基于TRNSYS的太阳能-空气能高效供暖系统仿真模拟研究.pdf

基于 的太阳能空气能高效供暖系统仿真模拟研究倪丹杨方德彭淑英吴博伦（上海勘测设计研究院有限公司，上海）摘要：针对内蒙地区农牧民居住建筑设计了一套户用太阳能空气能高效供暖系统，使用 软件搭建了供暖系统模型，模拟供暖季供热系统运行情况，从系统能耗、太阳能集热效率、供热性能系数等方面对比分析了该系统与太阳能复合空气源热泵供暖系统的性能。结果表明，与太阳能复合空气源热泵供暖系统相比，该系统的太阳能集热效率、太阳能转化总效率、供暖季制热性能系数分别提高了 、，该系统利用蓄热水箱低品位热源实现了太阳能高效供热，且节能效果显著。关键词：太阳能；空气能；高效供暖；能耗；太阳能集热效率；供热性能系数倪丹，女，年生，硕士研究生，工程师 上海虹口区逸仙路 号 ：收稿日期：引言内蒙地区农牧民居住用房冬季供暖方式主要为火炕、土暖气、火炉、电暖器和空调等，其中以燃烧煤炭、薪柴、秸秆等形式为主的供暖方式占比达，居民对室内热舒适度的不满意度达 。在“双碳”和乡村振兴双重背景下，提高内蒙地区农牧民冬季室内居住环境，有效利用清洁能源且降低能耗，具有重要的研究价值。内蒙地区大部分是太阳能资源分布区、区，太阳能资源丰富且较易获取。因此太阳能作为清洁能源广泛应用于供暖系统中，但是也存在供热不稳定不连续、与用户供热需求不匹配等问题，一般通过设置辅助热源解决上述问题，太阳能复合空气源热泵系统供暖为当下的研究热点。在系统性能研究中，通常 借 助 仿 真 实 验 设 计 平 台 来 模 拟 系 统 运 行，其 中 软件使用广泛且计算结果准确。文献 基于多目标优化设计方法，通过仿真软件搭建供暖系统模型模拟对比了优化前后的运行性能，以提高热泵运行效率和太阳能利用率。在已有研究中，太阳能复合空气源热泵系统无法解决蓄热水箱低温热无法有效利用和空气源热泵供暖运行费用高的问题。基于上述研究背景，本文提出将太阳能光热蓄热和空气水双热源热泵耦合的联合供暖系统，以高效利用太阳能供暖。以乌兰察布市农村典型节能建筑为研究对象，利用 软件对该系统和常规太阳能复合空气源热泵供暖系统进行了动态仿真研究，分析了该系统的供暖性能，研究结果可为户用太阳能空气能高效供暖系统的应用提供参考。高效供热系统设计 系统简介太阳能空气能高效供暖系统主要由太阳能集热系统、蓄热系统、空气水双热源热泵系统及供暖用户末端构成。其中太阳能集热系统由太阳能集热器、集热循环泵等构成，其功能是将太阳辐射能转化为热能；蓄热系统中的蓄热水箱是用于存储太阳能富余集热量的装置，可以有效解决由于太阳辐射与建筑供暖热负荷不同步导致的太阳能集热量与供暖需求之间的矛盾；空气水双热源热泵系统包括空气水双热源热泵机组和热水循环泵，作为太阳能供热不足时的辅助供热系统；供暖用户末端一般有低温热水地面辐射系统、风机盘管供暖系统、低温散热器供暖系统等几种形式，将供热系统中的热量输送给热用户。该系统可以通过智慧控制方法最大化地利用太阳能、减少辅助热源的利用，以实现最大程度地节约能源。系统构成及原理图见图。图太阳能空气能高效供暖系统流程图 建筑热负荷选取乌兰察布市某典型农村节能建筑，对该系统进行研究。该典型建筑为单层砖混结构，坡屋面，层高，坐北朝南，建筑总面积为 ，供暖面积为 。该典型建筑包括个客厅、个卧室、个厨房、个卫生间和个储藏间。建筑平面图见图，围护结构热特性参数如表所示。图典型建筑平面布置图暖通空调 年第 卷增刊 供暖供热表典型建筑围护结构热特性参数材料构造传热系数（）外墙 水泥砂浆 烧结多孔砖 挤塑聚苯板 内墙 水泥砂浆 烧结多孔砖 水泥砂浆 屋面饰面瓦挂瓦条 草泥木屋架 挤塑聚苯板吊顶 地面瓷砖面层 挤塑聚苯板 水泥砂浆找平层 垫层素土夯实 外窗三层中空 玻璃断桥铝合金窗 玻璃门三层中空 玻璃断桥铝合金窗 利用 软件进行负荷计算，将建筑围护结构的热工参数和尺寸信息、室内设计工况、室外气象参数等输入软件。设置冬季室内设计温度为，计算典型建筑在 月 日至次年月 日的供暖负荷，共 。图显示 了 建 筑 供 暖 逐 时 热 负 荷 变 化 情 况，总 热 负 荷 为 ，逐时平均热负荷为 ，设计热负荷为 。主要设备选型该系统中太阳能光热蓄热系统主要设备包括太阳能平板集热器、蓄热水箱和循环泵。太阳能平板集热器安装在屋面上，每组 ，共组。蓄热水箱容量选择设计日图典型建筑逐时热负荷的热负荷；空气水双热源热泵系统采用 喷气增焓压缩机，该压缩机在 的环境温度下具有高效制热能力。该系统主要部件见表。表供热系统主要部件性能参数数量超低温热泵压缩机：名义制热量，名义输入功率；水冷蒸发器：换热量；风冷蒸发器：换热量 套太阳能平板集热器集热器总热损失系数 ，面积 组用户侧变频循环水泵流量，杨程，功率 台太阳能循环水泵流量，杨程，功率 台水箱侧循环水泵流量，杨程，功率 台蓄热水箱储热容积 ，工作温度 台常规太阳能复合空气源热泵供暖系统中，超低温热泵热源侧为风冷蒸发器，其余设备元件配置与表一致。仿真模型使用 软件建立联合供热系统模型。仿真模型主要使用的模块包括：太阳能平板集热器模块 、水泵模块 和 、蓄热水箱模块 、温差控制器 、空气源热泵模块 、水源热泵模块 、分 流 三 通 模 块 、汇 流 三 通 模 块 、气象参数模块 等。根据系统设计、运行模式及控制逻辑将所有模块进行连接，搭建该供暖系统模型（如图所示）和常规太阳能复合空气源热泵供暖系统仿真模型（如图所示）。图太阳能空气能高效供暖系统仿真模型供暖系统性能分析图常规太阳能复合空气源热泵供暖系统仿真模型 主要性能指标太阳能空气能高效供暖系统的供热性能系数 为系统供热量与系统总的耗电量的比值，计算式如下：（）（）（）（）式（）（）中为系统供热量，；为系统总的耗电量，；为水的比热容，取 （）；为用户侧水流量，；为用户侧热水供水温度，；为用户侧热水回水温度，；为太阳能集热侧循环水泵耗电量，；为用户侧循环水泵耗电量，；为水源热泵热源侧循供暖供热暖通空调 年第 卷增刊环水泵耗电量，；为双热源热泵压缩机耗电量，；为空气源热泵冷凝风扇耗电量，。太阳能集热效率为太阳能平板集热器集热量与集热器采光面上的太阳辐射热量的比值，计算式如下：（）（）式（）、（）中为集热器有效采光面积，；、分别为平板集热器透明盖板的吸收比、透过比；为集热器倾斜面上的太阳总辐照度，。供暖系统太阳能转化总效率为系统供热量与集热器采光面上的太阳辐射热量的比值，计算式如下：（）式中为系统供热量，。模拟结果与分析太阳能复合空气源热泵供暖系统中，平板集热器收集的热量首先存储到蓄热水箱，当蓄热水箱内的供热出水温度超过 时，系统实时将蓄热水箱内的热量供应给用户；当蓄热水箱内温度低于 时，系统将启动空气源热泵实时向用户供热。该系统蓄热水箱向用户实时供热的条件与太阳能复合空气源热泵供暖系统一致，当蓄热水箱内的温度低于 时，系统将启动水源热泵供热；当蓄热水箱内的温度进一步降低至 时，系统才启动空气源热泵供热。利用 软件分别对该系统和太阳能复合空气源热泵供暖系统进行供暖季模拟运行分析，种系统中各组件的参数设计如 节所示。种系统的室外温度、蓄热水箱温度、用户供热温度统计分别如图、所示，可以看出，随着室外温度的升高，水箱温度和用户供热温度也升高，种系统的水箱温度和用户供热温度变化趋势一致。在供暖季，该系统蓄热水箱平均温度为 ，太阳能复合空气源热泵供暖系统为 ，供暖季室外平均温度为 。一方面蓄热水箱的温度与室外温度差值越大，热损失越大，相比复合空气源热泵供暖系统，该系统中蓄热水箱的热损失降低 。另一方面，蓄热水箱集热出口的温度越低，平板集热器的集热效率越高，相比复合空气源热泵供暖系统，该系统太阳能集热效率有所提高，增大了系统的集热量。图太阳能空气能高效供暖系统温度统计种系统的供暖季太阳能集热效率如图所示。该系统集热效率在 之间，供暖季平均集热效率为 ，供暖季太阳能转化总效率为 ；太阳能图太阳能复合空气源热泵供暖系统温度统计复合空气源热泵供暖系统集热效率在 之间，供暖季平均集热效率为 ，供暖季太阳能转化总效率为 。该系统太阳能利用效率高，相比太阳能复合空气源热泵供暖系统，该系统太阳能集热效率提高了 ，太阳能转化总效率提高了 。图供暖季太阳能集热效率对比种系统的供暖季耗电量如图所示。供暖季从 月 日开始至次年月 日结束，种系统不同月份耗电量变化趋势基本一致，呈现逐渐升高至峰值后逐渐降低，其中月份耗电量最高，随着室外温度升高，太阳辐射量增大，系统耗 电 量 降 低。该 系 统 供 暖 季 总 的 耗 电 量 为 ，供热性能系数 为；太阳能复合空气源热泵供暖系统总的耗电量为 ，供热性能系数 为。相比太阳能复合空气源热泵供暖系统，该系统供暖季耗能减少 ，更节能。图供暖季耗电量比较结论结合内蒙乌兰察布地区气候条件，针对农村典型节能居住建筑，利用 软件对太阳能空气能高效供暖系统和太阳能复合空气源热泵供暖系统进行供暖季运行模拟，比较了种系统的供暖性能，得到以下结论：）太阳能空气能高效供暖系统通过太阳能蓄热耦合水源空气源热泵，可提高太阳能利用效率，利用蓄热水箱低品位热源实现了太阳能高效供热。）对比分析结果表明，相比太阳能复合空气源热泵供暖系统，太阳能空气能高效供暖系统的太阳能集热效率、太阳能 转 化 总 效 率、供 暖 季 制 热 性 能 系 数 分 别 提 高 了 、，太阳能利用率高且节能效果显暖通空调 年第 卷增刊 供暖供热著。参考文献：金国辉，任佩瑶内蒙古西部超低能耗草原民居多能耦合供 暖 效 能 研 究 新 型 建 筑 材 料，（）：王满鹏太阳能辅助空气源热泵系统的 动态模拟甘肃科技纵横，（）：曾乃晖，袁艳平，孙亮亮，等基于 的空气源热泵辅助太阳能热水系统优化研究太阳能学报，（）：刘杰，万鹏，王亚妮，等太阳能空气源热泵联合供暖系统的应用分析区域供热，（）：秦永星，李鹏超，陈景，等基于 太阳能空气源热泵供暖系统模拟研究建筑热能通风空调，（）：，甄惠然，刘泽勤，韩凯悦基于 对太阳能空气源热泵系统性能研究节能，（）：张春枝，王可，李涛，等户用太阳能空气源热泵耦合供能系统性能模拟研究西安建筑科技大学学报（自然科学版），（）：，供暖供热暖通空调 年第 卷增刊