基于TRNSYS的太陽能/空氣源熱泵數值模擬研究

沈玉富（煙臺荏原空調設備有限公司，山東 煙臺 265500）

基于TRNSYS的太陽能/空氣源熱泵數值模擬研究

沈玉富
（煙臺荏原空調設備有限公司，山東 煙臺 265500）

針對煙臺地區某浴室的并聯式太陽能熱泵系統，以TRNSYS程序為平臺，采用HVAC library模塊，建立模型對并聯式太陽能熱泵系統進行模擬研究。通過對煙臺氣象數據分析得出并聯式太陽能熱泵系統運行方案，并對模擬結果進行研究分析得出系統全年的太陽能保證率、系統性能系數COP、熱泵的供熱量、集熱效率與熱泵的COP及其變化趨勢。

太陽能熱泵；TRNSYS模擬；運行分析

0 引言

早在20世紀50年代初，太陽能熱利用的先驅者Jodan和Therkeld就指出了太陽能熱泵的優越性，即可同時獲得太陽能集熱器效率和熱泵系統性能的提高[1]。

1980年以后，太陽能熱泵系統得到人們的廣泛關注，Chaturvedi對太陽能熱泵系統進行了一系列試驗研究，其研制出的太陽能熱泵系統蒸發器溫度一般高于環境溫度0～10℃，具有優越的熱泵循環性能[2]。

Freeman TL.等利用TRNSYS軟件對并聯式、串聯式和混合式3種非直膨式太陽能熱泵系統進行了較全面的模擬研究，研究表明，空氣作為熱源的情況下，并聯式太陽能熱泵系統最實用，且比串聯式和混合式系統的熱性能更優越[3]。

本文以煙臺地區某職工浴室的并聯式太陽能熱泵系統為例，分析該地區天氣狀況下其運行特性。系統由太陽能集熱系統和空氣源熱泵系統并聯組合而成，如圖1所示。其最高日設計用水量10t，供熱水箱熱水設計溫度為55℃。主要采用TRNSYS瞬時系統模擬程序[4]進行模擬研究。采用專用的Tess模塊中的熱泵系統模塊，以及標準模塊庫中的一些相關模塊，同時以TRNSYS模擬程序為平臺，建立需要的并聯式太陽能熱泵系統模型。

圖1 并聯式太陽能熱泵系統

1 仿真模型

太陽能熱泵熱水系統的總模塊是由若干個模塊通過傳遞的信息流連接起來，圖2是通過TRNSYS建立的太陽能熱泵系統模型。

圖2 太陽能熱泵系統模型

1.1 模擬假設條件

（1）系統耗熱量計算時的冷水溫度為固定值15 ℃，每日固定10 t用水量；（2）熱泵系統的循環水泵能耗較熱泵運行能耗比很小，忽略不計。（3）系統各月熱損失率在10％～20％之間[5]。

1.2 設置氣象參數

典型氣象年是經過精細整理選取的共有8760h的逐時氣象資料組成的氣象參數數據集，包括干、濕球溫度、太陽輻射強度、風速及風向等。“TMY2”[6]方法是取長年代中有代表性的某年的一個月的氣象臺測試值組成12個月的數據作為的8760h原始測試值。本文氣象數據采取由氣象數據生成軟件METEONORM生成的TMY2典型氣象年參數數據。

1.3 系統最優方案的選擇

該系統白天主要采用太陽能集熱系統集熱，以利用少量的電能獲得所需要的熱量；夜間主要采用熱泵系統集熱，利用電谷時間段電費低的優點來減少系統運行費用。系統選擇最優方案時，采用最不利天氣狀況（1月）的氣象數據作為設備運行參數選擇的依據，避免系統實際運行中出現無法滿足使用要求的情況。

太陽能集熱器總采光面積計算公式[7]：

式中 Ac——集熱器總采光面積，m2；

m——設計日用熱水量，t/d；

tend——熱水的最終溫度，℃；

tL——水的初始設計溫度，℃；

f——太陽能保證率，煙臺地區太陽能資源較豐富，取0.5；

JT——年平均或月平均日太陽輻射量，kJ/m2；

ηd——集熱器年或月平均集熱效率，取0.45；

ηL——管路及蓄熱水箱熱損失，根據經驗值取0.15。

熱泵機組的制熱量計算公式[8]：

式中 Q——熱泵機組設計平均每秒供熱量，kJ；

c——水的比熱，kJ/（kg?℃）；

m——熱水質量，kg；

H——熱泵機組設計工作時間，h；

Tr——熱泵加熱水的最終溫度，℃；

T0——蓄熱水箱中初始水溫，℃。

根據式（1）、式（2）計算出加熱10 t水需要集熱器面積為131 m2、熱泵制熱量為77 kW。

根據該地區全年氣象變化制定系統全年運行控制策略，如圖3、圖4所示，太陽輻射強度隨著時間的增加先上升后緩慢下降，約在2920～3650h（5月）太陽的輻射達到最高值，約在6500～7300h（10月）太陽輻射較弱。溫度曲線隨著時間的增加也是先上升后緩慢下降，最高值區間出現在約5110～5840h（8月）。

圖3 煙臺全年太陽輻射變化

圖4 煙臺全年溫度變化

根據該地區氣候特點（冬季寒冷、夏季雨量豐富），并充分考慮節約能源，對各月的控制策略提出要求。通過設置系統模型中時間控制器的參數來調整熱泵夜間運行時間。以滿足水箱水溫設計要求和熱泵夜間運行時間最少為前提，得出各月最佳運行策略表，如表1所示。

表1 各月熱泵夜間運行時長

系統模擬控制策略：每天系統供水時間18：00～20：00，供熱水箱設計水溫為50℃。夜晚電谷時段（23：00～08：00）為熱泵加熱時間，依據表1不同月份熱泵夜間加熱時間不同；第二天白天（08：00～17：00）太陽能集熱單元采用溫差控制原理對水進行加熱，時段（15：00～18：00）為熱泵輔助加熱；給水泵定時（22：00～23：00）給蓄熱水箱中加入自來水。

2 全年系統模擬結果及性能分析

對于整個太陽能熱泵熱水系統，太陽能保證率f、系統的供熱性能系數COP是重要的評價指標[9]。系統模擬采用月控制策略得出全年月集熱量及能耗量，如表2所示，作為計算全年各月系統運行性能指標的計算基礎。

由表2可得，系統全年總的熱量為43.19×107kJ，系統年運行能耗約為9.44×107kJ。太陽能熱泵熱水系統年節省量QSAVE為太陽能集熱系統年集熱量QS和熱泵熱水系統年節省量QSAVEH之和。由表2得，QS=18.8×107kJ；熱泵熱水系統年節省量即熱泵單元集熱量與熱泵能耗的差值，QSAVEH=QHWH=15.01×107kJ；所以該系統年總節省量QSAVE=33.81×107kJ，相當于節省電能93916.67kW?h。

從圖5可以看出，太陽能集熱系統集熱量和熱泵系統集熱量處于此消彼長的狀態。一年中整個系統總集熱量夏季較低，冬季較高；太陽能集熱系統集熱量夏季較高，冬季較低。由于并聯的2個系統各月集熱量的比不同，且太陽能集熱系統能耗較小，所以系統在各月單位熱水所需能耗有很大的差別，而從整體上看，該系統夏季運行能耗較少，冬季運行能耗較高。

圖6、圖7為系統月平均供熱量、總耗功及COP值變化趨勢。從1月到7月，平均COP曲線呈逐漸上升趨勢，到7月份COP值達到最高7.46，之后曲線為單一下降趨勢。由表2可知，系統月平均供熱量為3.60×107kJ，月平均總能耗0.78×107kJ，月平均COP值為4.65，系統整體的供熱性能良好。

由圖8可以看出，太陽能保證率曲線隨著太陽輻射曲線變化而變化，遵循先升高后降低的總體規律，其值在0.23～0.71之間變化。由于夏季雨水霧氣的影響，圖中7月、8月太陽輻射強度有明顯降低，導致太陽能保證率也有降低?？梢姡栞椛鋸姸仁怯绊懱柲鼙ＷC率的主要因素。

由圖9可知，熱泵系統COP在1.67～3.53之間變化，由于夏季氣溫較高，熱泵運行性能系數也提高了，所以6月、7月、8月熱泵系統COP值較高。集熱效率曲線隨著月份的增加，呈現先上升后下降的趨勢，其值在0.28～0.55之間變化。

圖5 加熱單元各月集熱量

表2 全年月集熱量及能耗量

圖6 系統各月供熱量及總能耗變化

圖7 系統各月COP變化

圖8 系統各月太陽能輻射和太陽能保證率變化

圖9 熱泵系統COP和集熱效率變化

3 結論

本文介紹了并聯式太陽能熱泵系統及其仿真模型，并通過模擬得出系統全年模擬結果，又利用性能評價指標分析得出系統全年重要性能參數的變化規律。文中研究結果表明，太陽能熱泵熱水系統年節省能量33.81×107kJ，相當于節省電能93916.67kW?h，并通過分析發現，太陽能集熱系統與熱泵系統在不同月份集熱比例差異較大，太陽能集熱系統集熱比例夏季較大，冬季較小，熱泵系統則相反。系統性能系數COP先增加再減小，在7月份達到最大值。

[1]Chaturvedi S K,Chiang Y F,Roberts A S.Analysis of Two—Phase Flow Solar Collectors with Application to Heat Pumps[J].Journal of Solar Energy Engineering,1982（104）：358～365

[2]Tripanagno Y,Stopoulos.Solar Collectors with Colored Absorbers[J].Solar Energy,2000，68（4）：100～102

[3]Freeman T L,Mitchell J W,Audit T E.Performance of combined solar-heat pump systems[J].solar energy,1979，22（2）：125～135

[4]陳雁.太陽能輔助空氣源熱泵供暖實驗和模擬研究[D].天津：天津大學，2006

[5]中國建筑科學研究院.太陽能供熱采暖工程技術規范（GB50495—2009）[M].北京：中國建筑工業出版社，2009

[6]Marion W,Urban K.Users Manual for TMY2s Typical Meteorological Years[M].National Renewable Energy Laboratory,1995

[7]Beckman W A.Modern Computing Methods in Solar Energy Analysis[J].Solar Energy,1995，55（1）：21

[8]Cervantes J G,Torres-Reyes E.Experiments on a solar assisted heat PumP and an exergy analysis of the system[J]. Applied Thermal Engineering，2002（22）：1 289～1 297

[9]Kuang YH,Wang R Z,Yu L Q.Experimental study on solar assisted heat Pump system for the heat supply[J].Enegry Conversion and Management,2003，44（7）：1089～1098

2014-12-04

沈玉富（1977—），女，黑龍江人，工程師，主要從事冷凍空調及專利技術的分析與研究。