空气源热泵及辅助电加热地板辐射采暖系统耦合优化.docx

空气源热泵及辅助电加热地板辐射采暖系统耦合优化王洋涛; 赵润俐; 田琦; 董旭; 武斌【期刊名称】 华侨大学学报(自然科学版)【年(卷),期】 2019(040)005【总页数】 7 页(P661-667)【关键词】 空气源热泵; 辅助电加热; 复合采暖系统; 单价能效系数【作 者】 王洋涛; 赵润俐; 田琦; 董旭; 武斌【作者单位】 太原理工大学环境科学与工程学院 山西晋中 030600; 山西省建筑节 能监管中心 山西太原 030000; 青岛海尔空调器有限总公司 山东青岛 266000【正文语种】 中 文【中图分类】 TU832.1目前,我国北方地区城镇供暖能耗占建筑能耗的 22%1 ，低温热水地板辐射采暖系 统以辐射为主的换热方式向室内供暖，具有卫生、舒适性强等特点，比传统供暖方 式节能 20%30%2.冬季应用空气源热泵从室外空气中提取热量制取热水，可稳 定地向室内进行低温热水地板辐射采暖3-7 ，因其具有适用范围广、高效节能及 清洁环保的优点，受到很多专家、学者的关注8-18.然而，空气源热泵机组显著 的缺点是供需不匹配，即在整个供暖期，随着室外温度的降低，室内热负荷需求逐 渐增大，其机组制热量却逐渐降低.为了解决这一矛盾，通常需要添加辅助电加热 设备，以提高热泵机组运行的可靠性.为了合理配置热泵机组与辅助电加热设备，文献19-20提出最佳经济平衡点和最佳能量平衡点的概念，王绍瑞21研究以低 谷电为辅助热源的设备容量的确定方法.综上可知，目前的研究侧重于复合采暖系 统经济性或节能性的分析，缺乏综合两种因素的研究.本文考虑节能性和经济性综 合评价指标，优化空气源热泵及辅助电加热复合采暖系统的耦合方式.1 单价能效系数美国能源部和美国空调与制冷协会(ARI)推荐制热季节性能系数22作为评价机组 性能的指标.制热季节性能系数反映系统的节能情况，制热季节性能系数越高，表 明系统节能性越好.动态费用年值评价方法是在项目生命周期内，将每年的现金流 出量按照标准收益率换算，累计至项目生命周期原点，成为费用现值，再将费用现 值按照年均制分摊至项目生命周期内，成为费用现值年金化的等额年值的评价方法 23.动态费用年值反映系统经济情况，动态费用年值越低，表明系统经济性越好. 对于空气源热泵及辅助电加热复合采暖系统，综合考虑节能性与经济性两方面因素， 最终提出一个复合采暖系统评价指标，即单价能效系数，其计算式为=HSPF/Zd.(1)式(1)中： 为单价能效系数;HSPF 为制热季节性能系数;Zd 为动态费用年值.单价能效系数表示系统单位价格下的节能情况，系统单价能效系数越高，表示系统 在相同价格的情况下节能性越好，性价比越高；相反，则表示系统在相同价格的情 况下，节能性越差，性价比越低.1.1 制热季节性能系数美国能源部和美国空调与制冷协会提出用温度频段法估算 HSPF24，估算表达 式为(2)式(2)中：j 为相应地区典型年制热季节各时刻出现的温度，；Qj(j)为温度 j 时机组制热运行的供热量， kW ；Wj(j)为温度 j 时机组制热运行的耗电量， kW； nj 为温度 j 在制热季节中出现的时间， h. 1.2 动态费用年值 动态费用年值的计算公式25为(3)式(3)中： Zd 为按动态法计算的年计算费用，万元a-1;i 为年利率，取 6%8;K 为 设备初投资，万元;C 为年运行费，万元a-1;m 为供热设备使用寿命年限，取 15 a8. 空气源热泵及辅助电加热复合采暖系统的设备初投资一般包括设备的购置费用和增 容费.有 K=Ceq+CZ. (4) Ceq=PhpNhp+PbNb ， (5) CZ=Pez(Whp+Web). (6) 式(4)(6)中:Ceq 为设备购置费，万元； CZ 为增容费，万元； Php 为单位铭牌制 热量对应热泵价格，万元 kW-1； Nhp 为热泵铭牌制热量， kW； Pb 为单位铭牌 制热量对应的辅助电加热设备价格，万元 kW-1； Nb 为辅助电加热设备铭牌制热 量， kW； Pez 为单位功率电力增容费，万元 kW-1；Whp 为热泵机组铭牌输入功 率， kW；Web 为辅助电加热设备的铭牌输入功率， kW. 空气源热泵及辅助电加热复合采暖系统的年运行费用 C 一般包括系统运行能耗费用、设备折旧费和设备维修费 3 个部分,即(7)式(7)中:Cyx 为运行能耗费用，万元； Czj 为设备折旧费，万元； Cwx 为设备维修 费，万元； Pe 为电价，万元 (kW h)-1；WS 为整个供暖季节热泵机组耗功量， kW h； WSQ 为整个供暖季节辅助电加热设备耗功量，kW h； j 为预计净残值率， 取 4%26. 目前,我国尚无量化的空调供暖系统日常维修费用计算方法，为简化计 算，维修费用按设备初投资的 0.0127计算.从以上分析可知，单价能效系数的目标函数是众多变量的函数，但实际上，针对某 一地区，当房间维护结构特性、室内设计参数、供暖室外设计温度、热泵机组的特 性、年利率、供热设备使用寿命年限和预计净残值率等确定后，单价能效系数只是 空气源热泵与辅助电加热不同耦合方式的单值函数.对式(1)求最大值,其对应的复合 采暖系统的耦合方式即是单价能效系数最高的耦合方式.2 复合采暖系统仿真模型的构建利用瞬时系统模拟程序(TRNSYS)构建复合采暖系统仿真模型，模型采用模块化的 动态模拟程序.所有系统均由若干小模块组成，某一模块实现特定的功能.利用 TRNSYS 软件模拟分析时，只要调用实现这些特定功能的模块，给定输入条件， 就可以对系统进行模拟分析28.2.1 复合采暖系统的物理模型图 1 复合采暖系统物理模型 Fig.1 Physical model of composite heating system空气源热泵及辅助电加热复合采暖系统物理模型，如图 1 所示.图 1 中：复合采暖 系统主要由热泵机组、辅助电加热设备、机组侧水泵、水箱、用户侧水泵、供暖用 户组成.热泵机组和辅助电加热设备串联组成复合采暖系统的热源.复合采暖系统有空气源热泵单独供暖、空气源热泵与辅助电加热设备联合供暖两种供暖模式.辅助 电加热设备的主要作用是保证供暖系统的稳定性，当逐时热负荷较大时，空气源热 泵机组单独供暖无法满足供暖用户的热量需求，此时，需要启动辅助电加热设备进 行联合供暖.2.2 复合采暖系统的仿真模型基于 TRNSYS 软件，根据复合采暖系统物理模型，建立空气源热泵及辅助电加热 复合采暖系统的仿真模型，模型应用的各部件型号，如表 1 所示.表 1 TRNSYS 仿真模型中主要部件明细 Tab.1 Detail of main components in TRNSYS simulation model 系统部件部件型号测试参数数据读取器 Type9 不同 地区气象参数、不同建筑逐时热负荷空气源热泵热水机组 Type941 空气源热泵热 水机组额定制热量、额定耗功率辅助电加热 Type659 辅助电加热设备额定耗功率 储热水箱 Type4c 水箱体积末端用户 Type682 添加系统指定负载以计算出口流体 时间控制器 Type14h 系统运行时间水泵 Type114 水泵质量流量、扬程温差控制 器 Type2b 温差控制上限和下限通过 Type9 将建筑所在地区的典型气象年逐时气象数据和建筑逐时热负荷导入模 型中，空气源热泵的启停由机组侧回水温度和运行时间共同控制.当机组侧回水温 度低于设定下限值并处于系统运行时间范围内时，热泵开启；当回水温度高于设定 上限值或处于系统运行时间范围外时，热泵关闭.在热泵开启的同时，如果热泵制 热量低于建筑逐时热负荷，开启辅助电加热设备.在系统仿真模型中，回水温度由 Type2b 温差控制器控制，运行时间由Type14h 时间控制器控制.将制热季节性能 系数、动态费用年值和单价能效系数的数学模型编入系统仿真模型中，输入空气源 热泵和辅助电加热设备机组相关参数、价格、地区电力增容费、电价，系统运行时 间等相关参数，最终得到复合采暖系统仿真模型,如图 2 所示.图 2 复合采暖系统仿真模型 Fig.2 Simulation model of composite heatingsystem图 3 室外气象参数 Fig.3 Outdoor weather parameters3 复合采暖系统仿真模型的验证3.1 实验概况及方法室外气象参数，如图 3 所示.图 3 中： H 为湿度(相对湿度) ； 为温度； t 为时间.在 实验室建立空气源热泵及辅助电加热复合采暖系统,以验证仿真模型的准确性.实验 建筑面积为 153 m2 ，供暖热负荷为 6.3 kW ，房间设定温度为 20 .选用 NE- C3BZ-B2 型空气源热泵机组，机组额定制热量为 5.39 kW ，额定功率为 2.3 kW， 辅助电加热设备额定功率为 1 kW.室内外气象参数采用 ETH-P 型环境试验设备智 能多路巡检仪进行测量，其温度误差为0.2 ，湿度误差为5%.空气源热泵与辅 助电加热耗电量均采用电子式单相表测量，复合采暖系统供热量采用 JQCR-20 型 超声波热量表(2 级精度)测量，实验时间为 2018 年 12 月 24 日-2019 年 1 月 2 日. 3.2 实验数据及误差分析需要验证的参数为复合采暖系统的空气源热泵功率、辅助电加热功率、复合采暖系统供热量.复合系统的能耗(Q) ，如图 4 所示.复合采暖系统供热量(P)的实验值与模拟值，如图 5 所示. 图 4 复合系统能耗composite system图 5 复合系统供热量 Fig.4 Energy consumption ofFig.5 Heat of composite system由图 4， 5 可知：空气源热泵及辅助电加热复合采暖系统的能耗和供热量的模拟数 据与实验数据存在一定误差，这是测试过程本身及模型中的某些假设条件造成的，但最大误差均不超过 9.2% ，且在允许范围内，验证了复合采暖系统仿真模型的准 确性.4 算例分析4.1 项目概况以山西省太原市某住宅楼为例，总供暖面积为 1 200 m2 ，热负荷为 45.84 kW ， 建筑为 6 层，层高为 3 m ，总高度为 18 m ，室内采用地板辐射采暖系统.太原市 整个供暖季(11 月 1 日至次年 3 月 31 日，共 5 个月)全天 24 h 不间断地供暖，根 据 JGJ 142-2012 辐射供暖供冷技术规程 29 ，设置供水温度为 35 .不同品 牌的设备价格差别较大，对空气源热泵机组和辅助电加热设备取平均价格，分别为 3 000，649 元 kW-1.太原地区电力增容费取 1 000 元 kW-1 ，电价为 0.487 元 (kW h)-1.4.2 复合采暖系统不同耦合方式的设备选型供暖室外，在计算温度为-10.1 的条件下，建筑热负荷为 45.84 kW ，空气源热 泵分别按占比()0%， 15%， 30%，45%， 60%，75%，90%， 100%承担热负荷， 辅助电加热设备承担剩余热负荷，并进行 8 组运行工况的模拟.复合采暖系统不同 耦合方式的设备选型，如表 2 所示.表 2 复合采暖系统不同耦合方式的设备选型 Tab.2 Different coupling mode equipment selection of composite heating system kW 设备参数 0%15%30%45%60%75%90%100%热泵机组额定制热量额定耗功率 006.802.9013.705.8020.608.7027.5011.7034.4014.6041.2017.5045.8419.50 辅助电加热功率 45.8439.0432.1425.2418.3411.464.6404.3 复合采暖系统耦合方式的节能性与经济性分析4.3.1 复合采暖系统节能性分析 在整个供暖季，空气源热泵及辅助电加热复合采暖 系统在不同耦合方式下的系统运行能耗，如表 3 所示.表 3 复合采暖系统不同耦合方式的能耗 Tab.3 Energy consumption of composite heating system with different coupling modes kW h 参数 0%15%30%45%60%75%90%100%辅助电加热能耗 47 28931 23015 6714 3219314021310 空气源热泵能耗 05 66510 70013 91814 70915 10215 36015468 系统总能耗 47 28936 89526 37118 23915 64015 50415 49115 468HSPF0.991.251.702.352.682.692.702.71由表 3 可知：随着空气源热泵机组在供暖系统中所占比例的增加，复合采暖系统 制热季节性能系数逐渐升高；当空气源热泵机组占整个供暖设计热负荷的 100%时， 系统的制热季节性能系数 HSPF 最高.这是由于同一建筑物的供热量相同，而相较 于电加热设备，空气源热泵机组是一种高能效比的供热设备，随着空气源热泵机组 占比的不断增加，系统总能耗逐渐降低.4.3.2 复合采暖系统经济性分析 复合采暖系统不同耦合方式的动态费用年值，如表 4 所示.表 4 复合采暖系统不同耦合方式的动态费用年值 Tab.4 Dynamic cost annual value of composite heating system with different coupling modes 万元参数 0%15%30%45%60%75%90%100%系统初投资 7.568.769.9911.2112.4413.6614.8715.70 年运行费用 2.862.442.021.711.681.761.851.91 动态费用年值 3.643.343.052.872.963.173.383.53由表 4 可知：空气源热泵机组较电加热设备初期投资大，随着空气源热泵机组在 整个复合采暖系统中所占比例的逐渐增加，系统初投资不断增大；空气源热泵较辅 助电加热设备更加节能，用电量更小；由于折旧费和维修费与系统初投资有关，随 着热泵所占比例的不断增加，系统折旧费和维修费逐渐增加；年运行费用随着热泵 占比的增加，呈现先减小后增大的趋势；随着空气源热泵机组在采暖系统中所占比 例的增加，动态费用年值呈现先减小,后增大的趋势，当空气源热泵机组占整个供 暖设计热负荷的 45%时，系统的动态费用年值最小，经济性最好.4.4 基于单价能效系数的复合采暖系统耦合方式分析根据式(1)计算太原地区住宅空气源热泵及辅助电加热复合采暖系统不同耦合方式的单价能效系数，结果如图 6 所示.图 6 不同耦合方式系统单价能效系数 Fig.6 Unit price energy efficiency coefficient of system in different coupling modes由图 6 可知：对于太原地区住宅的空气源热泵及辅助电加热复合采暖系统，通过 单价能效系数对复合采暖系统进行评价，当空气源热泵机组占整个供暖设计热负荷 的 60%时，系统单价能效系数最高，即在相同价格情况下的节能效果最好，性价 比最高.由表 3，4 和图 6 可知：当热泵占比 为60%时，系统单价能效系数高于热泵占 比为 100%(系统节能性最好)和 45%(系统经济性最好)时的系统单价能效系数，这 是由于热泵占比为 60%时系统的 HSPF 略低于热泵占比为 100%时的 HSPF，节 能性相差不大，但其动态费用年值远远低于占比为 100%时的动态费用年值，经济 性优势较为明显；系统动态费用年值略高于热泵占比为 45%时的动态费用年值， 经济性相差不大，但其 HSPF 高于热泵占比为 45%时的 HSPF ，节能优势较为 明显.因此，利用单价能效系数优化复合采暖系统耦合方式兼具节能性与经济性， 对于复合采暖系统耦合方式的选择较有指导意义.5 结论 1)从节能性和经济性两方面综合考虑，提出单价能效系数的概念，根据系统单价能 效系数，选择空气源热泵及辅助电加热复合采暖系统，可使系统在相同价格情况下 节能效果最好，性价比最高.2)以太原地区住宅为例，利用 TRNSYS 搭建的空气源热泵及辅助电加热复合采暖 系统仿真模型，综合分析符合采暖系统的节能性和经济性.结果表明：当空气源热 泵占供热设计热负荷的 60% ，辅助电加热设备占 40%时，系统单价能效系数最高； 空气源热泵占比为 60%时耦合方式的 HSPF 仅低于空气源热泵占比为 100%(系 统节能性最好)时的 1% ，但其动态费用年值却低于后者的 16% ；空气源热泵占比为 60%时耦合方式的动态费用年值仅高于空气源热泵占比为 45%(系统经济性最好) 时的 3% ，但其 HSPF 却高于后者的 14%.参考文献：【相关文献】1 清华大学建筑节能研究中心 .中国建筑节能年度发展研究报告 2017M.北京:中国建筑工业出版 社， 2017.2 王子介.低温辐射供暖与辐射供冷M.北京:机械工业出版社， 2004.3 STARK S， LOOSE A ，DRCK H. 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