增加蓄热装置的空气源热泵-太阳能互补供暖系统优化研究

闫素英，王 群，高世杰，魏泽辉，赵晓燕，王胜捷

（内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特010051）

0 引言

与传统燃煤供暖方式相比，太阳能-热泵互补供暖系统的优越性日益凸显[1]～[3]。Kamil Kaygusuz研究了太阳能-空气源热泵的不同结合方式对系统热性能的影响[4]～[6]。Dikici A从能量平衡和平衡的角度分析了太阳能-热泵互补供暖系统，分析结果表明，系统COP可达到3.08，系统的热效率和效率可分别达到65.6 %和30.8 %[7]。Motrison G L利用TRANSYS软件分析了在3种运行时间控制方案下太阳能-热泵系统的全年制热性能[8]。Wenzhu Huang利用太阳模拟器研究了环境温度和太阳辐射强度对太阳能-热泵互补供暖系统制热性能的影响，模拟结果表明，环境温度越低，热泵COP越小[9]。由此可见，在严寒地区，热泵工作性能会受到环境温度的制约，进而导致供暖系统热性能降低，经济性也随之变差[10]，[11]。

针对上述太阳能-热泵互补供暖系统的不足，本文设计了一种新型蓄热空气源热泵，即在空气源热泵入口前加装蓄热装置，以提高空气源热泵在低温工况下的工作性能，而后利用TRNSYS仿真软件构建了太阳能-蓄热空气源热泵互补供暖系统数学模型，并以内蒙古自治区巴彦淖尔市的天气数据为基准，利用计算结果对比分析优化前后系统的热性能和经济性指标。

1 仿真模型的建立

1.1 太阳能-蓄热空气源热泵互补供暖系统

太阳能-蓄热空气源热泵互补供暖系统（以下简称为复合系统）原理如图1所示。在传统太阳能-空气源热泵互补供暖系统（以下简称为传统系统）的基础上，增加了由蓄热装置组成的复合系统，以实现提高空气源热泵入口工质温度、延长工作时间的目的。

图1 太阳能-蓄热空气源热泵互补供暖系统原理图Fig.1 Solar energy-thermal storage air source heat pump heating principle of complementarity

本文利用TRNSYS软件搭建了复合系统仿真模型。在复合系统中，蓄热水箱位于空气源热泵的入口前侧，容积为500 L，蓄热循环流量为100 kg/h，蓄热温度为30℃。复合系统通过切换供热模式实现能量调控：当太阳辐照度较高时，仅运行太阳能集热回路；当太阳辐照度较低时，在前者的基础上增加了空气源热泵进行辅助供热，用于保证系统的供热能力。

1.2 部件数学模型

1.2.1 太阳能集热器模型

式中：δ为太阳能集热器的热吸收率；Ac为太阳能集热器面积；Ic为太阳辐射强度；Ta为室外气温；Tsun为太阳核心温度；mc为太阳能集热器的传热介质流量；cp为水的比热容；Tci，Tco分别为太阳能集热器进、出口温度。

1.2.2 空气源热泵模型

空气源热泵的主要性能指标为COP（制热能效比），COP的计算式为

式中：q0为空气源热泵的制热量；N0为制冷压缩机的理论功率；Ne为制冷压缩机的轴功率；ηs为制冷压缩机的总效率。

1.2.3 储水箱模型

式中：Qs为储水箱的蓄热率；Tsm为储水箱的平均温度；Teo为蒸发器的出口温度；mg为采暖介质的质量流量；Th为采暖回水温度；Fc，Fr，Fp2分别为太阳能集热器、空气源热泵、水泵的控制函数，工作时函数值均为1，不工作时函数值均为0。

Qs的计算式为

式中：ms为储水箱中水的质量；t为时间。

1.3 模型验证

为了验证仿真模型的可靠性，本文将仿真结果与相似实验的数据进行对比。饶义本以南京某一住宅建筑作为研究对象，进行了与能耗相关的实验[13]。本文将文献[13]中的建筑、气象、部件等载入传统系统的仿真模型，采用与文献[13]相同的参数设置，模拟计算仿真模型的能耗值，并与文献[13]中的实验值进行对比验证。

本文仿真模型的能耗值与文献[13]的实验值如图2所示。

图2 系统能耗的仿真值和实验值Fig.2 System energy consumption value and experimental value

由图2可知：在供暖期内，仿真模型的能耗值为3 189 kW·h，比实验值减小了291 kW·h，降低了8.36 %；2月仿真模型的能耗值为692.1 kW·h，比实验值减小了73.4 kW·h，降低了9.59 %；典型日（1月26日），仿真模型的能耗值为54.3 kW·h，比实验值减小了5.4 kW·h，降低了9.05 %。

焦浩以乌鲁木齐太阳能低温地板辐射供暖系统作为研究对象，在2014年11月1日-2015年3月31日进行了太阳能保证率的实验测试[14]。本文将文献[14]中的建筑、气象、部件等载入传统系统的仿真模型，并设置相同的参数，以计算仿真模型的能耗值和太阳能有用得热量，并与文献[14]中的实验值进行对比分析。供暖期内各月仿真模型的能耗和太阳能有用得热量与实验值如图3所示。

由图3可知：仿真模型的平均能耗值比实验值减小了14.92 kW·h，降低了2.14 %；仿真模型的太阳能有用得热量的平均值比实验值减小了13.48kW·h，降低了3.05 %。

图3 供暖期内各月系统的能耗和太阳能有用得热量的模拟值与实验值Fig.3 The energy consumption and the useful solar energy of the simulationmodel and the experimental value during the heating period

本文将月均环境温度和太阳能保证率的模拟值与文献[14]中的实验值进行对比验证。供暖期内各月环境温度和太阳能保证率的模拟值与实验值如图4所示。

图4 供暖期内各月环境温度和太阳能保证率的模拟值与实验值Fig.4 Simulated and experimental values of the ambient temperatureand solarguarantee rate during theheating period

由图4可知：在供暖期内，太阳能保证率模拟值的平均值比实验值减小了0.72%，平均误差为1.12%；在12月份，太阳能保证率的模拟值比实验值增大了4%，此时误差最大，为6.2%。由图3，4可知：3，11月和12月，平均环境温度的模拟值高于实验值，此时仿真模型的能耗值和太阳能有用得热量均小于实验值；其他月份，仿真模型的能耗值和太阳能有用得热量均大于实验值；在供暖期内，各指标平均误差的最大值为3.05%，单月最大误差为9.95%，这说明本文仿真模型的模拟结果具有可靠性。

2 蓄热装置对系统性能的影响

2.1 性能指标

2.1.1 系统综合性能

系统综合性能评价指标主要包括系统能耗、太阳能保证率和费用年值。太阳能保证率的定义为在太阳能集热系统中，来自太阳辐射的有用得热量与供暖系统所需热负荷之比。费用年值是将项目投资支出换算成为一个等值的年成本均匀序列的数额，同时加上年度成本。该方法用来评价项目投资经济效果，费用年值的计算式为

式中：AC为费用年值，万元；PC为费用现值，万元；（A/P，i，n）为资本回收系数，其中A为AC×104，元；P为PC×104，元；n为计算年；i为折现率。

PC的计算式为

式中：Q为系统的初投资；CO为每年现金流出量；（P/A，i，n）为现值系数。

此外，将系统费用年值与太阳能保证率的比值ACSF定义为新的评价指标，则ACSF的计算式为

式中：Exq为2种系统的；Exdpi为2种系统中循环泵消耗的代价；n为2种系统中循环泵的数量；Exdr为2种系统中空气源热泵消耗的代价；ExdD为2种系统中的电加热装置消耗的代价。

2.2 各部件热性能分析

2.2.1 热泵制热量与COP

供暖期内各月传统系统和复合系统中空气源热泵的制热量和COP如图5所示。由图4，5可知：2种系统中空气源热泵COP的变化趋势与环境温度相同，环境温度越低，空气源热泵的COP也越低；2种系统中空气源热泵制热量的变化趋势与环境温度均相反，这是由于环境温度越低，系统的热负荷越大，由空气源热泵提供的辅助供热量则越大，因此，空气源热泵制热量越大。

图5 供暖期内各月传统系统和复合系统中空气源热泵的制热量和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

由图5还可以看出：在供暖期内，复合系统中空气源热泵COP的平均值为3.52，传统系统中空气源热泵COP的平均值为2.61，复合系统中空气源热泵COP显著高于传统系统；在12月和1月环境温度较低、系统热负荷较大时，复合系统热性能的优势尤其显著；10月，2种系统中空气源热泵COP高于供暖期其它月份，这是由于10月的环境温度较高，空气源热泵入口处空气温度也较高，导致蓄热水箱温度较高，因此蓄热水箱对空气源热泵入口处空气的预热效果较好，从而导致空气源热泵COP较高；此外，10月系统的热负荷较低，此时空气源热泵的制热量较低。

供暖期内各月传统系统和复合系统中太阳能集热器、空气源热泵和蓄热水箱的效率见图6。

图6 供暖期内各月传统系统和复合系统中太阳能集热器、空气源热泵和蓄热水箱的效率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

图7 供暖期内各月复合系统和传统系统中太阳能集热器的获得火用Fig.7 The obtain exergy of solar collectors in the heat storage system and the traditional system during the heating period

由图7可知，在供暖期内各月，复合系统中的太阳能集热器获得火用高于传统系统。在热负荷较大的12月和1月，复合系统中的太阳能集热器获得火用比传统系统分别增大了3.45 ×105 kJ和3.70 ×105kJ，提升效果最为显著。

2.3 系统性能分析

2.3.1 太阳能保证率、系统能耗与费用年值

复合系统和传统系统在运行过程中的太阳能保证率和系统能耗如图8所示。

由图8可知，供暖期内太阳辐照度低于非供暖期，2个系统的热负荷增大，导致空气源热泵的制热量增大，因此，2个系统的太阳能保证率降低，2个系统能耗相对增加。复合系统的能耗值在供暖期各月均较低，与传统系统相比，复合系统的热性能具有明显优势。

图8 复合系统和传统系统在运行过程中的太阳能保证率和系统能耗Fig.8 Solar energy guarantee rate and system energy consumption during operation of thermal storage system and traditional system

根据式（5），（6），可计算得出系统的费用年值，再结合太阳能保证率即可得到系统的ACSF。在空气源热泵前增加蓄热装置后，系统的ACSF由188元减小至184.7 元。

图9 供暖期内各月传统系统和复合系统的代价效率Fig.9 The costof exergy efficiency of traditional system and heat storage system during heating period

3 结论

本文运用TRNSYS软件对传统系统和复合系统的相关参数和性能指标进行模拟计算，通过在空气源热泵入口前端增设蓄热装置，改善了空气源热泵在低温工况下的工作性能。与未增设蓄热装置的供暖系统相比，增设蓄热装置后空气源热泵COP增大了0.88 ，火用效率增大了4.63 %，系统的代价火用效率增大了3.24%，系统的ACSF值减小了3.3 元。由此可见，在空气源热泵前增设蓄热装置有利于提高太阳能-空气源热泵互补供暖系统的热性能和经济性。

此外，由于部分参数的改善效果不佳，因此，对多能互补供暖系统热性能进行优化仍存在一定空间，即可以通过提高太阳能集热器面积和蓄热水箱容积，降低空气源热泵制热量，同时合理匹配、调节系统运行参数，进一步提高太阳能-蓄热空气源热泵互补供暖系统的制热性能。