太阳能辅助空气源热泵系统的TRNSYS 动态模拟

王满鹏

摘要：太阳能具有绿色无污染、可持续性强的特性，因此，太阳能在建筑供暖中的应用受到了工程技术人员普遍的关注。笔者选取兰州地区典型年气象资料，利用数值分析软件 TRNSYS 对一房屋开展了太阳能辅助空气源热泵供暖系统的动态模拟及辐射采暖系统的优化，研究了整个供暖时段房屋的太阳能辐射状况、集热保证率、空气源热泵集热效率。得出供暖时段房屋热负荷与其它因素之间的相互影响情况，确定了住宅太阳能辅助空气源热泵供暖系统的最优参数。研究成果为我国西部地区太阳能资源在建筑供暖系统中的应用提供参考。

关键词：太阳能;空气源热泵;热负荷;室内温度

中图分类号：TK51文献标志码：A

0 引言

能源是促进社会进步的关键，而且为人民生活水平的提高保驾护航。我国虽地大物博，但人均资源占有量低，是名副其实的“能源劣势国”。随着经济持续增长，居民对舒适度和居住面积的要求不断提高，能源使用现状与建筑能耗不协调之间的矛盾逐步加剧。在社会发展、能源及环境保护的多向需求下，利用新能源代替常规高污染能源是现代建筑的主要趋向。我国西部地区太阳能资源丰富，市场需求巨大，但缺乏能够实现与建筑一体化的太阳能产品，因而太阳能的推广应用不够理想，特别是太阳能辅助空气源热泵的应用处于探索阶段[1]。

20世纪50年代，国外学者首先对空气源热泵开展了研究，发现太阳能热泵相比其他太阳能设施优越性更明显，从而首创性提出了太阳能热泵综合系统，该系统大大提高了集热器和热泵的效率[ 2] 。Anderson 等[3]基于热负荷原理构建了一套较高效率的太阳能热泵体系。我国开展太阳能热泵系统的研究比发达国家迟，赵军等[4]通过理论分析和现场试验，研發的太阳能集热系统在全年各个时段能供应热水满足居民的日常生活。李舒宏等[5]针对不同室内环境的空气源热泵供水温度变化情况开展了探讨。李海林等[6]提出了太阳能空气源热泵供热系统的设计方案，并以兰州地区某办公楼为对象，利用 TRNSYS 软件进行了组态和运行状况的数值模拟及性能分析。魏毅立等[7]按照能源逐级利用原则，设计了太阳能-空气源热泵供暖体系，改善了太阳能供暖系统供暖质量低的问题。

欧美学者对建筑节能进行了广泛研究，在节能技术、经济性方面积累了丰富的成果，借鉴欧美的成功经验提出适合兰州地区气象条件和经济发展水平的建筑节能技术非常必要。兰州地区太阳能资源丰富，但是相关研究较少。笔者对兰州市安装有太阳能辅助空气源热泵的一房屋利用 TRNSYS 数值软件开展了供暖系统的计算，所得结果为太阳能资源的利用提供借鉴。

1 住宅系统的TRNSYS模拟

1.1 住宅系统模型及气象资料

模拟房屋分区如图1 所示，气象资料选取兰州地区典型年冬冷月气象资料，时间为1 月1 日～31日。

1.2 模拟结果分析

空气源热泵与太阳能组合是一种新型供暖方式，利用兰州地区丰富的太阳能资源，有效降低化学能源消耗;且集热系统易于操作、便于维修。利用TRNSYS软件对模拟房屋不采暖时的温度进行探讨，得到主要实验房的温度变化情况，如图2所示。

由图2知，四个主要实验房间室内温度都维持在—6.53℃～14.64℃，但是每个房间温度有较大的差别。其中温度最低的是201房间，温度最高的是202房间，结合图1中房间的具体布置位置情况，可以发现温度的不同和房间朝向、外围护墙体数量、房间面积等有关。同时可以发现房间内的最低温度要高于室外温度，这也证明了良好的围护结构能够提升室内温度。

图3给出了104房间和202房间在最低大气温度季节中室内温度和室外温度的变化情况（Tamb曲线代表室外温度的变化）。结合图1可以知道104房间和202房间的面积、朝向完全一致，但是104房间的温度要高于 202房间，这是由于202房间比104房间多一屋顶，散热量大，导致室内温度较低。

2太阳能辅助空气源热泵供暖系统的动态模拟2.1 建立系统仿真模型

借助TRNSYS数值模拟软件对太阳能辅助空气源热泵地板供暖系统建模，用到TRNSYS软件自带的前置计算模块有：集热器计算模块、气象数据资料计算模块、控制器计算模块、水泵计算模块、储热水箱计算模块、换热器计算模块、建筑模型计算模块、空气源热泵计算模块;后处理模块有：方程编辑器模块、绘图仪模块。在建筑模型计算模块中设置地暖盘管，地板设置为辐射采暖体系。

2.2 模拟结果分析

利用在线绘图仪后处理模块将相关模拟计算所得数据输入到统计数据软件Excel中，再利用数据处理软件Origin分析数据并绘图。以不同时间室内温度反映采暖期热负荷的变化情况，具体1月室内热负荷随温度变化情况如图4所示。

由图4得室内主要房间需要的采暖负荷与室外温度成反比，以客厅101室、老人卧室104、卧室201和卧室202为典型房间研究采暖房间的供暖负荷需求。101室由于外围护面积大，且有四个外窗，室外进入房间的冷空气多，耗散热量大，室内温度保持稳定需要的热量高，热负荷曲线在图4的最上面。其他三个房间面积小，所需供暖负荷位于Q101的下方。104房间和202房间的房屋结构和外围护结构基本相同，但202房间比104房间多一屋顶，因此202房间所需供暖负荷大于104房间。

图5给出了太阳能保证率（f为太阳能保证率）随着最冷月室外温度变化的趋势。从图5可知各个时间内太阳能保证率与室外温度不具有相关性，太阳能保证率固定在0.5左右。

图6为室外温度和空气源热泵机组出口处的热水温度之间的相关规律，由图6得集热器出水温度主要受天气阴晴影响。兰州地区太阳光照时间长，白天集热器出水温度能平均保持到65℃，该温度符合地板辐射采暖系统对供水温度的阀值要求;冬季超过8h光照情况下出水温度都可以达到55℃，但缺点在于夜间集热效率骤降，需对管路和水箱保温，避免冻结。

3 太阳能辅助空气源热泵地板辐射采暖系统的模拟优化

根据前述借助的TRNSYS数值模拟软件所得结果，开展太阳能辅助空气源热泵供暖系统的参数分析，根据分析结果对热泵系统参数进行优化。通过参数模拟优化对影响太阳能保证率、水箱体积的要素开展探讨。

3.1 基本参数设置

利用前述计算所得基本参数开展优化，所用基本参数有：7块并联连接面积合计为14㎡的平板集热器，扬程为5m、流量为1.008㎡3/h的集热循环泵，体积为1.4㎡拼装型水箱。参照建筑动态负荷分时段、分種类供暖，反映实验房屋热状况随时间的变化过程。

3.2 平板集热器面积的优化模拟

在采暖温度固定的条件下，改变集热器面积可以调整太阳能保证率。太阳能保证率随集热器面积的关系如图7所示。

由图7得，在太阳能集热器面积逐步增大过程中对应的太阳能保证率也在增大;当集热器面积达到14㎡后，采用增加集热器面积提高太阳能保证率的效果不明显。例如当集热器面积从14㎡增加到16㎡时太阳能保证率增加了0.12;而当集热器面积从16㎡增加到18㎡时，太阳能保证率只增加了0.05。本次设计的太阳能辅助空气源热泵，太阳能集热器面积选择14㎡，对系统来说较为经济合理。

3.3 蓄热水箱体积优化模拟

太阳能辅助空气源热泵系统中集热器面积是固定的，当选用不同的蓄热水箱体积时水箱中的水温会有变化。在具体优化模拟中设置平板集热器面积和集热流量不变，其中集热器面积为14㎡、流量为1.008㎡/h。

1月份蓄热水箱内热水平均温度变化与水箱体积的关系如图8所示。

从图8可以看出，水箱中水温上升速度和水箱体积大小直接相关。0.3㎡3的水箱水温升到60℃所需时间最短，且在1月份大部分时间能达到设定的最低温度;0.6㎡的水箱升温过程与0.3㎡的相差不大。0.3㎡3和0.6㎡3水箱的体积偏小，在使用热水过程中由于储水体积限制，会造成供热不稳定现象。2.0m3水箱的升温速度不但慢、成本也较高，在兰州地区选择1.4㎡的水箱能满足大部分家庭生活用水的需求。供暖期，个别房间没人或房间温度需求较低，通过分室分流控制室温，使办公或居家环境更舒适，满足个人需要以此来降低采暖实际负荷。

4 结论

借助TRNSYS数值模拟软件，对一安装有太阳能辅助空气源热泵供暖系统的房屋开展了数值模拟并对相关数据展开了探讨，得出的主要结论有：

（1） 分别研究了不采暖和采暖两种情况下模拟实验房屋的室内温度及室内逐时热负荷随室外温度的变化情况;

（2） 通过对整个采暖期太阳能辐射、太阳能保证率、太阳能集热器效率随室外温度的变化情况开展了研究和分析，得出整个采暖期建筑用热负荷的变化情况及相关因素之间的关系;

（3）对住宅太阳能辅助空气源热泵供暖系统做了优化模拟，确定了系统的最优参数。与常用单一热源采暖系统相比，本系统结合兰州气候特点最大化利用了太阳光照资源，在节能减排方面意义重大。

参考文献：

[1]宫自强，季福坤. 我国太阳能应用的可行性分析[J]. 华北航天工业学院学报，2000（1） ：31-34.

[2] Jordan R C，Threlkeld J L. Design and economics of solar en⁃ergy heat pump system[J]. Heat Piping Air Cond，1954（26）：122-130.

[3] Anderson J V，Mitchell J W，Beckman W A. A design meth⁃od forparallelsolarheatpumpsystems [J].SolarEnergy，1980：155-163.

[4]赵军，马一太，郑宗和，等. 太阳能热泵供热水系统的实验研究[J]. 太阳能学报，1993，14（ 4）：306-310.

[5]李舒宏，武文彬，张小松，等. 太阳能热泵热水装置试验研究与应用分析[J]. 东南大学学报（自然科学版），2005（1） ：82-85.

[6]李海林，李绍勇，韩喜莲，等. 串、并联式太阳能空气源热泵供热系统性能数值研究与对比[J]. 制冷与空调（四川），2019，33（4）：425-432.

[7]魏毅立，王洪明. 独立式太阳能-空气源热泵热风供暖系统的设计[J]. 热能动力工程，2018（7）：128-134.