基于TRNSYS的空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统研究

高屾 崔红社 姜凯迪 姜镀辉

摘 要：本文介绍了空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统的工作原理与特性功能。并基于青岛市一实际项目，结合TRNSYS模拟软件预测系统能耗并优化控制策略，研究耦合供热系统的最佳配比。经研究得当空气源热泵在与燃气锅炉的耦合供热系统中占比达60%时，费用年值最低。

关键词：空气源热泵;TRNSYS;耦合供热系统;优化分析

目前，煤炭仍是中国北方城市集中供热的主要能源。 冬季供暖期燃煤大量燃烧产生的有害物对空气造成了严重的污染，危害人的健康，是社会发展亟待解决的重大问题[1]。基于此种现状，从2016年开始，我国开始组织安排了史无前例的“清洁取暖”工程。清洁供热即指利用天然气、电力、地热能、生物质能、太阳能、工业余热、洁净煤（超低排放）、核能等清洁能源，通过一个高效的能源消耗系统，包括整个供热过程，实现污染物排放的减少和能源消耗。

本文提出空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统，结合实际工程在TRNSYS平台上建立空气源热泵和燃气锅炉耦合供暖系统的瞬态计算模型。 根据青岛的气象条件和价格体系，找到了耦合供暖系统运行成本最低时的热源配置方案。充分发挥空气源热泵运行费用低污染小与燃气锅炉供热稳定的优点，对相关项目的实施具有一定的指导意义。

一、空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统

空气源热泵利用空气作为热源，基于逆卡诺循环原理，通过少量电能驱动压缩机，实现能量传递，具有成本低，操作方便，安全，清洁的优点。 它可以直接放在屋顶或室外，广泛用于中国的中小型建筑。同时，季节和温度变化对空气源热泵的性能影响较大[2]。 在低温条件下，空气源热泵产生的热量将严重衰减，这极大地限制了空气源热泵的使用[3]。因此在实际工程中，空气源热泵通常与地源热泵，太阳能，水循环热泵，燃气锅炉等结合使用。

其中燃气锅炉供暖温度有保证且易于控制调节是居民小区采暖的首选。燃气锅炉效率高，环境污染小。与燃煤锅炉相比，燃气锅炉具有绝对优势。而冷凝式燃气锅炉更因其高效节能环保的特性，近些年来受到用户追捧。

综上所述，空气源热泵供暖有着高效、节能、安全、环保等优点，但其在低温条件下表现不佳，制热效率显著降低。燃气锅炉可以补足空气源热泵在恶劣天气下的劣势，保障系统供热的稳定性。二者结不仅有效地利用了廉价的清洁能源，而且还达到了减少环境污染的目的。合理分配热源，除了使供暖系统经济有效、环境友好外还可以节能降耗，一举多得。

空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统原理图如图所示：

二、空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统优化

（一）搭建TRNSYS模拟系统

运用TRNSYS软件对空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统进行模拟，搭建耦合供热系统瞬态计算模型如图所示，

图中建筑热负荷选用青岛市某居民小区冬季供暖期DeST负荷模拟数据，其具体参数如下表所示

将建筑负荷数据通过数据读取模块Type9，导入TRNSYS中进行模拟。

末端处理设备部分选用TRNSYS中自带的空气源热泵Type275、燃气锅炉Type751、水泵模块Type3b等。根据DeST负荷模拟结果选择具体的设备型号，并根据厂家提供的样品参数修改模块数据。具体设备选型如下：

（二）控制策略

确定合理的控制策略对于空气源热泵容量的选择及其运行费用和节能效果影响极大。

根据青岛市现行的峰谷电价、燃气气价。当气源热泵的运行成本低于燃气锅炉的运行成本时，空气源热泵优先提供热量，而燃气锅炉则辅助供热。 如果空气源热泵的运行成本高于燃气锅炉，则由燃气锅炉提供热量。青岛市峰谷电价见表5，燃气气价见表6。

在此基础上，建立了运行费用平衡点的概念，即在45℃的出水温度、1kW的单位热功率下，如果空气源热泵的运行费用等于燃气锅炉的运行费用，则空气源热泵和燃气锅炉的运行费用平衡点为环境温度。

平衡点过高会导致燃气锅炉运行费用增加;平衡点过低，则需选择容量较大的空气源热泵，投资成本大幅度提高。且其长期在小负荷下运行，效率低耗能高，既不经济又不节能.在实际工程中，对设计人员来说，合理选择机组的平衡點是及其困难的事情

在TRNSYS模型中，利用控制器模块找出运行费用的平衡点。

上图反映了空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统，空气源热泵与燃气锅炉启停的时间。运行时的电费高于燃气费的时间段，即图中红线之上的部分，燃气锅炉供热，空气源热泵关闭;运行时燃气费高于电费的时段，空气源热泵供热，燃气锅炉辅助。从上图可以看出，空气源热泵运行费用高于燃气费用的时段为电价高峰，实行谷价运行峰价停机。这种运行策略可以利用峰谷电价的优势，在谷值期间增加空气源热泵的容量，在峰值期间减少空气源热泵的使用，达到降低运行成本的目的。

由上图可知，基于青岛市的气象条件和价格体系，当环境温度低于3℃时，高峰时段（8：30—11：30、16：00—21：00）空气源热泵运行费用高于燃气锅炉。当环境温度高于3℃，空气源热泵供热更加经济节能。因此在供暖期间，用电高峰时段室外环境温度低于3℃时，单独运行燃气锅炉。其他情况下，采取以空气源热泵为主，燃气锅炉为辅的供热方式。

（三）优化配比

通过比较年费用，选择最优控制模式下的最优比例。年成本按下列公式计算：

单位年的运行费用与投资年值之和为费用年值。空气源热泵的初投资费用为800元/ kW，燃气锅炉的初投资费用111.4元/kW，管理人员工资为5000元/人（月）， 3人共计18万元/ a，设备维护费取设备初投资费用的1%。运行费用由TRNSYS模拟输出。

空气源热泵占比与单位面积费用年值、单位面积投资费用、单位面积运行费用的关系如图所示。

由上图可知，随着空气源热泵承担负荷的比例增加，耦合供热系统的初投资也呈线性增加。若只考虑经济因素的话，本文所研究采暖建筑的空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统较优的热源配置方案，在空气源热泵承担设计热负荷比为60%时经济性最佳。

三、结论

本文构建了空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统，提出了这种供热系统的基本形式，阐明了在这种供热系统下的运行模式及系统控制方式，依据耦合供热系统中各热源设备的瞬态计算模型，建立了耦合供热系统的瞬态计算模型。以青岛150000m2居民小区为研究对象，通过建筑负荷模拟，得到建筑全年逐时热负荷。结合构建的空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统图，在TRNSYS平台上建立了联合供热系统的瞬态模拟仿真模型，在青岛市现行物价体系下，以系统费用年值最低为优化目标，对耦合供热系统的设备构成及配比进行了优化，得出主要结论如下：

（一）根据现有的峰谷电价与天然气价格，如果空气源热泵的运行成本高于燃气锅炉，则建议燃气锅炉工作空气源热泵停止使用;如果空气源热泵的运行成本低于燃气锅炉的运行成本，则空气源热泵供热燃气锅炉停止使用。经TRNSYS模拟可得，此种控制方式的动态平衡点存在于高峰电价时段，即空气源热泵谷价运行峰电停机。反映在室外温度上为3℃，即室外温度为3℃为临界值：室外温度高于或等于3℃，应采用空气源加热;如果室外温度低于3℃;，则使用燃气锅炉制备热水。

（二）空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统，当空气源热泵容量占比为60%时，耦合供热系统费用年值最低。

參考文献：

[1] 杜文广. 民用洁净焦炭制备和煤气组成调制关键技术研究[D].太原：太原理工大学，2017.

[2]  李楠，田昕，王皆腾，等. 北京某农村住宅空气源热泵辅助太阳能供暖系统的运行性能[J].暖通空调，2017，47（04）：136-140.

[3] 刘琴. 基于空气源热泵的毛细管辐射供暖系统特性与供暖行为模式的适应性研究[D].北京建筑大学，2018.

[4]许可. 空气源热泵地板辐射供暖系统模拟计算研究[D].大连理工大学，2014.

[5]王纪朋. 青岛地区空气源热泵联合燃气锅炉供热系统研究[D].青岛理工大学，2016.

[6]  倪龙，唐青松，李安民，等. 带辅助热源的地源热泵设计负荷比分析[J].制冷学报，2010，31（05）：18-23.

[7]  康智强，孙佳琳，孟芹，等. 沈阳地区地下水地源热泵与锅炉房联合供热的配比研究[J].暖通空调，2014，44（02）：62-64.

[8]  GB50736-2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].