太阳能-热泵互补供暖系统负荷-运行协同调控与优化

闫素英,潘文丽,高世杰,王 群,赵晓燕,王胜捷,马 瑞

（1.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区可再生能源重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

近年来，随着供暖用能在建筑能耗中占比的上升以及日益严重的环境污染问题，太阳能辅助热泵（SAHP）技术兴起[1]，太阳能集热器与地源、光伏、空气源热泵等的结合，均在满足供热负荷的前提下减少了常规能源的消耗[2]。其中，太阳能-空气源热泵供热系统可以同时提高集热效率和热泵供热性能[3]。为进一步提高互补供暖系统应对复杂工况的能力，许多研究者对影响系统供热性能的诸多因素进行了分析[4]。刘娅玲[5]提出了一种双源复合热泵供热系统，将直膨式太阳能蒸发器与空气源管翅式换热器并联，使得太阳能和空气能互补作为热泵系统的低温热源用于室内供暖。Guodong Qiu[6]利用仿真模拟的方法针对太阳能-空气源热泵系统的特性和最佳工作条件范围进行分析研究，并提出了I-T图作为划分最佳工作条件范围的参考图，分析了不同因素对I-T图分界线的影响。太阳能集热器运行性能不仅受到环境温度，太阳辐照强度的直接影响[7]，在沙尘地区也会受到积尘对热性能的影响[8]。此外，基于用水负荷对蓄热热泵的控制措施也得到了研究[9]。在严寒地区为满足建筑供热负荷，对供暖系统的运行及控制要求更高，为太阳能-热泵互补供暖系统的优化提出了新的挑战。

在太阳能-热泵互补供暖系统运行初期，由于部件参数匹配性差，会导致初期投入大、系统运行能耗高、运行策略不当以及导致稳定性差等问题[10]。本文在上述研究的基础上利用TRANSYS搭建太阳能-空气源热泵系统仿真模型，以供暖期内巴彦淖尔市气象参数和建筑热负荷为依据选取典型日，对太阳能集热器与空气源热泵采用协同控制策略进行优化，并依据辐照和环境温度的变化对供暖期系统运行策略进行调节，提高了系统在严寒地区供暖系统的供热能力。

1 太阳能-热泵互补供暖模型

1.1 互补供暖仿真系统

本文基于TRNSYS软件选择合适模块搭建了多能源互补供暖仿真系统，并利用METEONORM软件产生内蒙古自治区巴彦淖尔地区全年实时环境气象数据，传入TRNSYS中的气象参数组件中，通过建筑负荷计算模型对供暖期建筑物的供暖负荷进行计算。该系统日均热水用量为1 t/d，围护结构参数设置中，建筑供暖面积300 m2，窗墙比为4∶1，墙体与屋顶、地面及双层玻璃窗换热系数符合《公共建筑节能设计标准》，即墙体、屋面、玻璃窗的单位面积换热系数依次为0.45，0.35，2.5W/（m2·K）。冬季室温设计为18℃。系统的经济性以及有用得热量、热效率、火用效率等热力学性能指标受部件参数的直接影响，该系统分别用费用年值、集热效率、热泵制热能效比、水箱热损以及系统代价火用效率等经济性和热性能指标进行优化，得到最佳的集热器面积为140m2、热泵功率8 kW、水箱容积为11.2m3。蓄热容积是在热泵前增设的蓄热水箱容积，容量为1m3，蓄热水箱主要用于对热泵进行预热。蓄热循环流量为200 L/h，蓄热温度为30℃。根据巴彦淖尔市实际供暖期，设定每年10月15日-次年4月15日为供暖时间，共183 d，夏季不提供集体制冷。

图1为太阳能-热泵互补供暖系统模型。

图1 太阳能-热泵互补供暖原理图Fig.1 Principle of solar energy-heating pump complementary

在不同的气象参数下，本系统可以通过供热模式的主动切换实现能量调控：辐照度高时可充分利用太阳能的集热量，集热回路单独运行；辐照度较低时增加空气源热泵进行辅助供热，保证系统的供热能力，在空气源热泵前增加蓄热水箱可以提高热泵入口工质温度，延长热泵工作时间。

费用年值法[11]是在工程项目实施中使用较多的一种方法，指通过资金等值换算，将项目的费用现值分摊到寿命期内各年的等额年值，是对项目进度和费用进行综合控制的一种有效方法，其表达式为

式中：PC为费用现值，万元；Q为系统初投资，万元；CO为每年现金流出量，万元；n为计算年；i为折现率，取5%；（P/A，i，n）为现值系数，其中P为现值PC（万元），A为费用年值AC×104（万元）；

其中安装费取设备总价的15%，系统使用寿命为15 a，每年设备维护费取系统总初投资（设备与安装费之和）的1%，管理及杂费取5 000元/a，主要单价参考：真空管太阳能集热器600元/m2；空气源热泵3 000元/kW，水箱1 000元/m3。经计算，系统的费用年值为10 512.8元。

1.2 平板集热器模型

集热器效率ηc是指集热器的有用能量输出与入射到集热器采光面上的太阳能辐射能量之比，表达式为

式中：ρw为集热器工质密度，kg/m3；cpw为集热器工质定压比热容，kJ/（kg·K）；qv为质量流量，kg/h；ti，to分别为集热器工质进出口温度，K；Ac为集热器采光面积，m2；Ic为倾斜表面总太阳辐射量，kJ/（m2·h）。

1.3 空气源热泵模型

热泵模块为TRNSYS内嵌模块。热泵的主要性能指标为COP（制热能效比），制热能效比为制热量与消耗功率之比，表达式为

式中：Qa为空气源热泵制热量，W；Pa为空气源热泵功率，W。

2 模型验证与典型工况选择

2.1 模型验证

饶义本[12]以南京某一住宅建筑为研究对象进行了相关能耗测试，整个供暖期（共121 d）实际能耗为3 480 kW·h，选取典型日为1月26日，典型日能耗实测值59.7 kW·h。

图2为相同参数设置下能耗验证结果。

图2 能耗验证结果Fig.2 Energy verification results

为验证模型的可靠性，将其建筑、气象、部件等载入本文所建立的模型，采用与文献相同的参数设置，集热器面积为48.52m2，蓄热水箱体积为2.75m3，空气源热泵前无蓄热环节。从图2可以看出，仿真系统能耗稍低于实验值，供暖期间系统的总耗电量为3 189 kW·h，比文献值低73.4 kW·h，误差为8.36%；2月的能耗误差9.59%；典型日1月26日能耗模拟值为54.3 kW·h，比文献值低5.4 kW·h，误差为9.05%。

焦浩[13]以乌鲁木齐太阳能低温地板辐射供暖系统为研究对象，在2014年11月1日-2015年3月31日进行了太阳能保证率的试验测试。本文选取文献[14]试验期间相同初始条件进行仿真，图3为系统能耗与有用得热量仿真与文献试验值对比。

图3 能耗与有用得热量验证Fig.3 Energy consumption and useful heat verification

由图3可以看出，整个供暖季内模拟能耗值比实验值低14.92 kW·h，误差为2.14%。模拟太阳能有用得热比实验值低13.48 kW·h，误差为3.05%，12月份模拟能耗量比实验值低16.33 kW·h，此时误差最大，为8.72%。3月份模拟太阳能有用得热量比实验值低10.56 kW·h，此时误差最大为8.2%。

图4为月均环境温度及太阳能保证率验证。运行周期内模拟太阳能保证率比实验值低0.72%，误差为1.12%。12月模拟能耗量比实验值高4%，误差为6.2%。产生误差是由于实验与模拟的气象数据有误差，月均环境温度相对较高时太阳能得热量提高，供暖负荷降低，月均环境温度相对较低时则相反。将模拟值与文献实验所得数据相比，运行周期内最大误差为3.05%，单月最大误差为8.72%，验证了互补系统模型的可靠性。

图4 月均环境温度及保证率验证Fig.4 Monthly average ambient temperature and fraction verification

2.2 供暖期工况选择

图5为一年内建筑热负荷的变化规律。

图5 建筑热负荷Fig.5 Building heat load

365 d共计8 760 h，以1月1日0时为模拟时间起点（第0 h），12月31日24点为模拟时间的结束（第8 760 h），进行建筑负荷的模拟计算，供暖期为10月15日-次年4月15日，办公建筑供暖室内温度需求为不低于18℃。

建筑物在第297 h（1月13日）时热负荷达到最大值，为38 kW，整个冬季建筑热负荷变化趋势明显，在供暖初期和末期，由于室外气温较高，所以供热负荷较小，互补系统只提供少量的热。在供暖中期，热负荷相对稳定，平均热负荷均为16 kW，并且持续时间较长，此时期内须提供大量的热负荷。

巴彦淖尔地区供暖期为10月15日-4月15日，图6为供暖期内的气象参数与建筑负荷随时间变化趋势。供暖期气象参数随时间变化显著，须对多个典型日进行选取代表供暖期系统不同的运行状态。将183 d供暖期时长分成6个供热时段，将环境温度、太阳辐照强度、热负荷3项数据进行z-score类型标准化，即新数据=（原数据-均值）/标准差，标准化后的变量值围绕0值上下波动，小于0说明低于平均水平[15]。取6个时段中和值的最小值对应的结果作为所需该供热时段最接近月均值的工况值作为该时段的典型日，各供热时段的结果参数如表1所示，其中平均太阳辐照强度以8 h日照时间进行计算。

图6 供暖期气象参数与建筑负荷Fig.6Meteorological parameters and building load in the heating season

表1 供热时段气象与负荷参数Table 1 Meteorological and load parameters during heating period

3 系统运行特性及调节策略分析

3.1 典型日室温及影响因素分析

图7为调节前典型日的温度参数。办公建筑的冬季采暖标准为18℃，可以发现典型日中有3天出现室温不满足要求的情况，其中12月23日和1月15日最低温度出现在9：00，分别为16.8℃和13.8℃。

图7 室内与环境温度Fig.7 Indoor and outdoor temperature

由图7可知，环境温度降低使得空气源热泵能效下降，因此需要直接对热泵前的蓄热温度进行调节，在低温工况下通过提高蓄热温度，延长热泵运行时间从而增加热泵制热量。同时，辐照强度较低时会减少集热器得热量，故需要对集热器流量进行调节以充分利用太阳辐射能，协同调控系统热量；以满足室内温度不低于18℃。

3.2 系统协同控制策略分析

3.2.1集热器流量调节

太阳能集热系统采用平板集热器，模型为理论集热器（Type73）。通过监测太阳能集热器出口和集热水箱底部水温的温差△T控制太阳能循环泵的启停，当△T＞8℃时循环泵开启，△T＜2℃时关闭。供热中期负荷较大，但辐射量较低，故在温差控制中引入光电控制，通过读取辐照信号，在辐照度较低时降低系统流量，从而达到提高集热器出口温度的目的。12月主要时段辐照在400W/m2左右，故辐照度大于400W/m2调节循环泵流量为1 000 kg/h，辐照度低于400W/m2调节循环泵流量为500 kg/h，进而提高集热器出口温度。图8为典型日1月15日集热器流量与效率随时间变化关系。可以发现集热器在流量为1 000 kg/h，太阳辐照低于200W/m2时停止运行，造成了得热损失。调节集热器流量为500 kg/h时，此时太阳能集热器在低辐照强度下集热效率最高为57%。

图8 典型日集热效率Fig.8 Typical day collecting efficiency

3.2.2热泵运行时间调节

增加水箱可以提高热泵蓄热温度，延长热泵工作时间，提高能效比。当环境温度低于-10℃时，启用水箱蓄热，随着环境温度的降低与蓄热温度的升高，热泵工作时长逐渐增加，当环境温度低于-15℃且蓄热温度达到40℃时，热泵工作时长达到23 h，可以满足类似气候工况的供热需求。图9为供暖期典型日热泵工作时长。

图9 典型日热泵工作时长Fig.9 Typical day heat pump working hours

由图9可以看出：热泵工作时长随环境温度下降而上升，11-12月，由于太阳辐照度的降低而出现明显上升趋势；相同供热负荷下，蓄热温度随热泵工作时长增加而增加，蓄热温度从30℃增加至40℃时，热泵工作时长增加了4 h，环境温度降低，热泵工作时间增加。

图10为典型日（1月15日）调节前后热泵蓄热温度。由于未出现环境温度低于预设调节温度（-10℃）的工况，供暖初期、末期及其与供暖中期的过渡时段调节前后蓄热量变化不大，故仅针对供暖中期寒冷日进行分析。典型日全天环境温度低于-10℃，调节前蓄热温度在30℃左右，蓄热量调节后温升显著，除5：00-9：00以外，蓄热温度均达到40℃；5：00-10：00出现的波动是夜间集热器停止热补充导致负荷逐渐增加造成的。

图10 典型日调节前后热泵蓄热温度Fig.10 Heat pump storage temperature before and after typical day adjustment

3.3 系统运行调节及效果分析

3.3.1调节前后室温变化

图11为调节前后供暖期室温的变化。

图11 典型日调节前后室温Fig.11 Typical day temperature before and after adjustment

辐照度随时间先降低后升高，供暖中期室温从调节前16.81℃提升至18.52℃，对集热器流量和热泵运行时间进行调节后，该阶段最低室温提升至18.94℃。供暖末期调节前最低室温为18.60℃，已满足供暖需求，不需调节。

3.3.2调节前后集热器性能分析

典型日调节前后集热器性能如图12所示。供暖初期与末期平均环境温度均满足供暖需求，由于太阳能提供供暖所需全部热量、流量降低，有用得热量减少，故调节后两时间段的集热效率分别降低至16.5%，6.7%。寒冷日调节后的集热效率提升至53.5%，此时段负荷较大，降低集热器流量后得热量等参数有所提升，适宜采用流量调节方式。在对供暖中期进行集热器流量和热泵运行时间调节后，集热器日均有用得热量由5.08×105kJ提升至5.72×105kJ，集热效率提高了5.9%。

图12 典型日调节前后集热性能Fig.12 Collective heat performance before and after typical day adjustment

3.3.3调节前后热泵性能分析

图13为在气候严寒、太阳辐照度低的条件下调节前后热泵性能参数。

图13 寒冷日调节前后热泵性能Fig.13 Heat pump performance before and after cold day adjustment

调节后热泵运行时间增加，制热量增加，热泵机组COP随环境温度提高而升高。蓄热温度由30℃提升至40℃，COP随蓄热温度提高到2.8以上；5：00-10：00的蓄热温度波动造成COP短时间下降，随后升高到3.0。相比无蓄热的热泵系统，蓄热-热泵系统能耗降低约1.33×106kJ，系统性能得到提升。

3.3.4能量协同调控分析

图14为严寒气候条件下供暖中期协同调控前后能量分析。蓄热-热泵工作时间延长，供热量增加，太阳能集热器在9：00-17：00吸收热量，协同工作时间延长至5 h，解决了环境温度低于-10℃时室温不满足的问题。图15为调节前后热负荷及能耗对比，随着负荷增加，系统能耗增加，在两个寒冷月内分别达到最大值1.37×108，1.50×108kJ，并随着负荷减小而降低；对于整个供暖期，调节前后能耗变化趋势与全年结果相同，能耗量提高2.8×107kJ，满足了供暖期热负荷。

图14 典型日能量调控分析Fig.14 Typical day energy regulation analysis

图15 供热负荷及能耗对比Fig.15 Comparison of heating load and energy consumption

4 结论

本文基于巴彦淖尔市寒冷的气象条件，利用TRNSYS建立了太阳能-热泵互补供暖系统仿真模型，对供热系统控制策略进行调节优化，通过本次能耗分析得到主要结论如下。

①太阳能集热器与热泵协同控制的供暖形式，能够实现多能互补供暖系统在高热负荷条件下全天连续运行，在满足用户供热水需求的前提下解决了室温不足的问题。

②供暖初期及末期不须对集热器流量及热泵工作时间进行调节；过渡月时单独采用集热器流量调节；供暖中期同时采用集热器流量与热泵运行时间调节。

③蓄热水箱可以提高寒冷季节热泵机组的COP值，当环境温度出现低于-10℃的情况时，蓄热温度由30℃提高至40℃，COP随蓄热温度提高到2.8以上。

④用于供暖系统运行策略优化的协同控制方式在有限的初期预算条件下可为高海拔、寒冷低湿环境下多能互补供暖系统的运行提供可行方案。