基于TRNSYS的空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統(tǒng)研究

高屾 崔紅社 姜凱迪 姜鍍輝

摘 要：本文介紹了空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統(tǒng)的工作原理與特性功能。并基于青島市一實際項目，結合TRNSYS模擬軟件預測系統(tǒng)能耗并優(yōu)化控制策略，研究耦合供熱系統(tǒng)的最佳配比。經(jīng)研究得當空氣源熱泵在與燃氣鍋爐的耦合供熱系統(tǒng)中占比達60%時，費用年值最低。

關鍵詞：空氣源熱泵;TRNSYS;耦合供熱系統(tǒng);優(yōu)化分析

目前，煤炭仍是中國北方城市集中供熱的主要能源。 冬季供暖期燃煤大量燃燒產(chǎn)生的有害物對空氣造成了嚴重的污染，危害人的健康，是社會發(fā)展亟待解決的重大問題[1]?；诖朔N現(xiàn)狀，從2016年開始，我國開始組織安排了史無前例的“清潔取暖”工程。清潔供熱即指利用天然氣、電力、地熱能、生物質(zhì)能、太陽能、工業(yè)余熱、潔凈煤（超低排放）、核能等清潔能源，通過一個高效的能源消耗系統(tǒng)，包括整個供熱過程，實現(xiàn)污染物排放的減少和能源消耗。

本文提出空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統(tǒng)，結合實際工程在TRNSYS平臺上建立空氣源熱泵和燃氣鍋爐耦合供暖系統(tǒng)的瞬態(tài)計算模型。 根據(jù)青島的氣象條件和價格體系，找到了耦合供暖系統(tǒng)運行成本最低時的熱源配置方案。充分發(fā)揮空氣源熱泵運行費用低污染小與燃氣鍋爐供熱穩(wěn)定的優(yōu)點，對相關項目的實施具有一定的指導意義。

一、空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統(tǒng)

空氣源熱泵利用空氣作為熱源，基于逆卡諾循環(huán)原理，通過少量電能驅動壓縮機，實現(xiàn)能量傳遞，具有成本低，操作方便，安全，清潔的優(yōu)點。 它可以直接放在屋頂或室外，廣泛用于中國的中小型建筑。同時，季節(jié)和溫度變化對空氣源熱泵的性能影響較大[2]。 在低溫條件下，空氣源熱泵產(chǎn)生的熱量將嚴重衰減，這極大地限制了空氣源熱泵的使用[3]。因此在實際工程中，空氣源熱泵通常與地源熱泵，太陽能，水循環(huán)熱泵，燃氣鍋爐等結合使用。

其中燃氣鍋爐供暖溫度有保證且易于控制調(diào)節(jié)是居民小區(qū)采暖的首選。燃氣鍋爐效率高，環(huán)境污染小。與燃煤鍋爐相比，燃氣鍋爐具有絕對優(yōu)勢。而冷凝式燃氣鍋爐更因其高效節(jié)能環(huán)保的特性，近些年來受到用戶追捧。

綜上所述，空氣源熱泵供暖有著高效、節(jié)能、安全、環(huán)保等優(yōu)點，但其在低溫條件下表現(xiàn)不佳，制熱效率顯著降低。燃氣鍋爐可以補足空氣源熱泵在惡劣天氣下的劣勢，保障系統(tǒng)供熱的穩(wěn)定性。二者結不僅有效地利用了廉價的清潔能源，而且還達到了減少環(huán)境污染的目的。合理分配熱源，除了使供暖系統(tǒng)經(jīng)濟有效、環(huán)境友好外還可以節(jié)能降耗，一舉多得。

空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統(tǒng)原理圖如圖所示：

二、空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統(tǒng)優(yōu)化

（一）搭建TRNSYS模擬系統(tǒng)

運用TRNSYS軟件對空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統(tǒng)進行模擬，搭建耦合供熱系統(tǒng)瞬態(tài)計算模型如圖所示，

圖中建筑熱負荷選用青島市某居民小區(qū)冬季供暖期DeST負荷模擬數(shù)據(jù)，其具體參數(shù)如下表所示

將建筑負荷數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)讀取模塊Type9，導入TRNSYS中進行模擬。

末端處理設備部分選用TRNSYS中自帶的空氣源熱泵Type275、燃氣鍋爐Type751、水泵模塊Type3b等。根據(jù)DeST負荷模擬結果選擇具體的設備型號，并根據(jù)廠家提供的樣品參數(shù)修改模塊數(shù)據(jù)。具體設備選型如下：

（二）控制策略

確定合理的控制策略對于空氣源熱泵容量的選擇及其運行費用和節(jié)能效果影響極大。

根據(jù)青島市現(xiàn)行的峰谷電價、燃氣氣價。當氣源熱泵的運行成本低于燃氣鍋爐的運行成本時，空氣源熱泵優(yōu)先提供熱量，而燃氣鍋爐則輔助供熱。 如果空氣源熱泵的運行成本高于燃氣鍋爐，則由燃氣鍋爐提供熱量。青島市峰谷電價見表5，燃氣氣價見表6。

在此基礎上，建立了運行費用平衡點的概念，即在45℃的出水溫度、1kW的單位熱功率下，如果空氣源熱泵的運行費用等于燃氣鍋爐的運行費用，則空氣源熱泵和燃氣鍋爐的運行費用平衡點為環(huán)境溫度。

平衡點過高會導致燃氣鍋爐運行費用增加;平衡點過低，則需選擇容量較大的空氣源熱泵，投資成本大幅度提高。且其長期在小負荷下運行，效率低耗能高，既不經(jīng)濟又不節(jié)能.在實際工程中，對設計人員來說，合理選擇機組的平衡點是及其困難的事情

在TRNSYS模型中，利用控制器模塊找出運行費用的平衡點。

上圖反映了空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統(tǒng)，空氣源熱泵與燃氣鍋爐啟停的時間。運行時的電費高于燃氣費的時間段，即圖中紅線之上的部分，燃氣鍋爐供熱，空氣源熱泵關閉;運行時燃氣費高于電費的時段，空氣源熱泵供熱，燃氣鍋爐輔助。從上圖可以看出，空氣源熱泵運行費用高于燃氣費用的時段為電價高峰，實行谷價運行峰價停機。這種運行策略可以利用峰谷電價的優(yōu)勢，在谷值期間增加空氣源熱泵的容量，在峰值期間減少空氣源熱泵的使用，達到降低運行成本的目的。

由上圖可知，基于青島市的氣象條件和價格體系，當環(huán)境溫度低于3℃時，高峰時段（8：30—11：30、16：00—21：00）空氣源熱泵運行費用高于燃氣鍋爐。當環(huán)境溫度高于3℃，空氣源熱泵供熱更加經(jīng)濟節(jié)能。因此在供暖期間，用電高峰時段室外環(huán)境溫度低于3℃時，單獨運行燃氣鍋爐。其他情況下，采取以空氣源熱泵為主，燃氣鍋爐為輔的供熱方式。

（三）優(yōu)化配比

通過比較年費用，選擇最優(yōu)控制模式下的最優(yōu)比例。年成本按下列公式計算：

單位年的運行費用與投資年值之和為費用年值?？諝庠礋岜玫某跬顿Y費用為800元/ kW，燃氣鍋爐的初投資費用111.4元/kW，管理人員工資為5000元/人（月）， 3人共計18萬元/ a，設備維護費取設備初投資費用的1%。運行費用由TRNSYS模擬輸出。

空氣源熱泵占比與單位面積費用年值、單位面積投資費用、單位面積運行費用的關系如圖所示。

由上圖可知，隨著空氣源熱泵承擔負荷的比例增加，耦合供熱系統(tǒng)的初投資也呈線性增加。若只考慮經(jīng)濟因素的話，本文所研究采暖建筑的空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統(tǒng)較優(yōu)的熱源配置方案，在空氣源熱泵承擔設計熱負荷比為60%時經(jīng)濟性最佳。

三、結論

本文構建了空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統(tǒng)，提出了這種供熱系統(tǒng)的基本形式，闡明了在這種供熱系統(tǒng)下的運行模式及系統(tǒng)控制方式，依據(jù)耦合供熱系統(tǒng)中各熱源設備的瞬態(tài)計算模型，建立了耦合供熱系統(tǒng)的瞬態(tài)計算模型。以青島150000m2居民小區(qū)為研究對象，通過建筑負荷模擬，得到建筑全年逐時熱負荷。結合構建的空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統(tǒng)圖，在TRNSYS平臺上建立了聯(lián)合供熱系統(tǒng)的瞬態(tài)模擬仿真模型，在青島市現(xiàn)行物價體系下，以系統(tǒng)費用年值最低為優(yōu)化目標，對耦合供熱系統(tǒng)的設備構成及配比進行了優(yōu)化，得出主要結論如下：

（一）根據(jù)現(xiàn)有的峰谷電價與天然氣價格，如果空氣源熱泵的運行成本高于燃氣鍋爐，則建議燃氣鍋爐工作空氣源熱泵停止使用;如果空氣源熱泵的運行成本低于燃氣鍋爐的運行成本，則空氣源熱泵供熱燃氣鍋爐停止使用。經(jīng)TRNSYS模擬可得，此種控制方式的動態(tài)平衡點存在于高峰電價時段，即空氣源熱泵谷價運行峰電停機。反映在室外溫度上為3℃，即室外溫度為3℃為臨界值：室外溫度高于或等于3℃，應采用空氣源加熱;如果室外溫度低于3℃;，則使用燃氣鍋爐制備熱水。

（二）空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統(tǒng)，當空氣源熱泵容量占比為60%時，耦合供熱系統(tǒng)費用年值最低。

參考文獻：

[1] 杜文廣. 民用潔凈焦炭制備和煤氣組成調(diào)制關鍵技術研究[D].太原：太原理工大學，2017.

[2]? 李楠，田昕，王皆騰，等. 北京某農(nóng)村住宅空氣源熱泵輔助太陽能供暖系統(tǒng)的運行性能[J].暖通空調(diào)，2017，47（04）：136-140.

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[7]? 康智強，孫佳琳，孟芹，等. 沈陽地區(qū)地下水地源熱泵與鍋爐房聯(lián)合供熱的配比研究[J].暖通空調(diào)，2014，44（02）：62-64.

[8]? GB50736-2012，民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范[S].