太阳能与空气源热泵联合按需分时供暖柔性节能控制策略_闫秀英.pdf

第8卷 第1期2 0 2 3年2月分布式能源D i s t r i b u t e dE n e r g yV o l.8N o.1F e b.2 0 2 3D O I:1 0.1 6 5 1 3/j.2 0 9 6-2 1 8 5.D E.2 3 0 8 1 0 1太阳能与空气源热泵联合按需分时供暖柔性节能控制策略闫秀英,于鹏飞,王登甲(西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院,陕西省 西安市7 1 0 0 4 8)摘要:结合分时室内热需求的不同,通过设计合理的控制策略对房间进行供暖,将为有辅助热泵的太阳能供暖系统(s o l a rh e a t i n gs y s t e m,S H S)带来巨大的节能潜力。在当前西北地区人体差异化热需求研究的基础上,提出太阳能与空气源热泵(a i r s o u r c eh e a tp u m p,A S H P)联合按需分时供暖柔性节能控制策略,根据不同时段的室内热需求,设置一定的温度波动范围,优化热源出力顺序,使控制系统更具柔性。并通过T R N S Y S软件建立联合供暖系统的仿真模型,对3个太阳能资源等级不同地区的某住宅建筑进行不同控制策略下系统的运行研究。结果表明,与常用的“恒温策略”相比,所提出的控制策略可充分利用太阳能,在保证热舒适的前提下通过减少A S H P的工作时长,从而减少高达2 4%的系统总能耗;所提出的控制策略在高辐照度地区应用更有效。关键词:太阳能供暖系统;柔性控制策略;空气源热泵;分时热需求;节能中图分类号:T K5 1;TU8 3 文献标志码:AF l e x i b l eE n e r g y-S a v i n gC o n t r o l S t r a t e g yo faS o l a r-A S H PI n t e g r a t e dH e a t i n gS y s t e mB a s e do nT i m e-S h a r i n gH e a tD e m a n dYANX i u y i n g,YUP e n g f e i,WANGD e n g j i a(S c h o o l o fB u i l d i n gS e r v i c e sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,X i a nU n i v e r s i t yo fA r c h i t e c t u r ea n dT e c h n o l o g y,X i a n7 1 0 0 4 8,S h a a n x iP r o v i n c e,C h i n a)A B S T R A C T:C o m b i n i n gt h ed i f f e r e n t i n d o o rh e a td e m a n d so f t i m e-s h a r i n g,d e s i g n i n gar e a s o n a b l ec o n t r o l s t r a t e g yw i l l b r i n gh u g ee n e r g ys a v i n gp o t e n t i a l t ot h es o l a rh e a t i n gs y s t e m(S H S)w i t ha u x i l i a r yh e a tp u m p.B a s e do nt h ee x i s t i n gr e s e a r c ho nt h eh u m a nb o d y sd i f f e r e n t i a lh e a td e m a n di nn o r t h w e s tC h i n a,t h i ss t u d yp r o p o s e saf l e x i b l ee n e r g y-s a v i n gc o n t r o l s t r a t e g yo f a c o m b i n e ds o l a r a n da i r s o u r c eh e a t p u m p(A S H P)h e a t i n gs y s t e mb a s e do n t i m e-s h a r i n gh e a td e m a n d.C o n s i d e r i n gt h ei n d o o rh e a td e m a n di nd i f f e r e n tt i m ep e r i o d s,t h ec o r r e s p o n d i n gr o o mt e m p e r a t u r ec o n t r o l r a n g e i ss e ta n dt h eo u t p u ts e q u e n c eo ft h eh e a ts o u r c ei so p t i m i z e d.A sar e s u l t,t h ec o n t r o ls y s t e mb e c o m e sm o r e f l e x i b l e.T h e s i m u l a t i o nm o d e l o f t h e s y s t e mi s e s t a b l i s h e db yT R N S Y S,a n d t h eo p e r a t i o no ft h es y s t e mu n d e rd i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e si ss t u d i e d.Ac a s es t u d yo far e s i d e n t i a lb u i l d i n gi nt h r e ea r e a sw i t hd i f f e r e n ts o l a re n e r g yr e s o u r c el e v e l si sc o n s i d e r e d.C o m p a r e d w i t ht h ec o mm o n l yu s e d“t h e r m o s t a t i c”c o n t r o ls t r a t e g y,t h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g ya l l o w st h ef u l lu t i l i z a t i o no ft h es o l a re n e r g ya n dar e d u c t i o ni nt h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o nb yu pt o2 4%t h r o u g hr e d u c i n gt h ew o r k i n gt i m eo f t h eA S HP.T h e r e s u l t sa l s os h o wt h a t t h ep r o p o s e dc o n t r o l s t r a t e g y i sm o r ee f f e c t i v e i na r e a sw i t hh i g hr a d i a t i o n i n t e n s i t y.K E Y WO R D S:s o l a r h e a t i n gs y s t e m;f l e x i b l e c o n t r o l s t r a t e g y;a i r s o u r c eh e a t p u m p;h e a t d e m a n d so f t i m e-s h a r i n g;e n e r g ys a v i n g基金项目:国家自然科学基金面上项目(5 2 0 7 8 4 0 8);西部绿色建筑国家重点实验室自主课题项目(L S Z Z 2 0 2 2 0 8)P r o j e c ts u p p o r t e db yN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a(5 2 0 7 8 4 0 8);I n d e p e n d e n tR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tP r o j e c to fS t a t e K e y L a b o r a t o r y o f G r e e n B u i l d i n gi n W e s t e r n C h i n a(L S Z Z 2 0 2 2 0 8)0 引言 利 用 太 阳 能 与 空 气 源 热 泵(a i rs o u r c eh e a tp u m p,A S H P)技术为建筑供能,在保证供暖连续性的同时,也具有较大的经济效益和社会效 益1-2。而目前一些太阳能供暖工程往往是辅助热源的实2 分布式能源第8卷 第1期际投入比例较大,甚至占主导作用,太阳能未能充分发挥其应有的供暖作用,其主要原因是系统的控制策 略 不 当、热 源 的 出 力 顺 序 优 化 不 合 理3。恒温控制、温差控制等方式常用于太阳能热水系统中,但难 以满足太阳 能 供 暖 系 统(s o l a rh e a t i n gs y s t e m,S H S)的节能需要4-5。对于S H S而言,要想进一步实现系统运行节能,应结合分时分区人体差异化热需求,允许室温在一定范围内波动,优化热源出力顺序,从而更大程度地实现S H S的节能运行。随着供暖控制技术的发展,有差别供暖相较于无差别供暖更能提升系统的节能性6。分时分区供暖技术近些年被广泛研究,在满足不同时间、不同空间人体差异化热需求的前提下,对建筑物进行差异化供暖,能显著降低系统能耗。如文献7 对某高校的供热系统进行规划改造,根据建筑物的供暖需要或开放时段进行供热调控,可显著降低供热采暖能耗。文献8-1 0 充分考虑了人体热舒适的影响因素,提出了预计适应性平均热感觉模型;并通过大量的调查测试分析了不同满意度类型,确定了环境操作温度的上下限值。文献1 1 在实验室条件下对青年人进行了实验研究,得到室内舒适温度范围为2 12 2。如上所述,国内外学者对分时分区供暖热需求都做了一定研究,但大多都是结合地理特征、人员状态和设计规范等研究出室内舒适温度的取值范围,而如何在不同时间、不同空间、差异化人体热需求的前提下,结合室内舒适温度设定范围,设计太阳能热泵供暖系统的控制策略,目前尚未见文献报道。当太阳能与热泵系统设计良好时,设计合适的控制策略可更好地利用太阳能,并有效防止过度浪费1 2。文献1 3 在研究太阳能与A S H P热水系统时,针对不同运行模式系统的运行特点提出新的运行策略,降低了系统耗电量。文献1 4 提出了一种热泵开/关控制方法,通过测量储罐内的温度,及时改变通过泵的水流量,使系统能耗及热泵工作时间显著减少。显示出功耗和运行时间的显著减少。文献1 5 提出了一种快速响应的热泵热水器,采用形状记忆合金阀门对2个水箱设置不同的优先级,从而降低了能耗。如上所述,这些控制策略虽然都取得了不错的效果,但需要系统有额外的部件或需要在操作期间记录实时数据,这会让系统的复杂性和成本增加。综上所述,对于太阳能与A S H P供暖系统的运行,不仅涉及到不同热源的出力顺序问题,并且应该结合居民的热舒适要求,允许室温在一定范围内波动,设计合理的控制策略。本研究在前人对分时分 区 热 舒 适 研 究 的 基 础 上,提 出 太 阳 能 与A S H P联合按需分时供暖柔性节能控制策略,在T R N S Y S中开发了联合供暖系统模型,并使用所提出的控制策略控制系统运行,对比分析所提出的控制策略与常用控制策略的系统运行性能,包括供暖期间系统能耗、室温、太阳能保证率等,以验证所提控制策略的有效性和节能性。1 系统描述与建模太阳能与A S H P联合供暖系统主要包括太阳能集热器、蓄热水箱、A S H P、散热器、循环泵、温度传感器等部件,系统布局如图1所示。系统通过太阳能集热器吸收太阳能来加热管路中热水,并将热水送入蓄热水箱顶部进行蓄热,水箱底部温度较低的热水通过循环泵G 1的作用返回至集热器循环加热。系统通过判断集热器出口温度T1与集热器回水温度T2的差值大小及水箱温度T3的大小控制循环泵G 1的启停。图1 太阳能与A S H P联合供暖系统布局F i g.1 L a y o u t o f t h e s o l a r-A S H Pi n t e g r a t e dh e a t i n g s y s t e m 系统供热部分采用水箱与A S H P并联的方式为末端提供热量,通过检测室内温度T0的大小判断房间是否需要供暖,当需要供暖时,控制循环泵G 2开启,并检测水箱水温T3是否满足水箱供暖,若水箱热量足够,则使用水箱供暖,否则开启A S H P提供热量。通过检测室内温度T0的大小与当前时间所需室温舒适阈值的关系,判断室内是否有供暖需求。系统各部件模型均在T R N S Y S中建立,T R N S Y S为瞬时系统模拟程序,利用其建立的太阳能供暖与A S H P联合供暖模型如图2所示,其各部件详细数V o l.8N o.1闫秀英,等:太阳能与空气源热泵联合按需分时供暖柔性节能控制策略3 图2 联合供暖系统仿真模型示意图F i g.2 S i m u l a t i o nm o d e l o f i n t e g r a t e dh e a t i n g s y s t e m 学模型参见文献1 6。太阳能集热器、蓄热水箱、A S H P、循环泵等部件的主要参数根据G B5 0 4 9 52 0 1 9 太阳能供热采暖工程技术标准 计算得到。为验证系统的运行效果,选取了一个面积为1 0 0m2的典型住宅建筑,南北朝向,包含卧室和客厅,并选取了3个太阳能资源等级不同的地区进行模拟分析。不 同 地 区 的 环 境 条 件 及 部 件 参 数 如表1、2所示。表1 不同地区环境条件T a b l e1 E n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s i nd i f f e r e n t c i t i e s参数西安西宁拉萨太阳能资源等级三级二级一级年太阳辐照量/(MWhm-2)1.2 1 91.5 7 81.9 8 8供暖日期1 1-0 9次年0 3-1 51 0-1 0次年0 4-1 71 0-1 9次年0 4-1 5年平均温度/1 4.16.49.5表2 模拟系统部件及参数设置T a b l e2 C o m p o n e n t a n dp a r a m e t e r s e t t i n g so f s i m u l a t i o ns y s t e m部件部件选型初始参数设置西安西宁拉萨建筑模型T y p e 5 6换气速率:0.5/h负荷计算温度:1 8换气速率:0.5/h负荷计算温度:1 8换气速率:0.5/h负荷计算温度:1 8气象参数T y p e 1 5西安天气文件西宁天气文件拉萨天气文件集热器T y p e 1面积:2 5m2维度倾角太阳辐照:1 2.3M J/(m2d)维度倾角(冬季):+1 0 面积:2 2m2维度倾角太阳辐照:1 7.3M J/(m2d)维度倾角(冬季):+1 0 面积:2 2m2维度倾角太阳辐照:2 2M J/(m2d)维度倾角(冬季):+1 0 水箱T y p e 4 c体积:8m3热损失:0.6W/(m2K)体积:7m3热损失:0.6W/(m2K)体积:7m3热损失:0.6W/(m2K)A S H PT y p e 9 4 1额定制热量:7.9kW性能系数:3额定制热量:9.2k W性能系数:3额定制热量:5.8k W性能系数:3循环泵T y p e 1 1 4G 1流量:1.7 2m3/hG 1功率:0.0 8kWG 2流量:0.4 0m3/hG 2功率:0.0 2 7k WG 1流量:1.5 4m3/hG 1功率:0.0 7k WG 2流量:0.3 8m3/hG 2功率:0.0 2 5k WG 1流量:1.5 6m3/hG 1功率:0.0 7k WG 2流量:0.3 1m3/hG 2功率:0.0 2 0k W4 分布式能源第8卷 第1期2 室温允许波动下太阳能与 ASHP 节能控制策略目前,对于太阳能与A S H P供暖系统常用的控制策略主要包括:根据负荷及天气状况,通过切换分流器及阀门调整系统结构,从而选择当前情况下最优的运行模式来控制系统运行,达到降低能耗的目的1 7-1 9;在系统运行期间,采用恒定温度值进行控制4,可考虑分不同时段对室内热环境进行调控,具有一定的节能效果,在后续的对比中称为“改进的恒温策略”。在S H S中,常用的恒温策略主要以全天恒定的舒适温度为目标,通过控制供暖设备的启停,对室温进行调控,但是恒定的室温往往需要热泵长时间工作,这将显著增加系统能耗。根据建筑不同空间特点,对供暖温度分时段进行调节,并允许室温在一定范围内波动,能更好地降低系统能耗。已有研究发现,西北地区建筑中居民的活动轨迹和各功能房人员的在室率有着显著差异:客厅是昼间时段在室率最高的区域,夜间时段卧室的在室率达到8 0%以上;昼间居民的期望温度为1 6 2 0,夜间期望温度1 41 72 0-2 1。根据西北地区分时分区人员差异化热需求的不同,确定不同时段期望温度,分别给昼间及夜间2种供暖模式设置不同的温度波动阈值,温度波动范围在期望温度范围之间,通过实时检测房间温度并与当前时刻下室温波动阈值上下限的比较,响应房间供暖需求,具体昼间及夜间供暖模式确定过程如图3所示。控制系统主要包含太阳能集蓄热部分和供热部分。系统检测集热器出口温度T1、水箱至集热器回水温度T2,判断二者差值是否大于集热循环启动温差Ts o。当差值大于启动温差时,循环泵G 1开启,集热器吸收太阳能加热管路中的热水,并将热水输送至水箱进行蓄热,直到集热器出口温度T1与回水温度T2的差值小于停止温差Ts c时,关闭循环泵G 2。在供热端,系统判断当前时间处于昼间或夜间模式,并检测房间温度T0是否小于当前模式下温度波动阈值的下限Tl。若小于,则循环泵G 2开启,并判断此时水箱水温T3是否高于水箱可供暖温度Tg,若水箱热量足够,则由水箱单独进行供暖,否则由A S H P进行供暖;当房间温度T0高于当前模式下温度波动阈值的上限Tu,此时无需供暖,关闭循环泵G 2。集热部分和供热部分的控制逻辑如图4、5所示。图3 所提控制策略下的具体操作模式F i g.3 S p e c i f i c o p e r a t i o nm o d eu n d e r t h ep r o p o s e dc o n t r o l s t r a t e g y 图4 集热部分控制逻辑图F i g.4 C o n t r o l l o g i co f t h eh e a t c o l l e c t i o np a r t 图5 供热部分控制逻辑图F i g.5 C o n t r o l l o g i co f t h eh e a t s u p p l yp a r t V o l.8N o.1闫秀英,等:太阳能与空气源热泵联合按需分时供暖柔性节能控制策略5 3 实验结果对比分析3.1 室内温度图68显示了不同城市应用3种策略下的室内温度情况。恒温策略下西安及西宁的室内温度一直保持在1 8左右,拉萨地区室温保持在1 9左右。改进的恒温策略下,3个地区在昼间的室温 图6 西安在不同控制策略下的室温对比F i g.6 R o o mt e m p e r a t u r ec o m p a r i s o nu n d e rd i f f e r e n t c o n t r o ls t r a t e g i e s i nX i a n 图7 西宁在不同控制策略下的室温对比F i g.7 R o o mt e m p e r a t u r ec o m p a r i s o nu n d e rd i f f e r e n tc o n t r o l s t r a t e g i e s i nX i n i n g 图8 拉萨在不同控制策略下的室温对比F i g.8 R o o mt e m p e r a t u r ec o m p a r i s o nu n d e rd i f f e r e n t c o n t r o ls t r a t e g i e s i nL h a s a 与恒温策略下控制效果相近,在夜间温度会有所降低,这主要是因为夜间所设置的温度要求较低。在所提出的控制策略下,房间温度有更大范围的波动,昼间室内温度能升至更高,西安及西宁地区昼间平均温度在1 8左右,而拉萨地区昼间平均室温在1 9左右,这主要是因为拉萨地区的太阳辐照度更强,系统利用太阳能将室温提升到更高的范围,这将延缓室温下降的过程,对热泵工作时长的减少具有积极作用;同时,所提出的策略下室温虽然有较大范围的波动,但仍满足昼间及夜间的舒适温度需求。3.2 热泵工作情况图91 1显示了系统在不同城市应用3种控制策略下热泵性能系数(c o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e,C O P)的变化情况,C O P定义为CCO P=QA S H P()/EA S H P()(1)式中:QA S H P为A S H P产热;EA S H P为A S H P消耗的电能;为A S H P工作时间。由图91 1可见,C O P可清楚地表示热泵的工作时间。恒温策略下,A S H P在3个地区的运行时长分别为8 3 0、3 0 7和1 4 9h,在一天中各个时间都有运行;改进的恒温策略下,A S H P在3个地区的开启总时长分别为7 4 9、2 4 6和1 0 4h,工作时长均有所减少;所提出的控制策略下,A S H P的工作时长最少,分别为6 8 6、2 1 5和7 8h,且A S H P的工作时间主要集中于昼间模式后,这是因为昼间模式下房间舒适目标温度较高,系统在切换至昼间模式前太阳能不足以将水箱加热到供热温度,此时只能利用A S H P进行供热,白天室内温度在太阳能及A S H P的作用下升高到更高温度,这将延缓房间温度下降的过程,只有当夜间房间温度下降至可接受的下限时,A S H P才会再次开启供热,因此A S H P的工作时间大大减少了,这将为系统能耗的减少起到重要作用。3.3 典型日系统性能图1 2显示了3个城市应用不同控制策略时在典型日的室温、水箱温度及A S H P工作情况,可见:在室温的对比中,恒温策略下室温在全天保持在1 8左右,且波动较小,改进的恒温策略下室温在昼间保持在1 8左右,在夜间保持在1 6左右;而所提出的策略下室温在一天中有较大范围的波动,系统切换至昼间模式后(0 8:0 0),室温迅速升高,并在下午达到最大值,西安及西宁地区最高温度接近2 0,6 分布式能源第8卷 第1期 图9 西安在不同控制策略下的热泵C O P情况F i g.9 V a r i a t i o no f t h eu n i tC O Pu n d e rd i f f e r e n t c o n t r o l s t r a t e g i e sd u r i n gh e a t i n gp e r i o d i nX i a n 图1 0 西宁在不同控制策略下的热泵C O P情况F i g.1 0 V a r i a t i o no f t h eu n i tC O Pu n d e rd i f f e r e n t c o n t r o l s t r a t e g i e sd u r i n gh e a t i n gp e r i o d i nX i n i n g 图1 1 拉萨在不同控制策略下的热泵C O P情况F i g.1 1 V a r i a t i o no f t h eu n i tC O Pu n d e rd i f f e r e n t c o n t r o l s t r a t e g i e sd u r i n gh e a t i n gp e r i o d i nL h a s a 拉萨地区最高温度接近2 1,随后在夜间模式下温度降至1 5左右,所提出的策略下室温虽然有较大范围的波动,但仍满足昼间及夜间的舒适温度范围。上述现象可用水箱温度和A S H P的工作情况来解释。3种策略下水箱温度均在中午上升至所需的供暖温度,此时房间仅通过水箱进行供暖,当水箱温度下降至可供暖温度以下时,A S H P进行供暖。恒温策略下,由于全天恒定温度的需要,热泵大部分时间都在工作,仅在下午水箱热量充足时关闭;改进的恒温策略下,由于夜间模式下室温需求降低,热泵较恒温策略在更晚的时候才开启;所提出的策略下,热泵仅在系统切换至昼间模式后开启,这是因为室温需求较夜间模式提高,此时太阳能还不足以将水箱加热至所需供暖温度,只能通过A S H P对末端进行供热,室温在A S H P的作用下快速上升至昼间所需的温度范围,当水箱温度足够时切换至水箱进行供热,由于室温具有更大的允许波动范围,室温在水箱供热的作用下上升至更高温度,这将延缓室温下降至温度波动下限的时间,从而大大减少A S H P的工作时间,同时,水箱热量被充分利用,水箱温度也更快下降,从而在第2天上午前保持较低的温度,这将增加太阳能收集的效率。V o l.8N o.1闫秀英,等:太阳能与空气源热泵联合按需分时供暖柔性节能控制策略7 图1 2 不同地区典型日在不同控制策略下的室温、水箱温度及热泵工作情况F i g.1 2 R o o mt e m p e r a t u r e,w a t e r t a n kt e m p e r a t u r e,a n dC O Po f t h eA S H Pu n d e rd i f f e r e n t c o n t r o l s t r a t e g i e so na t y p i c a l d a y i nd i f f e r e n t l o c a t i o n s 对比这3个城市,太阳能资源等级越高的地区,太阳辐照度越强,集热器充分利用太阳能将水箱温图1 3 西安在不同控制策略下水箱与A S H P供热占比及太阳能保证率F i g.1 3 H e a t s u p p l y r a t i o s o fw a t e r t a n ka n dA S H Pa n d t h e s o l a r f r a c t i o no f t h e s y s t e mu n d e r t h e t h r e ec o n t r o l s t r a t e g i e s i nX i a n 度加热至更高温度,且水箱能更长时间地保持在可供热温 度 之 上,这 将 延 长 水 箱 的 供 热 时 间,减 少A S H P的工作时间,因此所提出的策略在高辐照度地区能带来更大的节能效益。3.4 太阳能保证率图1 31 5显示了不同城市的太阳能保证率情况。太阳能保证率f定义为f=(QS-QA S H P)QS(2)式中QS为系统总供热量。系统总的供热量主要由水箱和A S H P的供热量组成,为了简化,忽略管道的热损失,太阳能的利用主要通过水箱的供热体现。所提出的控制策略下系统的太阳能保证率是最高的,恒 温 策 略 是 最 低 的,这 主 要 是 由 水 箱 和A S H P的出力占比不同导致的。恒温策略下,系统需要在一天中的任何时段供给给房间充足的热量以保证房间恒定的室温,当无太阳能可利用时,需要热泵持续工作来提供房间所需要的热量。所提出的控制策略下,太阳能回路具有更高的优先级,8 分布式能源第8卷 第1期图1 4 西宁在不同控制策略下水箱与A S H P供热占比及太阳能保证率F i g.1 4 Hea t s u p p l y r a t i o s o fw a t e r t a n ka n dA S H Pa n d t h e s o l a r f r a c t i o no f t h e s y s t e mu n d e r t h e t h r e e c o n t r o l s t r a t e g i e s i nX i n i n g 图1 5 拉萨在不同控制策略下水箱与A S H P供热占比及太阳能保证率F i g.1 5 H e a t s u p p l y r a t i o s o fw a t e r t a n ka n dA S H Pa n d t h e s o l a r f r a c t i o no f t h e s y s t e mu n d e r t h e t h r e e c o n t r o l s t r a t e g i e s i nL h a s a 温度波动阈值的设置使白天日照充足时系统能充分收集太阳能并通过水箱供给给末端,使室温升至更高的温度,太阳能被充分利用;同时,水箱在次日供暖前能保持更低的温度,提高了太阳能的利用率,夜间无太阳能可用时且室温低于夜间温度波动下限时才开启热泵,使房间温度保持在可接受的最小范围。因此,热泵的工作时长减少,热泵供热量在总供热量中的占比降低,从而提高太阳能保证率。就这些地点而言,拉萨的太阳能辐照度相对较高,因此太阳能保证率要高于西安和西宁。3.5 能耗图1 61 8显示了系统在3个地区应用不同策略下的总能耗,总能耗包括A S H P、集热循环泵、供暖循环泵消耗的电能。图1 6 西安在不同控制策略下的能耗对比F i g.1 6 C o m p a r i s o no f t h e t o t a l s y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o nu n d e rd i f f e r e n t c o n t r o l s t r a t e g i e s i nX i a n 在这3个城市中,拉萨地区的总能耗最小,西安地区的总能耗最大,这与热负荷、太阳辐照度和环境温度的差异有关。在3种策略中,恒温策略的能V o l.8N o.1闫秀英,等:太阳能与空气源热泵联合按需分时供暖柔性节能控制策略9 图1 7 西宁在不同控制策略下的能耗对比F i g.1 7 C o m p a r i s o no f t h e t o t a l s y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o nu n d e rd i f f e r e n t c o n t r o l s t r a t e g i e s i nX i n i n g 图1 8 拉萨在不同控制策略下的能耗对比F i g.1 8 C o m p a r i s o no f t h e t o t a l s y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o nu n d e rd i f f e r e n t c o n t r o l s t r a t e g i e s i nL h a s a 耗最大,因为恒定的温度目标需要热泵长时间开启;与恒温策略相比,改进的恒温策略能耗有所降低,这是因为对昼间和夜间设置了不同的温度目标;对于所提出的控制策略,不仅考虑了不同时段的室内舒适温度需求,设置一定的温度波动范围对室温进行控制,并且控制策略优先使用太阳能,减少了热泵的工作时长,系统能耗最低。表3显示了系统应用3种控制策略下水泵及A S H P的能耗,热泵是系统中最耗能的部分,缩短其工作时长对降低系统能耗起到关键性作用。由表3可见:拉萨地区的节能效果最好,所提出的控制策略与恒温策略相比,系统总能耗降低了4 5%,与改进的恒温策略相比降低了2 4%;西宁地区能耗分别降低了2 9%和1 2%;西安地区能耗分别降低了1 7%和8%。总能耗的降低主要是通过减少热泵工作时长实现的,在所提出控制策略的系统下,太阳能具有更高的优先级,因此在太阳辐照度越强的地 区,太阳能的 利 用 率 越 高,节 能 效 果越好。表3 不同策略下系统主要部件能耗T a b l e3 E n e r g yc o n s u m p t i o no f t h em a i ns y s t e mc o m p o n e n t su n d e rd i f f e r e n t c o n t r o l s t r a t e g i e s城市主要部件能耗/(k Wh)恒温策略改进的恒温策略所提出的策略西安集热循环泵3 1.23 1.43 1.3供暖循环泵4 0.23 6.73 6.1A S H P18 4 9.116 7 2.315 2 7.1总计19 2 0.517 4 0.415 9 4.5西宁集热循环泵6 8.56 6.26 2.9供暖循环泵5 3.74 6.34 3.1A S H P12 9 6.110 3 8.79 0 5.2总计14 1 8.311 5 1.210 1 1.2拉萨集热循环泵5 8.45 2.54 2.0供暖循环泵2 4.02 0.41 6.0A S H P5 0 3.93 5 3.52 6 4.7总计5 8 6.34 2 6.43 2 2.74 结论本文提 出 了 一 种 室 温 允 许 波 动 下 太 阳 能 与A S H P供暖的节能控制策略,通过T R N S Y S搭建仿真模型,分析所提出的控制策略与常用的“恒温策略”在3个太阳能资源等级不同的城市供暖期的运行特性,研究结果表明:(1)3个地区的对比中,所提出的控制策略下室温虽然有较大范围的波动,但仍满足昼间及夜间的舒适温度范围。(2)所提出的控制策略下,A S H P的工作时长最短,在西安地区,所提出的控制策略较恒温策略和改进的恒温策略A S H P的工作时间分别减少了1 7%和8%;在西宁地区,分别减少了2 9%和1 2%;在拉萨地区分别减少了4 5%和2 4%。(3)通过对典型日的室温、水箱温度、热泵工作情况对比发现,在所提出的控制策略下,温度波动阈值的设置使得室温在昼间能提升到更高的范围,从而延缓热泵开启时间;当夜晚室温过低,系统仅依靠热泵供热时,室内温度保持在人体可接受的最小范围。同时,水箱温度在第2天上午前保持更低的温度,这将增加太阳能收集的效率。(4)由于太阳能具有更高的优先级,所提出的控制策略较恒温策略水箱供热占比提高,热泵供热占比降低,从而提高了太阳能保证率。(5)系统总能耗的降低主要是通过A S H P能耗的降低实现的,在所提出的控制策略下,太阳能1 0 分布式能源第8卷 第1期具有更高的优先级,因此高辐照度地区,太阳能的利用率更高,节能效果更好。在拉萨地区,所提出的控制策略与恒温策略相比,系统总能耗降低了4 5%,与改进的恒温策略相比,降低了2 4%;西宁地区能耗分别降低2 9%和1 2%;西安地区能耗分别降低1 7%和8%。参考文献1 陈雁,孙德胜.空气源热泵 太阳能组合系统在寒冷地区运行特性的模拟研究J.暖通空调,2 0 1 1,4 1(7):1 2 3-1 2 7.C HE NY a n,S UND e s h e n g.S i m u l a t i o ns t u d yo ns