角、环境温度等对系统的效率都有所影响。江乐新等[8]研究了某地空气源热泵辅助加热太阳能系统的最佳匹配特性。王晓丹等[9]建立了太阳能与空气源热泵联合供水的双水箱系统数学模型，模拟了不同季节水箱内的水温变化及运行能耗特点。虽然太阳能与空气源热泵联合供热水系统获得了广泛关注，但是目前仍处于起步阶段，对于系统运行的性能参数尚不明确。因此，需要通过大量的实验和模拟来验证该系统的可行性。

本文耦合太阳能集热模块和热泵模块，建立了太阳能与热泵的联合供热水系统的TRNSYS模型。以长沙地区某建筑为例，分析了不同季节工况下系统的供水温度及运行能耗变化。本研究结果对太阳能与空气源热泵相结合的供热水系统的优化控制和高效运行具有参考价值。

1 计算方法

1.1 系统构成

太阳能与空气源热泵联合供热水系统由太阳能集热器、空气源热泵机组、储热水箱以及控制系统组成。太阳能集热系统通过温差控制，不断的将集热器吸收的太阳能传递到储热水箱，使水箱内的水温上升。当单独使用太阳能无法达到要求的水温时，热泵系统自动开启，把储热水箱的水加热到设定温度值，为用户提供需要的热水。

利用TRNSYS软件建立太阳能与空气源热泵供热水系统模型（如图1所示），以时刻为例说明模型的计算流程如下。

（1）通过太阳能模型得到太阳能提供的热量为Q。

（2）计算太阳能循环热水出水温度

式中，F为集热器质量流量，kg/s；T为集热器的进口温度，℃。

（3）热泵模型得到热泵制冷量为Q，冷凝显热为Q。

（4）计算热泵循环热水出水温度

式中，T为热泵的进水温度，℃；F为热泵质量流量，kg/s。

（5）计算水箱内的出水水温

式中，Q为水箱损失的热量，kW；T为水箱的进水温度，℃；为水箱质量流量，kg/s

判断控制信号，若为太阳能开启信号，则返回步骤（2）进入下一时间步长计算，若为太阳能关闭信号，则判断热泵信号；若为热泵开启信号，则返回步骤（4）进入下一时间步长计算，若为热泵关闭信号，则判断（5）的水温是否满足出水要求。

图1 空气源热泵与太阳能联合供热水系统模型

1.2 太阳能集热器计算模型

平板型太阳能集热器的热平衡方程式[10]为：

式中，A为集热器的面积，m2；F为热转移因子；为集热器透过率与吸收率的乘积；I为太阳辐照度，W/m2；U为集热器的热损失系数，W/m2·℃；T为集热器的进口温度，℃；T为环境温度，℃；F为集热器质量流量，kg/s；c为水的比热值kJ/（kg·℃）；T为集热器的出口温度，℃。

1.3 热泵计算模型

热泵的计算流程如下[9]：

（1）输入已知参数：热泵的进水温度T和热泵质量流量F，蒸发器的空气温度T及蒸发器质量流量F；

（2）假设热泵制热量为Q及制冷量为Q，计算此时的冷凝温度和蒸发温度；

（3）通过制冷剂物性参数求出冷凝/蒸发压力、蒸发器进出口焓值及压缩机进口比容；

（4）计算制冷剂质量流量和压缩机输入功率W；

（5）计算热泵实际制热量Q及制冷量Q；

2 结果与讨论

2.1 研究对象

以长沙某学校宿舍的太阳能与热泵联合供热水系统为研究对象。根据长沙地区气象数据[11]，太阳能全年逐时辐射量总体呈抛物型分布，在冬季辐射量较低，而在夏季辐射量较高，在7月达到峰值。对宿舍楼一年中每个季节的用水情况进行统计分析，得到日用热水量变化如图2所示，用水的高峰期主要集中在上午6:00到8:00和21:00到22:00。

本系统设计生活热水的用水温度为50℃。每天用水量按季节工况划分，不同工况下日均用水量、补水温度和日均热负荷如表1所示。表2给出了系统运行控制方案，包括集热器循环侧水泵、空气源热泵的启停方案。对全年运行工况进行建模和仿真计算，在供水水温满足用户需求的前提下，以降低整个系统的运行能耗为目标，得到不同季节工况下基于时间和温差控制的热泵启停控制方案（如表2）。

表2 系统运行控制方案

图2 日均小时用水量

2.2 冬季工况

图3为冬季工况（以1月份为例）的水箱温度。可以看出，供水温度基本上可满足用户需求，供水时间段内水温总体维持在50～60℃之间。部分时刻会出现水箱温度低于50℃的情况，这主要是因为当时是非供水时间段，或者用户瞬时用水需求过大而水温无法及时达到要求。图中部分时刻水温会高于60℃，这是由于太阳能循环泵关闭温度为65℃。当太阳辐射较强时，水温达到50℃，热泵接收温度控制信号停止工作，此时的太阳能集热器还在继续工作，直到65℃才关闭循环泵，故导致水温升高到60℃以上。表3给出了冬季工况供热水系统能耗情况。可以看出，由于冬季太阳辐射强度较低，太阳能集热器的有用能量收益较少，月均为6.90 GJ，月均太阳能保证率仅为9.53%。因此，冬季工况主要是由空气源热泵提供热能，同时冬季气温低导致热泵COP值降低，造成系统能耗增加，热泵月均耗能为26.60 GJ，总能耗为27.35GJ。

图3 冬季工况1月（0-720h）水箱温度

表3 冬季工况供热水系统能耗数据

2.3 春秋季工况

图4为春、秋季工况（以4、10月份为例）的水箱温度。由图可知，供水温度低于50℃的天数少于冬季工况，这是由于长沙本地春秋两季的环境温度相对冬季高，水箱补水温度升高至15℃。从表4得出，春、秋季工况下太阳能集热器的有用能量收益比冬季明显提高，月均为13.76GJ，太阳能有效利用率明显上升，月均太阳能保证率达19.59%。这一方面是由于春秋两季的用水量增加，但补水水温比冬季高，月均用户总热负荷比冬季略有降低；另一方面，春秋两季的太阳辐射增强，集热效率提高。因此，热泵所需提高的热能有所降低，但是依然占主要地位，月均热泵能耗为21.11GJ，总能耗为21.7GJ。

图4 春秋季工况4月、10月水箱温度

表4 春秋季工况供热水系统数据

2.4 夏季工况

如图5为夏季工况（以7月份为例）的水箱温度。如图可知，水温高于60℃次数并未显著增加，这是由于夏季气温较高，集热器循环侧水泵以温差控制为主。由表5可得，夏季集热器的有用能量收益增加（月均达16.69GJ），这是因为夏季日照时间增加、集热器表面的太阳辐射强度增大。夏季工况下热水系统的太阳能保证率最高（平均达66.13%），热泵耗能降低明显（平均为2.09GJ）。这是因为一方面夏季太阳辐射较强，太阳能的有效利用率大幅上升（月均达0.46）；另一方面，夏季气温较高，用水量降低，水箱补水温度也相对较高，用户热负荷降低。同时，夏季气温较高，热泵运行COP增大，能耗降低。对比表3-5可得，夏季工况下太阳能热水系统提供的热能占了主导地位，节能效果最好。

图5 夏季工况7月（4320-5040h）水箱温度

表5 夏季工况供热水系统数据

3 结论

本文利用TRNSYS软件建立了长沙某宿舍的太阳能和空气源热泵联合供热水系统的计算模型，模拟了系统全年的运行性能，得到以下结论：

（1）基于热水系统的设计参数，对全年运行工况进行建模和仿真计算，验证了所选取的太阳能和热泵循环的时间与温差控制方案可保证用户的用水需要，有利于降低整个系统的运行能耗。

（2）通过分析各个月水温变化图，发现该系统每个月水温在供水时间段内基本可达到50℃，但在用户瞬时用水需求过大而水温无法及时达到要求。各个季节的气候条件不同，水箱内水温变化也不同。

（3）通过比较各供热水系统各月太阳能集热器的有用能量收益、热泵能耗、各个部件能耗，可以得出冬季的能耗最大且太阳能利用率较低，春秋两季太阳能的比重相对提高但仍以热泵为主，夏季热泵能耗最少、太阳能占主导地位。

[1] 吕帅.基于台达PLC与触摸屏的太阳能供热监控系统设计[J].电器工业,2014,(9):87-90.

[2] 丁鸿昌,杨前明,刘其会,等.基于多参数空气源热泵辅助太阳能热水机组的控制系统[J].可再生能源,2013,31(8): 97-99.

[3] 郝吉波,王志华,姜宇光,等.空气源热泵热水器系统性能分析[J].制冷与空调,2013,13(1):59-62.

[4] 欧云峰,杨金华.空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统设计探讨[J].给水排水,2009,35(9):82-84.

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[8] 江乐新,楼静,黎恢山,等.并联式太阳能热泵热水系统最佳匹配研究[J].给水排水,2008,34(9):85-89.

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Study on Operating Performance of a Combined Hot Water Supplying System with Solar Energy and Heat Pump Based on TRNSYS

Yang min

( Yueke (China) commercial and trade company, Beijing branch, Beijing, 100010 )

Established a combined hot water supplying system model with solar energy and air source heat pump based on TRNSYS and simulated the water temperature variation and operating energy consumption characteristics in the water tank of a student dormitory in different seasons in Changsha. The results show that the water from the time - temperature control scheme of the system each month can basically meet the needs of users.By concmparing the solar energy absorption, heat pump energy consumption and energy consumption of each part at each month , coluded that the heat pump has the least energy consumption, the solar energy utilization rate is the highest and the system save energy most in summer. The research results provide reference value for mastering theperformance of hot water supplying system with solar energy and improving the design and control of the whole system.

Solar energy; Hot water system; Air source heat pump; Control scheme; TRNSYS

1671-6612（2017）05-500-06

TK515

B

2017-01-18

作者（通讯作者）简介：杨 敏（1977.12-），女，本科，工程师，E-mail：min.yang@jci.com