空气源热泵供暖系统围护结构的蓄热研究

文_李燕 运城市生态环境局盐湖分局

本文以忻州地区40.5m2农宅作为研究对象，在峰电电价期间根据室内温度控制机组启停，在谷电电价时段控制房间温度蓄热的方式，在TRNSYS软件平台上进行模拟仿真，模拟该控制方式下的空气源热泵辐射供暖系统运行情况，为实际工程提供参考。

1 模型概述

本文中的空气源热泵供暖系统仿真模型示意图如图1所示。

图1 供暖系统示意图

1.1 建筑模型

该农宅地点位于忻州，层高2.5m，为单层居住建筑，三个房间，分别为卧室1面积13.5m2，卧室2面积12m2，客厅面积为15m2，总面积40.5m2。忻州冬季供暖计算温度-12℃，供暖日期为11月15日到次年的3月16日。维护结构的传热系数如表1所示。

表1 维护结构传热系数

该典型建筑通风换气次数为0.5次/h，南向窗墙比为0.14。地板辐射采暖表面为水泥，最下方设置隔热层，填充层为60mm混凝土。地埋管为DN20的PE管，管间距200mm。室内设计参数如表2所示。

表2 室内设计参数

房间负荷统计如表3所示。

表3 房间负荷

1.2 系统模型

根据房间面积以及建筑热负荷指标计算出建筑热负荷为2.17kW，采用空气源热泵为系统提供热量，空气源热泵选择福佳NE-40NW/BDF，水泵选择卧式多离心泵，效率0.6，扬程15m，流量1.0m3/h。缓冲水箱体积为0.3m3，高度0.6m，传热系数0.6W/m2k。设备参数如表4所示。

表4 设备详细参数

供暖系统用到的部件包括建筑模型type56、空气源热泵type941、水泵type114、缓冲水箱type158、气象数据读取器type15-2、混合阀type649、管道type31。天气文件采用忻州市典型气象年TMY2数据文件。

假设条件：①系统未考虑压力变化对水泵能效的影响；②系统未考虑机组盘管间管道散失热量；③未考虑空气源热泵除霜的机组能效影响；

2 蓄热运行策略优化

早4时至晚16时，室内温度设定为18℃，热泵机组根据室内温度启停，当室内温度低于17℃时机组开启，当室内温度高于19℃时，机组关闭。晚16时～早4时，利用楼板、墙体等蓄热体进行蓄热，蓄热室内温度设置为19℃、20℃、21℃、22℃，蓄热时长为早4时前的1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h。蓄热时段内房间设定温度为蓄热温度，蓄热温度参考DBJ/T14-014-2009《低温热水地板辐射供暖技术规程》中，人员长期停留区域适宜温度 24～26℃，一般室内温度比地板表面温度低 2～3℃。

2.1 蓄热温度及蓄热时间优化

结合忻州市现行峰谷电价，合理增加谷时段蓄热温度及蓄热时间，利用建筑维护结构进行蓄热，减轻电网压力，降低运行费用。忻州地区峰谷电价，4：00～16：00为0.51元/kWh，16：00～4：00为0.29元/kWh。

由图2可知此空气源热泵供暖系统的年运行费用随蓄热时间增加而减少。由于蓄热时段在夜间，室外空气温度相对较低，机组的制热效率较低，维护结构散热量较大，因此不建议设置过高的蓄热。本供暖系统在蓄热温度为22℃，蓄热时间为12小时时，年运行费用最低为813.29元。

图2为最优蓄热运行策略下，采暖各房间室内温度变化。其中横坐标为采暖季时间，纵坐标为卧室1、卧室2、客厅的房间温度。此运行方式下，各房间的室内温度可满足舒适性要求，各房间温度与室外温度有明显的延迟性。

图2 最优蓄热运行策略下室内各房间温度变化

2.2 月供热量对比分析

采暖季最优蓄热运行策略下与无蓄热运行策略下月供热量对比如图3所示。

图3 月供热量

最优蓄热运行策略下采暖季热负荷为3236kWh，热泵和水泵的总耗电量为2338kWh，相比无蓄热运行策略，可节省运行费用14.2%。

3 结论

本文以忻州地区40.5m2农宅为研究对象，对比分析得出，该供暖系统的最优蓄热运行策略为谷电时段蓄热12小时，蓄热温度22℃，整个采暖季供暖系统的运行费用为813.29元，每m2费用为20元，相比无蓄热运行策略，可节省运行费用14.2%。在供热量方面，最优蓄热运行策略比无蓄热运行策略每月供热量要高100kWh以上，供暖季总供热量高716kWh。相比无需热运行策略，最优蓄热运行策略充分利用了建筑围护结构传递热量的延迟性，既可以节省运行费用，又能更好的满足房间舒适性要求。