中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 ■ 王曉丹 饒政華孫煒 曹小林

太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合供熱水系統(tǒng)控制策略的研究

中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 ■ 王曉丹 饒政華*孫煒 曹小林

以長沙地區(qū)某宿舍建筑為例，基于TRNSYS軟件建立了太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合供水的雙水箱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，模擬不同季節(jié)水箱內(nèi)的水溫變化及運行能耗特點，利用正交試驗法分析集熱器的質(zhì)量流量、熱泵啟停溫度和供水負荷等因素對系統(tǒng)運行能耗的影響，并與傳統(tǒng)的雙熱源單水箱系統(tǒng)進行比較。結(jié)果表明：影響系統(tǒng)能耗大小的顯著性因素，在夏季時為恒溫水箱進水溫度，在冬季時為熱泵啟停溫度；與單水箱系統(tǒng)相比，雙水箱系統(tǒng)運行能耗更低（夏季可降低45％、冬季可降低9.5％）。研究結(jié)果對指導(dǎo)太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化控制具有重要意義。

太陽能熱水系統(tǒng)；空氣源熱泵；雙水箱；年太陽能保證率；正交試驗法

0　引言

隨著人們對建筑舒適性要求的日益提高，以及可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)的推廣，聯(lián)合可再生能源利用設(shè)備（空氣源熱泵、太陽能集熱器等）構(gòu)成的多能源供熱系統(tǒng)將成為未來技術(shù)發(fā)展的趨勢。太陽能熱水系統(tǒng)效率受天氣狀況的影響［1］，在太陽輻射較弱時須增加輔助熱源來滿足用戶需求。以空氣源熱泵作為輔助熱源具有熱效率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點［2］，但運行性能易受氣候等因素影響。夏熱冬冷地區(qū)具有夏季太陽能日照強、冬季冰凍時間短的氣候特點［3］，適于應(yīng)用太陽能與熱泵聯(lián)合供熱水系統(tǒng)，降低熱水系統(tǒng)的運行能耗。

近年來，太陽能與熱泵結(jié)合的熱水系統(tǒng)被廣泛研究。Badescu［4，5］實驗測定了循環(huán)泵的流量對平板太陽能集熱效率的影響。Freeman［6］對太陽能與熱泵的系統(tǒng)形式進行研究，結(jié)果顯示并聯(lián)式系統(tǒng)最節(jié)能。Panaras等［7］利用實驗與數(shù)值計算的方法，設(shè)計了一套空氣源熱泵輔助太陽能的熱水系統(tǒng)，研究了熱泵的啟停溫度對整個系統(tǒng)能耗的影響。Banister等［8］對太陽能輔助熱泵的雙水箱系統(tǒng)進行研究，結(jié)果表明雙水箱系統(tǒng)比單水箱系統(tǒng)的節(jié)能率更高。Li等［9］以香港典型天氣下太陽能系統(tǒng)運行情況為例，指出太陽能集熱器面積、集熱器安裝角度、水箱初始溫度等參數(shù)對系統(tǒng)性能影響很大。楊前明等［10］以太陽能、空氣源熱泵和廢水余熱回收聯(lián)合熱水系統(tǒng)為例，表明了多熱源系統(tǒng)較單一系統(tǒng)更具有節(jié)能潛力。上述研究大都是關(guān)于單一因素變化對系統(tǒng)能耗的影響，而關(guān)于夏熱冬冷氣候條件下太陽能與熱泵多因素、雙水箱的熱水系統(tǒng)運行控制策略的研究尚未得到重視。

本文以TRNSYS軟件為平臺，耦合太陽能集熱模塊和熱泵模塊，考慮水箱的溫度分層特性，建立了太陽能與熱泵的聯(lián)合供熱水系統(tǒng)。以長沙地區(qū)某宿舍建筑為例，綜合考慮集熱器的質(zhì)量流量、熱泵啟停溫度和供水負荷等因素的影響，分析不同季節(jié)工況下系統(tǒng)運行能耗。本研究結(jié)果對太陽能與空氣源熱泵相結(jié)合的雙熱源供熱水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及全工況高效運行控制具有參考價值。

1　數(shù)學(xué)模型

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合的雙水箱供熱水系統(tǒng)由太陽能集熱器、空氣源熱泵機組、儲熱水箱、恒溫水箱及控制系統(tǒng)組成。太陽能集熱系統(tǒng)通過溫差控制，將集熱器吸收的太陽能不斷傳遞到儲熱水箱，使水箱內(nèi)的水溫上升。當單獨使用太陽能不斷無法達到要求的水溫時，熱泵系統(tǒng)自動開啟，把儲熱水箱的水加熱到設(shè)定溫度值。儲熱水箱為恒溫水箱提供預(yù)熱水，恒溫水箱為用戶提供需要的熱水。

圖1　太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合雙供熱水系統(tǒng)示意圖

利用TRNSYS軟件建立太陽能與空氣源熱泵供熱水系統(tǒng)模型，以t時刻為例說明模型的計算流程如下：

1）通過太陽能模型得到太陽能提供的熱量為Qt

sol。

2）計算太陽能循環(huán)熱水出水溫度為：

式中，Ttsol，out為集熱器的出口溫度，℃；Fsol為集熱器質(zhì)量流量，kg/s；Ttsol，in為集熱器的進口溫度，℃；cp為水的比熱值，kJ/（kg·℃）。

4）計算熱泵循環(huán)熱水出水溫度為：

式中，Thp，in為熱泵的進水溫度，℃；Fhp為熱泵質(zhì)量流量，kg/s。

5）計算水箱內(nèi)的出水水溫為：

式中，Qtst為水箱損失的熱量，kW；Ttin為水箱的進水溫度，℃；F為水箱質(zhì)量流量，kg/s。

判斷控制信號，若為太陽能開啟信號，則返回步驟2）進入下一時間步長計算；若為太陽能關(guān)閉信號，則判斷熱泵信號；若為熱泵開啟信號，則返回步驟4）進入下一時間步長計算；若為熱泵關(guān)閉信號，則判斷5）的水溫是否滿足出水要求。

1.2太陽能集熱器計算模型

平板型太陽能集熱器的熱平衡方程式［1］為：

式中，Ac為集熱器的面積，m2；FR為熱轉(zhuǎn)移因子；ατ為集熱器透過率與吸收率的乘積；It為太陽輻照度，W/m2；UL為集熱器的熱損失系數(shù)，W/（m2·℃）；Ta為環(huán)境溫度，℃。

1.3熱泵計算模型

熱泵的計算流程如下［11］：

1）輸入已知參數(shù)：熱泵的進水溫度Thp，in和熱泵質(zhì)量流量Fhp，蒸發(fā)器的空氣溫度Tair及蒸發(fā)器質(zhì)量流量Fair；

2）假設(shè)熱泵制熱量為Qco，制冷量為Qeo，計算此時的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度；

3）通過制冷劑物性參數(shù)求出冷凝/蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)器進出口焓值及壓縮機進口比容；

4）計算制冷劑質(zhì)量流量和壓縮機輸入功率Whp；

5）計算熱泵實際制熱量Qc及制冷量Qe；

6）判斷|（Qe-Qeo）/Qeo|+|（Qc-Qco）/Qco|＜ε（ε為無限小值）是否成立，若不成立，則返回步驟2）重新計算；若成立，則輸出Qc、Qe和Whp，計算結(jié)束。

1.4控制方案

系統(tǒng)運行控制方案如表1所示。

表1　系統(tǒng)運行控制方案

2　結(jié)果與討論

2.1計算條件

以長沙地區(qū)某宿舍建筑的太陽能與熱泵聯(lián)合供熱水系統(tǒng)為研究對象。長沙地區(qū)全年逐時氣溫、全年太陽能輻射量［12］如圖2所示，夏冬兩季進水溫度和用水參數(shù)如表2所示，系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)［13］如表3所示，日熱水用水量小時變化概率［14］如圖3所示。

圖2　長沙地區(qū)典型氣象參數(shù)

表2　宿舍建筑用水參數(shù)

表3　系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

圖3　日小時用水概率

采用正交試驗法分別計算了夏季工況（5～9月）和冬季工況（1、2、12月）下熱泵啟停溫度、恒溫水箱進水溫度、太陽能循環(huán)側(cè)水泵流量等主要控制因素對系統(tǒng)能耗的影響規(guī)律。通過具有代表性的試驗，采用方差法對試驗結(jié)果進行分析。方差通過置信概率下進行F檢驗，可確定測試因素對系統(tǒng)總能耗（包括熱泵和循環(huán)水泵所消耗的電量）的影響程度的大小。表4是雙水箱系統(tǒng)夏/冬季運行情況下正交試驗因子及其水平取值。恒溫水箱進水溫度是指儲熱水箱的水溫達到設(shè)定的溫度時，水泵開啟向恒溫水箱進水。

表4　雙水箱系統(tǒng)夏/冬季正交試驗因子水平表

2.2夏季工況下雙水箱系統(tǒng)運行性能分析

如表5所示，通過9次正交試驗得到了夏季工況下熱泵啟停溫度A、恒溫水箱進水溫度B、太陽能循環(huán)側(cè)流量C等因素與系統(tǒng)能耗之間的定量關(guān)系，Ki表示對應(yīng)列中數(shù)字為i的指標值之和。計算結(jié)果表明，供水水溫均滿足用戶的用水需求。A3B2C1情況的能耗最高為23.92 GJ（6644 kWh），A1B3C3情況的能耗最低為16.34 GJ（4539 kWh），兩者相差7.58 GJ（2105 kWh），系統(tǒng)能耗降低了31.7％。對于熱泵啟停溫度，K1值最小，即儲熱水箱的熱泵啟停溫度在可變范圍內(nèi)降低，系統(tǒng)能耗降低。這是因為熱泵設(shè)定的啟停溫度較低，有利于提高太陽能集熱效率、延長太陽能系統(tǒng)開啟的時間、增大系統(tǒng)中的太陽能保證率，從而減少了熱泵系統(tǒng)的能耗。對于恒溫水箱進水溫度，K3值最小，即進水溫度升高，系統(tǒng)能耗降低。這是因為恒溫水箱的進水溫度升高，其配備的熱泵開啟時間縮短，能耗降低。因此，系統(tǒng)能耗最低的最佳組合方式為A1B3C3，即熱泵啟停溫度為35±2 ℃、恒溫水箱進水溫度為48 ℃、太陽能循環(huán)側(cè)流量為9 m3/h。

表5　雙水箱系統(tǒng)夏季L9（34）正交試驗表

如表6所示，經(jīng)過方差分析，計算各因素的F值，分別查出α=0.10、0.05、0.01時的F臨界值。根據(jù)F分布檢驗準則，當F≥F0.01時，該因素影響顯著，記為“**”；當F0.10≤F＜F0.01時，該因素影響一般，記為“*”；當F＜F0.10時，該因素影響比較小。

綜上所述，根據(jù)表6計算得到：F（恒溫水箱進水溫度）＞F0.01（2，2）=99.00＞ F（熱泵啟停溫度）＞F（太陽能循環(huán)側(cè)流量）。表明恒溫水箱進水溫度為影響系統(tǒng)能耗大小的顯著性因素。熱泵啟停溫度對系統(tǒng)能耗大小有一定影響，而太陽能循環(huán)側(cè)流量對能耗大小無顯著影響。

表6　雙水箱系統(tǒng)夏季方差分析表

2.3冬季工況下雙水箱系統(tǒng)運行性能分析

表7　雙水箱系統(tǒng)冬季L9（34）正交試驗表

如表7所示，通過9次正交試驗分析得到了熱泵啟停溫度、恒溫水箱進水溫度、太陽能循環(huán)側(cè)流量等因素與系統(tǒng)能耗之間的定量關(guān)系。冬季條件下，A3B2C1情況的能耗最高為99.19 GJ（27553 kWh），A1B3C3情況的能耗最低為94.26 GJ（26184 kWh），兩者相差4.93 GJ（1369 kWh），系統(tǒng)能耗降低了5％。對于熱泵啟停溫度，K1值最小，即熱泵啟停溫度降低，系統(tǒng)能耗降低。對于恒溫水箱進水溫度，K3值最小，即進水溫度升高，系統(tǒng)能耗降低。對于太陽能循環(huán)側(cè)流量，K3值最小，即太陽能循環(huán)側(cè)流量降低，系統(tǒng)能耗降低。因此，系統(tǒng)能耗最低的最佳組合方式為A1B3C3，即熱泵啟停溫度為40±2 ℃、恒溫水箱進水溫度為48 ℃、太陽能循環(huán)側(cè)流量為9 m3/h。

由表8所示計算結(jié)果可知：F（熱泵啟停溫度）＞F0.01（2，2）=99.00＞F（太陽能循環(huán)側(cè)流量）＞F（恒溫水箱進水溫度）。表明熱泵啟停溫度為影響系統(tǒng)內(nèi)能耗大小的顯著性因素，而太陽能循環(huán)側(cè)流量及恒溫水箱進水溫度對系統(tǒng)能耗大小有一定影響。

以上分析表明，夏冬兩季影響系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵性因素不同。這是由于夏季冷水溫度為28 ℃，用水量為8 m3，生活熱水的主要熱源是太陽能，熱泵的啟停溫度對系統(tǒng)能耗的影響不大；而在冬季，冷水溫度為8 ℃，用水量為20 m3，在此時太陽能輻射量較低，生活熱水的主要熱量則主要來自于空氣源熱泵，因此儲熱水箱的熱泵開啟條件成為影響系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵性因素。

表8　雙水箱系統(tǒng)冬季方差分析表

2.4不同水箱的系統(tǒng)運行性能比較

圖4為采用優(yōu)化條件不同水箱夏至日和冬至日的水溫逐時變化。雙水箱的優(yōu)化條件為熱泵啟停溫度35/40±2 ℃、恒溫水箱進水溫度48 ℃、太陽能循環(huán)側(cè)流量9 m3/h；單水箱的優(yōu)化運行條件為熱泵啟停溫度50±0.5 ℃，熱泵開啟時間為6:00～24:00，太陽能循環(huán)側(cè)流量9 m3/h。由圖4可知，雙水箱系統(tǒng)中，恒溫水箱的出水溫度基本在50 ℃的范圍波動，滿足用戶的熱水需求；而單水箱系統(tǒng)由于冬季用水負荷大、進水水溫低等原因在部分時刻水溫?zé)o法滿足用戶的需求。

圖4　不同水箱夏至日、冬至日水溫圖

表9對比了太陽能與熱泵聯(lián)合供熱水的雙水箱和單水箱系統(tǒng)的運行能耗。發(fā)現(xiàn)在夏季，雙水箱系統(tǒng)的運行能耗為16.34 GJ，比單水箱系統(tǒng)的運行能耗要低12.39 GJ（3442 kWh），降低了43.1％。這是由于在雙水箱的系統(tǒng)形式中，連接儲熱水箱的熱泵的啟停溫度比較低，僅為35±2℃，而輸送至恒溫水箱的水溫卻高達48 ℃，所以儲熱水箱的主要熱源為太陽能，有利于提高太陽能集熱效率和太陽能保證率，降低系統(tǒng)能耗。單水箱系統(tǒng)下，為了保證生活熱水的溫度達到50 ℃，熱泵的啟停溫度必須在50±0.5 ℃，并且系統(tǒng)剛開始運行時太陽能的使用情況不佳，熱泵成為系統(tǒng)的主要熱源，所以系統(tǒng)的能耗高。冬季工況下，雙水箱和單水箱兩種系統(tǒng)的太陽能保證率均較低，分別為0.13和0.03，表明在冬季熱泵是主要的熱量來源，提供了生活熱水的大部分熱量。單水箱系統(tǒng)的太陽能保證率降低，為了保證用水水溫滿足要求必須延長熱泵開啟時間，所以系統(tǒng)的能耗更大。理論上冬季系統(tǒng)提供的熱水負荷應(yīng)為310 GJ，而實際上單水箱系統(tǒng)供給用戶的熱能僅為299.54 GJ，因此在部分時刻單水箱系統(tǒng)的水溫?zé)o法滿足用戶的需求。

表9　兩種方案的能耗情況

3　結(jié)論

本文利用 TRNSYS 軟件建立了太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合的雙水箱供熱水系統(tǒng)的計算模型，模擬了系統(tǒng)全年的運行性能。通過正交試驗?zāi)M分析了熱泵啟停溫度、恒溫水箱進水溫度、太陽能循環(huán)側(cè)水泵流量等主要控制因素對系統(tǒng)能耗的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1）夏季，恒溫水箱進水溫度為影響系統(tǒng)能耗大小的顯著性因素，熱泵啟停溫度對系統(tǒng)能耗大小有一定影響，而太陽能循環(huán)側(cè)流量對能耗大小無顯著影響；優(yōu)化運行參數(shù)后系統(tǒng)能耗降低了31.7％。

2）冬季，熱泵啟停溫度為影響系統(tǒng)能耗大小的顯著性因素，而太陽能循環(huán)側(cè)流量及恒溫水箱進水溫度對系統(tǒng)能耗大小有一定影響；優(yōu)化運行參數(shù)后系統(tǒng)能耗降低了5％。

3）與單水箱系統(tǒng)相比，夏季雙水箱系統(tǒng)的運行能耗降低了43.1％，太陽能的保證率為0.82；冬季，雙水箱系統(tǒng)太陽能集熱器效率高達0.43，系統(tǒng)能耗降低了9.5％，太陽能保證率為0.13；單水箱系統(tǒng)則無法完全滿足用戶的用水需求。

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2015-09-06

動力工程及工程熱物理湖南省重點學(xué)科及流程工業(yè)節(jié)能技術(shù)湖南省重點實驗室開放基金資助（KFKT0504）

饒政華 （1977—），男，博士、副教授，主要從事太陽能熱利用系統(tǒng)、傳熱傳質(zhì)分析方面的研究。 raoz@csu.edu.cn