基于TRNSYS 太阳能空气源热泵供暖系统模拟研究

秦永星 李鹏超 陈景 杨超凡 陈九法

1 中铁十二局集团建筑安装工程有限公司

2 成都基准方中建筑设计有限公司

3 东南大学能源与环境学院

0 引言

因太阳能储量巨大，利用太阳能进行建筑采暖的技术被广泛应用。但由于太阳能本身的间断性和不稳定性，使得太阳能供暖系统的应用受到局限，而采用空气源热泵作为太阳能供暖系统辅助能源的复合系统可以较好的解决这一问题。20 世纪50 年代初Jordan和Threlkeld[1]，最早提出了将太阳能与热泵复合供暖的想法，得出太阳能复合系统可以同时提高太阳能集热器效率和热泵的供热性能，具有显著的节能效果。Freeman T L[2]等人，采用TRNSYS 软件模拟分析并联式，串联式和混合式三种太阳能热泵系统运行效果，得出并联式太阳能与空气源热泵复合系统性能更优异。Hawlade[3]等人研究了新加坡地区太阳能热泵系统的应用效果，测试结果显示，水箱中水温为30～50 ℃时，集热效率在40%～75%范围内，热泵制冷系数在4～9 范围内。并得出集热器的集热面积，压缩机的转速和太阳辐射强度是影响系统性能的关键因素。胡伟[4]等人研究了压缩机选取对并联式太阳能热泵热水系统的影响，得出一定环境温度下，不同的压缩机影响热泵COP 进而导致集热器效率不同，因此需要根据系统选择压缩机的类型。

本研究以南京地区某别墅型建筑项目为研究对象，针对太阳能热水与空气源热泵供暖系统的设计配置进行研究，利用TRNSYS 软件模拟集热水箱体积与集热面积比值对系统集热效果、空气源热泵供热量等方面的影响。

1 系统原理

太阳能空气源热泵供暖系统主要由太阳能集热循环系统，空气源热泵循环系统，储热水箱，供暖末端，阀门附件及水泵等组成。原理图如图1 所示：

图1 太阳能空气源热泵供暖系统原理图

在太阳能集热循环系统中，水箱下部的冷水通过循环泵流至集热器中加热，产生的热水循环至蓄热水箱上部，供当天辐射末端供暖使用，以此循环。系统以空气源热泵作为辅助热源，在白天太阳辐照不好或在夜间太阳辐射量不足时，蓄热水箱内水温达不到设定的供水温度，空气源热泵启动，加热蓄热水箱内的水，使水温度升高达到供暖所需热水温度。

太阳能空气源热泵供暖系统根据太阳辐射强度分为三种运行模式：①太阳能集热系统单独运行模式。即当太阳辐射充足的情况下，单独运行太阳能集热系统。②空气源热泵辅助太阳能集热系统加热热水的运行模式，且优先运行太阳能集热系统。③空气源热泵单独运行模式。即当太阳能辐射强度不能满足建筑采暖需要的情况，单独运行空气源热泵加热蓄水箱中的水。本研究中采用温差控制方法，实现不同运行模式的切换。即通过检测集热器的出水水温和蓄热水箱底部水温的温差来控制集热系统循环泵的启停。当出水温度与蓄热水箱底部水温的温差大于5 ℃时，开始启动集热系统循环泵，蓄热水箱底部的水不断经过集热器加热，产生的水压将集热器内的热水送到蓄热水箱的上部。当检测到温差小于2 ℃时，集热系统循环泵停止运行。在太阳能集热系统停止工作之后，同时检测到水箱上层的水温低于设定的最低蓄热温度32 ℃时，开启空气源热泵热水系统。

2 系统建模

2.1 平板集热器模型

2.1.1 集热效率

集热效率计算公式如下：

式中：η 为平板集热器的集热效率，%；(ατ)为平板集热器吸热比和透射比的有效乘积；UL为集热器总损失系数，W/ (m2℃)；I 为倾斜面太阳能辐射量，W/m2；tf,I为集热器进水温度，℃；a 为环境温度，℃。

2.1.2 集热面积

太阳能集热器面积的计算是太阳能供暖系统设计的关键，关乎到系统的集热效果及初投资成本。集热面积的设计依据冬季特征月的太阳辐射强度和建筑的采暖负荷[5]。

式中：Qa为建筑典型日供暖负荷，W；Ac为太阳能集热系统的集热面积，m2；IT为集热器倾斜面上的平均太阳辐射量，J/m2；f 为太阳能保证率；ηcd为供暖期平均集热效率；ηL为管道和蓄热水箱热损失系数。

以南京地区为例，模拟得到1 月份的日平均太阳辐射量为10.75 MJ/m2，以典型日热负荷指标34.66 W/m2，计算可得全天建筑能耗为1005.4 MJ，平均日照时间为5 h。根据供暖末端水温需要，设定集热温度范围为35～65 ℃，以每隔5 ℃计算一集热面积，结果如表1：

表1 集热效率和集热面积计算结果

2.2 蓄热水箱模型

蓄热水箱主要用于调整一天的热量平衡，在阴雨天时采用空气源热泵辅助供暖。其容积设计模型有如下公式：

式中：Vw为蓄热水箱体积，m3；tw为蓄热温度，℃；tg为供热温度，℃；Quo为太阳能集热器的日有效集热量，J/d；Qr为建筑逐时热负荷，W；ηcd为太阳能集热器的日均集热效率。

根据集热温度及7 组集热面积确定对应的蓄热水箱容积，结果如表2：

表2 集热面积和蓄热水箱容积计算结果

2.3 集热面积与蓄热容积配比

在太阳能空气源热泵供暖系统设计过程中，主要考虑的因素有系统投资，系统运行的稳定性和高效性等，集热面积与蓄热容积的配比关乎到系统的集热效果、初投资成本。系统的蓄热水箱容积与集热面积的配比，定义为VAR。根据以上7 组集热面积及对应的蓄热水箱容积，得出7 组VAR，分别为0.235 m，0.115 m，0.073 m，0.053 m，0.041 m，0.033 m 和0.027 m。

2.4 TRNSYS 仿真模型

利用TRNSYS 软件对太阳能空气源热泵供暖系统进行建模。软件中调用主要模块有：典型气象年数据资料TYPE109、平板集热器TYPE1b、水泵TYPE3b、蓄热水箱TYPE4b、多区域建筑模型TYPE5（建筑全年逐时能耗的设置是在多区域建筑模型TYPE56 中）、空气源热泵TYPE665-3、换热器TYPE5b、方程编辑器Equa、在线绘图仪TYPE65、控制器TYPE2b 等。本文模拟的太阳能复合系统在TRNSYS 平台上的连接方式如图2 所示。

图2 复合供暖系统TRNSYS 建模示意图

3 结果与分析

3.1 集热效率与有效集热量

利用TRNSYS 软件模拟蓄热水箱体积与集热器面积比VAR 在0.027～0.235 m 内变动时，供暖期各月太阳能集热系统有效集热量和集热效率变化，结果如图3～9。

图3 VAR=0.235 m 时各月平均集热效率和日平均有效集热量

图4 VAR=0.115 m 时各月平均集热效率和日平均有效集热量

图5 VAR=0.073 m 时各月平均集热效率和日平均有效集热量

图6 VAR=0.053 m 时各月平均集热效率和日平均有效集热量

图7 VAR=0.041 m 时各月平均集热效率和日平均有效集热量

图8 VAR=0.033 m 时各月平均集热效率和日平均有效集热量

图9 VAR=0.027 m 时各月平均集热效率和日平均有效集热量

从各组模拟结果均可以看出，供暖期11 月份和3月份的太阳能集热器的平均效率和日平均有效集热量较大，12 月份到2 月份的较低。太阳辐射强度增大和室外温度升高，集热器的集热效率和有效集热量也有所增大。从七组模拟结果对比可以看出，随着VAR的减小集热器的平均集热效率和有效集热量有所减小，且随着VAR 的减小集热效率降低的幅度也有所增大。太阳能集热器有效集热量随着集热器集热效率的减小而减小。供暖期平均集热效率在0.3726～0.4875之间，日平均有效集热量在278.9960～295.5058 MJ。

3.2 空气源热泵供热量模拟

辅助热源空气源热泵的供热量为供暖当天建筑逐时能耗减去太阳能集热系统当天的有效集热量供暖期建筑逐时能耗。通过方程编辑器Equa，编辑热泵系统供热量。将VAR 分别为0.235、0.115、0.073、0.053、0.041、0.033 和0.027 m 时空气源热泵的供热量（MJ）汇总如表3：

表3 供暖期各月热泵供热量汇总表

从表3 中各月的热泵供热量纵向变化趋势可以看出，随着VAR 的减小，空气源热泵供热量有所增加。从表中横向变化趋势可以看出，空气源热泵的供热量在11 月份和3 月份较少，1 月份最大。

4 结论

本文对太阳能空气源热泵供暖系统进行了模拟研究，分析不同蓄热水箱体积与集热面积配置（VAR）下的集热效率和有效集热量以及空气源热泵的供热量情况。得到以下结论：

1）针对35～65 ℃范围内的蓄热温度，理论计算出7组典型设计参数，以蓄热水箱体积与集热面积的比值（VAR）表 示分别为0.235 m，0.115 m，0.073 m，0.053 m，0.041 m，0.033 m 和0.027 m。

2）VAR 在0.027～0.235 m 范围内变化时，供暖期平均集热效率在0.3726～0.4875 之间，日平均有效集热量在278.9960～295.5058 MJ 之间。随着VAR 的减小集热器的平均集热效率和有效集热量有所减小，且随着VAR 的减小集热效率降低的幅度也有所增大。

3）热泵供热量随着VAR 的减小，空气源热泵供热量有所增加。且空气源热泵的供热量在11 月份和3月份较少，1 月份最大。