北方村镇公共建筑太阳能-空气源热泵耦合供热系统研究_李旭林.pdf

可再生能源30节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023北方村镇公共建筑太阳能-空气源热泵耦合供热系统研究李旭林 侯鹏飞*谭明坤 郝萌（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳110168）摘要：针对北方村镇公共建筑在利用太阳能和空气源供暖时存在的空气源热泵低温运行效率低和太阳能辐射不稳定问题，提出适用于北方村镇公共建筑的供热系统。以严寒C区沈阳为例，通过DeST软件对目标建筑进行热负荷计算，借助Trnsys仿真平台对单一空气源热泵系统和耦合供热系统进行对比分析。结果显示：空气源模式基本仅在12月、次年1月和次年2月参与供暖，平均性能系数（COP）为2.16，比系统平均COP（2.73）和太阳能热泵供热模式平均COP（3.52）低；耦合供热系统COP值是单一空气源热泵系统的1.22倍。与单一空气源热泵系统相比，耦合供热系统具有明显的优越性。关键词：村镇公共建筑；耦合系统；Trnsys中图分类号：TU833 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）05-0030-04 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.008Research on solar-air source heat pump coupling heating system for public buildings in northern villages and townsLI Xu-lin HOU Peng-fei TAN Ming-kun HAO MengAbstract：Aiming at the problems of low efficiency of air source heat pump at low temperature and unstable solar radiation when using solar energy and air source for heating public buildings in northern villages and towns,a heating system suitable for public buildings in northern villages and towns is proposed.Taking Shenyang in severe cold area C as an example,the heat load of the target building is calculated by DeST software,and the single air source heat pump system and the coupled heating system are compared and analyzed by Trnsys simulation platform.The results show that the air source mode basically only participates in heating in December,January and February,and the average COP is 2.16,which is lower than the average COP(2.73)of the system and the average COP(3.52)of the solar heat pump heating mode.The COP value of the coupled heating system is 1.22 times that of the single air source heat pump system.Compared with a single air source heat pump system,the coupled heating system has obvious advantages.Key words:public buildings in villages and towns;coupling system;Trnsys引言目前，燃煤仍是北方地区的主要供暖方式为实现碳达峰带来巨大压力。因此，有关部门鼓励有条件的地区推广清洁能源供暖1。常规太阳能系统的集热温度可利用范围小，限制了太阳能的使用。将太阳能与热泵结合即可利用太阳能低温热水，显著提高太阳能集热效率。因此，针对北方大部分村镇公共建筑利用太阳能和空气源热泵供暖存在的问题，通过大量文献调研2-6，提出一种新型的太阳能-空气源热泵耦合供热系统。1供热系统设计1.1系统原理太阳光照具有间歇性，在我国北方地区冬季太阳能供热系统难以满足供热需求；空气源热泵系统在低温度环境下运行的效率低，实际供热效果较差。为了提高太阳能与空气源的能源利用率，文中提出太阳能-空气源热泵耦合供热系统。该耦合系统主要包括太阳能集热模块、热泵机组模块、蓄热模块和末端模块共4个部分，可以实现两种供热模式，即太阳能热泵供热模式和空气源热泵供热模式。作者简介：李旭林（1981），男，博士在读，副教授，研究方向为可再生能源利用。通信作者：侯鹏飞（1995），男，硕士在读，研究方向为村镇建筑清洁供暖。基金项目：“十三五”国家重点研发计划（项目编号：2018YFD1100705-02）收稿日期：2022-09-05引用本文：李旭林，侯鹏飞，谭明坤，等.北方村镇公共建筑太阳能-空气源热泵耦合供热系统研究 J.节能，2023，42（5）：30-33.可再生能源31NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION该耦合供热系统既能够作为太阳能热泵系统运行，将不满足直接供热需求的较低温太阳能集热循环介质运送至热泵中，作为太阳能热泵的热源；又可作为空气源热泵系统运行，吸收空气和太阳能的热量，针对不同的外界天气条件，实行不同的工作模式，弥补了单一热源供暖的不足，实现优势互补，具有较高的环境和经济效益。1.2系统运行模式耦合供热系统原理如图1所示。（1）太阳能热泵供热模式。末端用户有供热需求且缓冲水箱满足太阳能热泵供热模式开启温度时，将太阳能集热部分的缓冲水箱中的热水作为热源，通过热泵机组传递热量至蓄热水箱中，进而为室内供热。（2）空气源热泵供热模式。在不利于太阳能热泵模式的天气条件下，供热量难以满足供暖热求，需要开启空气源热泵供热模式，吸收空气中的热量，为水箱供热，直至满足供热温度要求时关闭，此时蓄热水箱得热量全部源于室外空气。2数学模型2.1太阳能集热器的数学模型集热器面积Ac为：Ac=86 400QJfJTcd(1-L)(1)式中：Ac短期蓄热直接系统集热器总面积，m2；QJ设计热负荷，W；f太阳能保证率；JT集热器采光面12月平均日太阳辐射量，J/(m2 d)；cd集热器平均集热效率；L管路及贮热装置热损失率7。2.2热泵的数学模型热泵的数学模型采用外部文件内插法计算。热泵制热工况下性能系数COPa为：COPa=QAHPPAHP(2)热泵制热工况下源侧吸热量QA为：QA=QAHP-PAHP(3)式中：QAHP热泵制热量，kW；PAHP热泵功率，kW；COPa热泵能效比。热泵制热工况下出口流体温度、出水温度为：Ta,out=Ta,in-QaCp.airm?air,hp(4)T1,out=T1,in+QAHPCpm?1,hp(5)式中：Ta,out、Ta,in蒸发器侧进、出口空气温度，；Qa热泵蒸发器吸热量，kW；T1,out、T1,in冷凝器侧进、出口水温度，；m?air,hp、m?1,hp载热介质质量流量，kg/s；CP定压比热容，kJ/(kg )8。2.3蓄热水箱的数学模型系统采用圆筒式分层蓄热水箱，将热泵侧冷凝器出口与水箱上部相连接，由于水箱内部的温度分层作用，在蓄热水箱中加入换热盘管，将热泵系统中的介质循环在水箱中，使水箱底部的冷水进入热泵侧冷凝器入口。系统蓄热水箱如图2所示。蓄热水箱数学模型参考文献9。3Trnsys仿真模拟3.1负荷分析村镇公共建筑规模一般不大，以低层建筑居多，且使用时间多集中在白天，夜晚较少使用。选取沈阳某一单层村镇办公建筑进行研究，建筑供热总面积100.89 m2，层高4.2 m。室内设计温度为18，采暖日期为11月至次年3月，共计151 d，供热时间为8：0018：0010。根据沈阳地区气象温度，运用DeST软件模拟，目标建筑逐时热负荷如图3所示。该建筑逐时热负荷先增大后减小，全年最大热负荷达 12.76 kW，采暖季热指标63.67 W/m2。系统各部件依据太阳能供热采暖工程技术标准公共建筑节能设计标准11进行初步设计，太阳能与空气源热泵耦合系统设计参数如表1所示。图1耦合供热系统原理图2系统蓄热水箱图3目标建筑逐时热负荷可再生能源32节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 20233.2系统运行策略采用“最大限度利用太阳能”的运行策略，供热模式开启的优先级为：太阳能热泵供热模式空气源热泵供热模式，两种模式择一开启。系统运行策略如下：（1）太阳能集热循环控制策略。选择真空管集热器出口的温度与缓冲水箱流回集热器的温度差值T为控制参数，以8 为上限、2 为下限控制集热泵的启停；同时，设置60 关断温度防止水箱温度过高，避免影响热泵的工作效率12。（2）太阳能热泵供热模式。考虑管道冬季防冻需要，综合确定当蓄热水箱出水温度小于供热温度45 且缓冲水箱大于20 时开启；当蓄热水箱出水温大于50 或缓冲水箱小于10 时关闭13。（3）空气源热泵供热模式。当蓄热水箱出水温度小于供热温度45 且太阳能热泵模式处于关闭状态时开启；当蓄热水箱出水温度大于50 时关闭。3.3Trnsys仿真模型根据系统原理图连接各部件，并设置控制参数和设备参数，建立Trnsys仿真模型，对系统设备能耗及运行特性进行分析。耦合供热系统Trnsys模型如图4所示。4结果与分析以村镇办公建筑为目标建筑，利用太阳能-空气源热泵耦合供热模型在Trnsys平台上进行模拟计算，对模拟运行结果进行分析，并进一步对单一空气源热泵系统与耦合系统的COP作对比分析。4.1各模式供暖时间分析系统供暖时间分析如图5所示。太阳能热泵供热模式在整个采暖季均参与运行，共运行366 h，空气源热泵模式仅在供暖中期运行，共运行283 h，其他供暖时间热负荷值较小，仅靠蓄热水箱蓄热量即可满足供暖要求。平均太阳辐射量在整个采暖季变化不大，而建筑热负荷先增大后减小，所以太阳能热泵供热模式运行时间在供暖前期和后期较少，供暖中期较多。供暖中期由于室外干球温度降低，建筑热负荷增加，受天气条件影响，太阳能热泵供热模式无法满足供暖需求时，空气源热泵模式开始运行。4.2各模式供热量分析供热量和能耗分析如图6所示。整个采暖季，系统总供热量为9 236.87 kWh，系统总能耗为3 385.39 kWh，系统平均COP约2.73。其中，太阳能热泵模式和空气源热泵模式供热量在供暖前期和末期较少，在供暖中期较大，与建筑逐时热负荷变化一致；太阳能热泵供热模式图5系统供暖时间分析表1太阳能与空气源热泵耦合系统设计参数参数真空管集热器太阳能集热泵热泵机组缓冲/蓄热水箱热泵机组循环泵负荷侧循环泵面积/m2方位角/()倾角/()额定流量/(kg/h)额定功率/kW额定制热量/kW额定功率/kW容积/m3额定流量/(kg/h)额定功率/kW额定流量/(kg/h)额定功率/kW数值400513 0000.2014.165.2622 4000.152 4000.15图4耦合供热系统Trnsys模型可再生能源33NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION模式总制热量为6 214.71 kWh，总能耗为1 741.34 kWh，平均COP为3.52；空气源模式总制热量为3 112.16 kWh，总能耗为1 437.82 kWh，平均COP为2.16。空气源模式是影响系统COP的因素，后续优化可以就此展开研究。4.3单一空气源热泵系统与耦合系统COP对比分析各系统采暖季运行能耗对比如图7所示。采用单一空气源热泵系统时，系统COP普遍较低，1月中旬最低，COP为1.92，3月下旬最大，COP为2.68；整个采暖季，单一空气源热泵系统的COP先减小再上升，表明系统COP受室外天气的影响较大。采用耦合系统时，系统COP普遍较高，12月下旬最低，COP为2.27，3月上旬最高，COP为3.18。通过系统COP对比研究单一空气源热泵系统和耦合系统，耦合系统的COP值整体高于单一空气源热泵系统的COP值，是单一空气源热泵系统COP值的1.22倍，能耗降低18%。5结语以严寒C区的沈阳某村镇办公建筑为目标建筑，提出新型太阳能-空气源热泵耦合供热系统，并进行一系列的模拟对比分析，结果如下：（1）通过Trnsys建立太阳能-空气源热泵耦合供热系统仿真模型，模拟耦合系统在整个采暖季的运行表现。太阳能热泵供热模式在整个采暖季均参与供暖，且在供暖初期和末期的运行时间较短，供暖中期运行时间较长；空气源模式仅在建筑热负荷较大的供暖中期参与供暖，平均COP为2.16，比系统平均COP和太阳能热泵供热模式平均COP的2.73、3.52低，后续优化可以对空气源模式展开研究。（2）以系统COP为目标函数对单一空气源热泵系统和耦合系统进行对比分析。在两种系统制热量相差不大的情况下，单一空气源热泵系统的COP值整体低于耦合系统的COP值，耦合系统COP值是单一空气源热泵系统COP值的1.22倍，能耗降低18%。因此，在能效方面，与单一空气源热泵系统相比，耦合供热系统具有明显的优越性。参考文献1 中华人民共和国国家发展和改革委员会.关于印发北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）的通知 EB/OL.2017-12-20.https：/ 钟浩，李志民，罗会龙，等.空气源热泵辅助供热太阳能热水系统实验研究 J.建筑节能，2011，39（3）：36-39.3 陈卫星.双热源太阳能热泵模式研究 D.南京：南京理工大学，2004.4 王巧梅.高寒地区住宅太阳能-空气源耦合热泵系统的应用研究D.北京：华北电力大学，2021.5 蔡靖雍.双热源多功能热泵系统的理论和实验研究 D.北京：中国科学技术大学，2017.6 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