严寒地区农村太阳能与空气源热泵供热系统优化研究_张志正.pdf

1 0/2 55 6-6 0长春工程学院学报(自然科学版)2 0 2 2年 第2 3卷 第4期J.C h a n g c h u n I n s t.T e c h.(N a t.S c i.E d i.),2 0 2 2,V o l.2 3,N o.4I S S N 1 0 0 9-8 9 8 4C N 2 2-1 3 2 3/Nd o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 9-8 9 8 4.2 0 2 2.0 4.0 1 0严寒地区农村太阳能与空气源热泵供热系统优化研究收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 3作者简介:张志正(1 9 7 1-),男(汉),山东人,教授,博士主要研究热能及太阳能利用。张志正,张 浩,可 悦,华云峰(长春工程学院,长春 1 3 0 0 1 2)摘 要:利用 T R N S Y S 软件,通过对长春地区某典型农村住宅太阳能与空气源热泵供热系统进行模拟,分析了该供热系统对长春农村住宅的适用性,重点探究了空气源热泵启停温度控制参数、供水温度和运行策略对系统性能及运行费用的影响。结果表明,太阳能与空气源热泵供热系统能够满足长春地区该典型农村住宅冬季供暖的要求,室内温度保持在1 82 4,舒适度较好;空气源热泵启停温度控制参数每降低1,供暖季系统能耗降低2%3%;供水温度每降低1,系统能耗降低0.8%0.9%;最低运行费用策略优于最大利用太阳能的运行策略。采用最低运行费用策略的供热系统能耗可降低3%4%,运行费用可减少7%8%。关键词:太阳能;空气源热泵;启停温度控制参数;供水温度;运行策略中图分类号:TU 8 3 2文献标志码:A 文章编号:1 0 0 9-8 9 8 4(2 0 2 2)0 4-0 0 5 6-0 51 问题及背景目前,我国北方严寒地区农村冬季供热仍以燃煤方式为主,劳动量大且污染严重。同时,该供热方式会使得农村建筑在供暖期的室内温度波动大,白天室内温度尚能满足供热要求,夜间熄火后室内温度很低,有时会低于5,且影响环境、效率低1。农村的供热方式也是减少碳排放的着力点,随着太阳能与空气源热泵技术的发展,国家在冬季煤改电项目的推进过程中,以太阳能与空气源热泵联合供热为代表的清洁能源成为未来供热发展的主要方向之一,可以在很大程度上节约能源,缩减成本,保护环境。针对太阳能与空气源热泵供热系统的性能分析,胡文举等2对北京农村地区一户平房所采用的空气源热泵加散热器末端供暖系统进行了试验测量,得出该系统运行稳定,冬季室内温度达1 5,制热性能系数达2.7 5,供暖效果良好的结论。K a y-g u s u z,e t a l3对太阳能与空气源热泵供暖的串、并联形式的集热器效率进行试验和研究,发现并联热泵系统比串联热泵系统更节能。陈子丹等4在寒冷地区搭建空气源热泵供暖系统试验项目中,通过分析该供暖系统在供暖季的运行特性,得出建筑室内温度可达2 0,系统制热性能系数高达2.2 4,节能性要高于燃气锅炉,C O2排放量比燃煤锅炉下降2 0%的结论。但对太阳能与空气源热泵供热系统中空气源热泵启停温度控制参数、供水温度和运行策略的研究,相对较少。本文以严寒地区具有一定典型性的长春市为研究地点,以农村建筑太阳能与空气源热泵供热系统为研究对象,通过对复合供热系统的优化研究,为今后太阳能与空气源热泵供热系统的推广提供有效方案及数据支持。2 模型简介利用T R N S Y S软件搭建太阳能与空气源热泵供热系统仿真模型。该模型主要包括太阳能集热器模块、板式换热器模块、空气源热泵模块、蓄热水箱模块和建筑负荷模型等,太阳能与空气源热泵供热系统如图1所示。2.1 建筑热负荷本文选取长春地区某典型农村住宅为研究对象,其建筑面积为1 2 8 m2,如图2所示。长春市采暖的规定时间为1 0月2 0日次年4月6日,室内设计温度为1 8,根据J G J 2 62 0 1 8 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准5,利用T R N S Y S软件进行模拟计算,整理分析计算结果得到逐时建筑热负荷,如图3所示。由图3可知,整个供暖季农村建筑热负荷波动较大,且中期逐时热负荷高于初期和末期,这与供暖季中期室外环境温度以及太阳辐射辐照度较低,而供暖季初期和末期的室外环境温度以及太阳辐射辐照度较高的气象参数一致。供暖季最冷月平均热负荷为6.1 7 k W,单位面积平均热负荷为4 8.2 0 W/m2。图1 太阳能与空气源热泵供热系统系统仿真模型图2 建筑模型图3 逐时建筑热负荷2.2 真空管太阳能集热器数学模型真空管太阳能集热器的能量平衡方程和有用能量公式分别为式(1)(2):QA=QU+QS+QL,(1)QU=AcmCP(To u t-Ti n),(2)式中:QA为单位时间内真空管太阳能集热器吸收的太阳辐射能量,W;QU为单位时间内真空管太阳能集热器输出的有用能量,W;QS为单位时间内真空管太阳能集热器自身储存的能量,W;QL为单位时间内真空管太阳能集热器向周围环境散失的能量,W;m为真空管太阳能集热器单位面积介质质量流量,k g/(m2s);CP为介质定压比热容,J/(k g);To u t为真空管太阳能集热器内工质出口温度,;Ti n为真空管太阳能集热器内工质进口温度,。2.3 真空管太阳能集热器面积计算太阳能与空气源热泵供热系统中太阳能集热系统为间接加热系统,太阳能集热器面积公式为(3)(4)AI N=AC1+ULACUh xAh x(),(3)AC=8 6 4 0 0QsfJCC(1-L),(4)式中:AI N为间接系统集热器总面积,m2;AC为直接系统集热器总面积,m2;UL为集热器总热损系数,w/(m2);Uh x为换热器传热系数,w/(m2);Ah x为间接系统换热器面积,m2;Qs为太阳能集热器承担的热负荷,w;为太阳能保证率,%;JC为太阳能集热器采光面上1 2月平均日太阳能辐照量,J/(m2d);C为集热效率;L为管路及集热水箱热损失率,%。计算可得集热器面积为3 5 m2。2.4 空气源热泵数学模型空气源 热 泵 的 制 热 量 和 制 热 性 能 公 式 为 式(5)(6):Qh=cwmw(to-ti),(5)QCO P=QhPh,(6)式中:Qh为 热 泵 制 热 量,W;cw为 水 的 比 热 容,75 张志正,等:严寒地区农村太阳能与空气源热泵供热系统优化研究J/(k g);mw为冷却水质量流量,k g/s;to为冷却水进水温度,;ti为冷却水出水温度,;Ph为空气源热泵功率,W。2.5 运行模式该系统共有3种运行模式:1)太阳能集热系统单独供热模式。当室外光照条件充足时,集热器将收集的热量通过板式换热器传递给蓄热水箱,太阳能集热系统单独运行能够满足农村住宅的供热要求,若有剩余热量,则将其储存在蓄热水箱中。2)太阳能与空气源热泵联合供热模式。在多云、阴天等光照不足的天气情况下,太阳能集热系统单独运行无法满足农村住宅的供暖要求,此时需要开启空气源热泵供热系统,两个系统联合运行,以满足供暖要求。3)空气源热泵供热系统单独供热模式。在没有太阳辐射并且蓄热水箱已无多余热量的情况下,空气源热泵供热系统单独运行给住宅供暖。3 系统运行性能仿真与优化3.1 系统运行工况模拟结果通过T R N S Y S软件对太阳能与空气源热泵复合供热系统进行供暖季模拟计算,整理分析计算结果得图46。图4 最冷月份(1月份)逐时室内外温度变化曲线图图4中T1、T2、T3、Ta分表表示卧室一温度、客厅温度、卧室二温度、室外温度,由该图可知,长春1月份室外寒冷,最低温度可达到-2 7,平均温度在-1 5。通过太阳能与空气源热泵供热系统对农村建筑进行供暖,供暖期间室内温度稳定在1 8 2 4,满足长春市居民用户室内温度昼夜不得低于1 8 的要求。并且室内温度变化较为平稳,不受室外环境温度变化大的影响,室内热舒适性较好。图5是供暖季各月太阳能集热器集热量、空气源热泵制热量和系统C O P。由该图可知,空气源热泵制热量呈现先增大后减小的趋势,且1 2月份和次年1月份空气源热泵制热量大于太阳能集热器集热量,由于1 2月和次年1月室外环境温度较低且建筑热负荷较大,此时系统C O P较低,供暖季系统平均C O P为5.5。图5 逐月集热量、制热量和系统C O P图6 供热系统能耗比例图供热系统各能耗部件的用电量比例如图6所示,由该图可知,空气源热泵能耗最大为3 7 5 5.7 6 k Wh,约占系统总能耗的9 0.0 7%,其次是负荷侧循环水泵为2 8 3.9 2 k Wh,占系统总能耗的6.8 1%。通过前述数据可知,复合供热系统虽然满足用户对于供热的需求,但是其热泵机组是系统最大的能耗部件,存在很大的节能优化空间。3.2 优化分析3.2.1 空气源热泵启停温度控制参数对系统性能的影响由模拟分析可知,空气源热泵能耗是供热系统的主要能耗,而影响空气源热泵能耗的主要因素是空气源热泵的启停温度。空气源热泵供热系统的启停受蓄热水箱顶部温度TS的控制,当蓄热水箱顶部温度TS小于启动温度控制参数TL时,空气源热泵供热系统开始运行。当蓄热水箱顶部温度TS大于停止温度控制参数TH时,空气源热泵供热系统停止运行,具体控制策略为:TSTH,空气源热泵供热系统停止。为了研究空气源热泵启停温度控制参数对供热系统能耗和系统C O P的影响,设定空气源热泵启停温度TL、TH为3 5 和4 0、3 7 和4 2、3 9 和4 4、4 0 和4 5 的供热系统进行模拟计算,整理分析计算结果可得图78。图7 不同启停温度控制参数对应的系统能耗和太阳能保证率图8 逐月系统能耗和系统C O P由图78可知,随着启停温度控制参数的增大,系统能耗增加,系统太阳能保证率减小,且1 2月份和次年1月份的系统能耗高于其他月份,这是由于随着空气源热泵启停温度控制参数的增大,系统运行时间增加,导致运行能耗增加,同时启停温度升高,会使蓄热水箱温度升高,进而导致集热器进出口温差减小,集热效率降低,导致太阳能保证率减小。热泵启停温度控制参数每降低1,供暖季系统能耗降低2%3%,太阳能保证率升高0.5 2%,系统C O P升高0.1 2。因此,在供暖季的不同时期,根据热负荷的不同,适当降低热泵启停温度控制参数是减少供热系统运行能耗的重要措施。3.2.2 供水温度对系统性能的影响供水温度是影响太阳能与空气源热泵供热系统的重要因素,为了研究供水温度对系统能耗和系统C O P的影响,在初始供水温度4 3 的基础上,分别选取供水温度为3 8、4 0、4 2 的供热系统进行模拟,模拟结果如图91 0所示。由图91 0可知,随着供水温度的逐渐增加,供热期内系统能耗呈现出不断增加的趋势,且1 2月份与次年1月份的增幅大于其他月份。供水温度为3 8 与4 3 相比,供热期系统能耗可降低4.2 7%,供水 温 度 每 降 低1,系 统 能 耗 降 低0.8%0.9%。供水温度降低,回水温度随之降低,空气源热泵进口水温降低,集热器换热温差增大,从而使系统C O P增大。因此,在供暖季的不同时期,根据热负荷的不同,适当降低供水温度设定值是减少供热系统运行能耗的重要措施。图9 不同供水温度对应的系统能耗和系统C O P图1 0 逐月系统能耗和系统C O P3.2.3 运行策略对系统性能的影响供热系统的性能与运行策略密切相关,合理的运行策略可提高系统性能、降低能耗、减少运行成本,该系统采用最大利用太阳能的运行策略,即当室内有供暖需求时,各供热模式开启的优先级:太阳能单独供暖、太阳能和空气源热泵联合供暖,空气源热泵单独供暖。未考虑室外温度和长春市分时电价政策对供热系统的影响,分时电价政策见表1。对该95 张志正,等:严寒地区农村太阳能与空气源热泵供热系统优化研究系统采用运行费用最低策略,即通过时间和蓄热水箱顶部温度控制空气源热泵的启停,2 1:0 0次日8:0 0为低谷电阶段,空气源热泵同时满足农村建筑的供热和蓄热水箱蓄热,8:0 02 1:0 0为平价电阶段,选取室外温 度较高的时 间段1 0:0 01 2:0 0、1 4:0 01 6:0 0、1 8:0 02 0:0 0,分时段开启空气源热泵给供热系统补热,以保证供热系统可以满足用户的供热需求。表1 长春市分时电价类别时段时长/h价格/(元(k Wh)-1)峰电8:0 02 1:0 01 30.5 6 2谷电2 1:0 08:0 01 10.3 2 9图1 1 不同运行策略系统能耗图1 2 不同运行策略系统运行费用由图1 11 2可知,运行能耗与运行费用都呈现先增大后减小的趋势,在1 2月份与次年1月份的能耗较大,运行费用较高,这是由于此时间段室外温度较低,太阳辐射量较小,空气源热泵C O P较低,建筑热负荷较大。太阳能与空气源热泵供热系统采用运行费用最低策略比采用最大太阳能运行策略的系统能耗少,运行费用低。这是由于在8:0 02 1:0 0,选取室外温度较高的时间段运行空气源热泵,此时空气源热泵C O P较高,而在2 1:0 0次日8:0 0,采用低谷电,从而降低运行成本。采用运行费用最低策略整供暖季比采用最大太阳能运行策略能耗降低3%4%,运行费用减少了7%8%。4 结论1)本文使用 T R N S Y S 软件对太阳能与空气源热泵复合供热系统进行了模拟。从模拟情况看,该系统的参数选择满足长春地区该典型农村住宅冬季供暖的要求,室内温度保持在1 82 4,舒适度较好。2)降低空气源热泵启停温度控制参数能够有效地降低供热系统能耗,热泵启停温度控制参数设定值每降低1,系统供热期能耗降低约2%3%,太阳能保证率升高0.5 2%,系统C O P升高0.1 2。因此,在供暖季不同阶段,根据热负荷的不同,可适当降低热泵启停温度控制参数,从而减少运行能耗。3)降低太阳能与空气源热泵供热系统供水温度,能够有效地降低供热系统能耗,供水温度每降低1,系统的能耗降低0.8%0.9%。因此,在供暖季的不同阶段,根据热负荷的不同,可适当降低供水温度的设定值,从而减少运行能耗。4)供热系统采用运行费用最低策略优于最大太阳能运行策略,若采用运行费用最低策略,整个供暖季供热系统的运行能耗可降低3%4%,运行费用可减少7%8%。参考文献1 任洪国.热宜居视角下严寒地区农村住宅设计研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2 0 1 6.2 胡文举,张帅,李德英,等.北京地区空气源热泵供暖系统的应用研究J.流体机械,2 0 1 7,4 5(7):5 8-6 1.3 K a y g u s u z K.E x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o n o f a s o l a r h e a t i n g s y s t e m w i t h h e a t p u m pJ.R e n e w a b l e E n e r g y,2 0 0 0,2 1(1):7 9-1 0 2.4 陈子丹,罗会龙,刘锦春,等.寒冷地区C O2空气源热泵供暖运行性能分析J.化工学报,2 0 1 8,6 9(9):4 0 3 0-4 0 3 6.5 中华人民共和国住房和城乡建设部.J G J 2 62 0 1 8 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准S.北京:中国建筑工业出版社,2 0 1 9.6 中华人民共和国住房和城乡建设部.G B 5 0 4 9 52 0 1 9 太阳能供热采暖工程技术标准S.北京:中国建筑工业出版社,2 0 1 9.(下转第8 9页)06长春工程学院学报(自然科学版)2 0 2 2,2 3(4)地体现和保护城市的地域文化属性。参考文献1 梁江,刘泉,孙晖.伪满时期长春城市规划形态探源J.城市规划学刊,2 0 0 6(4):9 3-9 8.2 姜彦冰.长春市历史文化名城传统格局保护评估C/中国城市科学研究会.2 0 1 9城市发展与规划论文集.郑州:北京邦蒂会务有限公司,2 0 1 9:8 7 6-8 8 3.3 金春燕,赵要伟,翟剑辉.历史文化街区之“街道美学”初探 以长春市南广场历史文化街区为例C/中国城市规划学会.转型与重构 2 0 1 1中国城市规划年会论文集.南京:东南大学出版社,2 0 1 1:7 9 6 6-7 9 7 6.4 刘泉,梁江.近代东北城市规划的城市空间形态元素M.大连:大连理工大学出版社,2 0 1 4.5 于维联,李之吉.长春近 代 建筑 M.长 春:长 春出 版社,2 0 0 1.R e s e a r c h o n S p a t i a l F o r m a n d O p t i m i z a t i o n D e s i g n o f H i s t o r i ca n d C u l t u r a l B l o c k o f S o u t h S q u a r e i n C h a n g c h u nZ HANG G u a n g-p i n g,e t a l.(S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e a n d P l a n n i n g,J i a n z h u U n i v e r s i t y,C h a n g c h u n 1 3 0 1 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:C h a n g c h u n S o u t h S q u a r e H i s t o r i c a l a n d c u l t u r a l B l o c k i s a r e l a t i v e l y c o m p l e t e a r e a w i t h t h e o u t-s t a n d i n g c h a r a c t e r i s t i c s r e t a i n e d s i n c e m o d e r n t i m e s i n C h a n g c h u n.T h i s b l o c k r e f l e c t s t h e d e v e l o p m e n t o f C h a n g c h u n c i t y f o r o n e h u n d r e d y e a r s a n d w i t n e s s e s t h e d e v e l o p m e n t a n d c o n t i n u a t i o n o f u r b a n h i s t o r y a n d c u l t u r e,w h i c h i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e a n d h i s t o r i c a l v a l u e.B a s e d o n t h e r e s e a r c h o f t h e h i s t o r i c a l a n d c u l t u r-a l b l o c k s s o u t h s q u a r e i n C h a n g c h u n s p a c e f o r m t h e s t a t u s q u o a n a l y s i s o f t h e m a i n f e a t u r e s,s u mm a r i z e s i t s p r o t e c t i o n v a l u e,a n d p r o p o s e s a n d s t u d i e s t h e o p t i m a l d e s i g n m e t h o d,t o m a k e t h e h i s t o r i c a l a n d c u l t u r-a l b l o c k s t o C h a n g c h u n c i t y s o u t h s q u a r e i n h e r i t a n c e a n d i n n o v a t i o n,i m p r o v e t h e u r b a n l a n d s c a p e f e a t u r e s,a n d p r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e r e l a t e d r e s e a r c h a n d p r a c t i c e a n d f u t u r e r e f e r e n c e.K e y w o r d s:s o u t h s q u a r e;u r b a n f a b r i c;u r b a n r e n e w a l;t h e o p t i m i z a t i o n d e s i g n(上接第6 0页)O p t i m i z a t i o n o f S o l a r a n d A i r S o u r c e H e a t P u m p H e a t i n g S y s t e m i n S e v e r e C o l d A r e a sZ HANG Z h i-z h e n g,e t a l.(C h a n g c h u n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y,C h a n g c h u n 1 3 0 0 1 2,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h i s p a p e r,T R N S Y S s o f t w a r e i s u s e d t o s i m u l a t e t h e s o l a r a n d a i r s o u r c e h e a t p u m p h e a t i n g s y s t e m o f a t y p i c a l r u r a l r e s i d e n c e i n C h a n g c h u n.T h e a p p l i c a b i l i t y o f t h e h e a t i n g s y s t e m t o r u r a l r e s i d e n t i a l b u i l d i n g s i n C h a n g c h u n i s a n a l y z e d,a n d t h e i n f l u e n c e o f t h e s t a r t i n g a n d s t o p p i n g t e m p e r a t u r e c o n t r o l p a-r a m e t e r s o f t h e a i r s o u r c e h e a t p u m p,t h e w a t e r s u p p l y t e m p e r a t u r e a n d t h e o p e r a t i o n s t r a t e g y o n t h e s y s-t e m p e r f o r m a n c e a n d o p e r a t i o n c o s t i s m a i n l y e x p l o r e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s o l a r e n e r g y a n d a i r s o u r c e h e a t p u m p h e a t i n g s y s t e m c a n m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f t h e t y p i c a l r u r a l r e s i d e n t i a l h e a t i n g i n C h a n g c h u n i n w i n t e r,a n d t h e i n d o o r t e m p e r a t u r e i s k e p t b e t w e e n 1 8 a n d 2 4,w i t h t h e b e t t e r c o m f o r t.T h e e n e r g y c o n s u m p t i o n o f t h e s y s t e m w i l l b e r e d u c e d b y 2%-3%i n t h e h e a t i n g s e a s o n w h e n t h e s t a r t i n g a n d s t o p p i n g t e m p e r a t u r e c o n t r o l p a r a m e t e r s o f t h e a i r s o u r c e h e a t p u m p a r e r e d u c e d b y 1.T h e s y s t e m e n e r g y c o n s u m p t i o n w i l l b e r e d u c e d b y 0.8%-0.9%w h e n t h e w a t e r s u p p l y t e m p e r a t u r e i s r e d u c e d b y 1.T h e m i n i m u m o p e r a t i n g c o s t s t r a t e g y i s s u p e r i o r t o t h e o p e r a t i o n s t r a t e g y o f m a x i m u m u t i l i z a t i o n o f s o l a r e n e r g y.T h e e n e r g y c o n s u m p t i o n o f t h e h e a t i n g s y s t e m u s i n g t h e m i n i m u m o p e r a t i n g c o s t s t r a t e g y m a y b e r e d u c e d b y 3%-4%,a n d t h e o p e r a t i n g c o s t m a y b e r e d u c e d b y 7%-8%.K e y w o r d s:s o l a r e n e r g y;a i r-s o u r c e h e a t p u m p;s t a r t-s t o p t e m p e r a t u r e c o n t r o l p a r a m e t e r s;w a t e r s u p p l y t e m p e r a t u r e;o p e r a t i o n s t r a t e g y98 张广平,等:长春市南广场历史文化街区空间形态及其优化设计研究