太陽能與空氣源熱泵聯合供熱水系統控制策略的研究

中南大學能源科學與工程學院 ■ 王曉丹 饒政華孫煒 曹小林

太陽能與空氣源熱泵聯合供熱水系統控制策略的研究

中南大學能源科學與工程學院 ■ 王曉丹 饒政華*孫煒 曹小林

以長沙地區某宿舍建筑為例，基于TRNSYS軟件建立了太陽能與空氣源熱泵聯合供水的雙水箱系統數學模型，模擬不同季節水箱內的水溫變化及運行能耗特點，利用正交試驗法分析集熱器的質量流量、熱泵啟停溫度和供水負荷等因素對系統運行能耗的影響，并與傳統的雙熱源單水箱系統進行比較。結果表明：影響系統能耗大小的顯著性因素，在夏季時為恒溫水箱進水溫度，在冬季時為熱泵啟停溫度；與單水箱系統相比，雙水箱系統運行能耗更低（夏季可降低45％、冬季可降低9.5％）。研究結果對指導太陽能熱水系統的設計和優化控制具有重要意義。

太陽能熱水系統；空氣源熱泵；雙水箱；年太陽能保證率；正交試驗法

0　引言

隨著人們對建筑舒適性要求的日益提高，以及可再生能源建筑應用技術的推廣，聯合可再生能源利用設備（空氣源熱泵、太陽能集熱器等）構成的多能源供熱系統將成為未來技術發展的趨勢。太陽能熱水系統效率受天氣狀況的影響［1］，在太陽輻射較弱時須增加輔助熱源來滿足用戶需求。以空氣源熱泵作為輔助熱源具有熱效率高、結構簡單等優點［2］，但運行性能易受氣候等因素影響。夏熱冬冷地區具有夏季太陽能日照強、冬季冰凍時間短的氣候特點［3］，適于應用太陽能與熱泵聯合供熱水系統，降低熱水系統的運行能耗。

近年來，太陽能與熱泵結合的熱水系統被廣泛研究。Badescu［4，5］實驗測定了循環泵的流量對平板太陽能集熱效率的影響。Freeman［6］對太陽能與熱泵的系統形式進行研究，結果顯示并聯式系統最節能。Panaras等［7］利用實驗與數值計算的方法，設計了一套空氣源熱泵輔助太陽能的熱水系統，研究了熱泵的啟停溫度對整個系統能耗的影響。Banister等［8］對太陽能輔助熱泵的雙水箱系統進行研究，結果表明雙水箱系統比單水箱系統的節能率更高。Li等［9］以香港典型天氣下太陽能系統運行情況為例，指出太陽能集熱器面積、集熱器安裝角度、水箱初始溫度等參數對系統性能影響很大。楊前明等［10］以太陽能、空氣源熱泵和廢水余熱回收聯合熱水系統為例，表明了多熱源系統較單一系統更具有節能潛力。上述研究大都是關于單一因素變化對系統能耗的影響，而關于夏熱冬冷氣候條件下太陽能與熱泵多因素、雙水箱的熱水系統運行控制策略的研究尚未得到重視。

本文以TRNSYS軟件為平臺，耦合太陽能集熱模塊和熱泵模塊，考慮水箱的溫度分層特性，建立了太陽能與熱泵的聯合供熱水系統。以長沙地區某宿舍建筑為例，綜合考慮集熱器的質量流量、熱泵啟停溫度和供水負荷等因素的影響，分析不同季節工況下系統運行能耗。本研究結果對太陽能與空氣源熱泵相結合的雙熱源供熱水系統的優化設計及全工況高效運行控制具有參考價值。

1　數學模型

1.1系統構成

如圖1所示，太陽能與空氣源熱泵聯合的雙水箱供熱水系統由太陽能集熱器、空氣源熱泵機組、儲熱水箱、恒溫水箱及控制系統組成。太陽能集熱系統通過溫差控制，將集熱器吸收的太陽能不斷傳遞到儲熱水箱，使水箱內的水溫上升。當單獨使用太陽能不斷無法達到要求的水溫時，熱泵系統自動開啟，把儲熱水箱的水加熱到設定溫度值。儲熱水箱為恒溫水箱提供預熱水，恒溫水箱為用戶提供需要的熱水。

圖1　太陽能與空氣源熱泵聯合雙供熱水系統示意圖

利用TRNSYS軟件建立太陽能與空氣源熱泵供熱水系統模型，以t時刻為例說明模型的計算流程如下：

1）通過太陽能模型得到太陽能提供的熱量為Qt

sol。

2）計算太陽能循環熱水出水溫度為：

式中，Ttsol，out為集熱器的出口溫度，℃；Fsol為集熱器質量流量，kg/s；Ttsol，in為集熱器的進口溫度，℃；cp為水的比熱值，kJ/（kg·℃）。

4）計算熱泵循環熱水出水溫度為：

式中，Thp，in為熱泵的進水溫度，℃；Fhp為熱泵質量流量，kg/s。

5）計算水箱內的出水水溫為：

式中，Qtst為水箱損失的熱量，kW；Ttin為水箱的進水溫度，℃；F為水箱質量流量，kg/s。

判斷控制信號，若為太陽能開啟信號，則返回步驟2）進入下一時間步長計算；若為太陽能關閉信號，則判斷熱泵信號；若為熱泵開啟信號，則返回步驟4）進入下一時間步長計算；若為熱泵關閉信號，則判斷5）的水溫是否滿足出水要求。

1.2太陽能集熱器計算模型

平板型太陽能集熱器的熱平衡方程式［1］為：

式中，Ac為集熱器的面積，m2；FR為熱轉移因子；ατ為集熱器透過率與吸收率的乘積；It為太陽輻照度，W/m2；UL為集熱器的熱損失系數，W/（m2·℃）；Ta為環境溫度，℃。

1.3熱泵計算模型

熱泵的計算流程如下［11］：

1）輸入已知參數：熱泵的進水溫度Thp，in和熱泵質量流量Fhp，蒸發器的空氣溫度Tair及蒸發器質量流量Fair；

2）假設熱泵制熱量為Qco，制冷量為Qeo，計算此時的冷凝溫度和蒸發溫度；

3）通過制冷劑物性參數求出冷凝/蒸發壓力、蒸發器進出口焓值及壓縮機進口比容；

4）計算制冷劑質量流量和壓縮機輸入功率Whp；

5）計算熱泵實際制熱量Qc及制冷量Qe；

6）判斷|（Qe-Qeo）/Qeo|+|（Qc-Qco）/Qco|＜ε（ε為無限小值）是否成立，若不成立，則返回步驟2）重新計算；若成立，則輸出Qc、Qe和Whp，計算結束。

1.4控制方案

系統運行控制方案如表1所示。

表1　系統運行控制方案

2　結果與討論

2.1計算條件

以長沙地區某宿舍建筑的太陽能與熱泵聯合供熱水系統為研究對象。長沙地區全年逐時氣溫、全年太陽能輻射量［12］如圖2所示，夏冬兩季進水溫度和用水參數如表2所示，系統設計參數［13］如表3所示，日熱水用水量小時變化概率［14］如圖3所示。

圖2　長沙地區典型氣象參數

表2　宿舍建筑用水參數

表3　系統設計參數

圖3　日小時用水概率

采用正交試驗法分別計算了夏季工況（5～9月）和冬季工況（1、2、12月）下熱泵啟停溫度、恒溫水箱進水溫度、太陽能循環側水泵流量等主要控制因素對系統能耗的影響規律。通過具有代表性的試驗，采用方差法對試驗結果進行分析。方差通過置信概率下進行F檢驗，可確定測試因素對系統總能耗（包括熱泵和循環水泵所消耗的電量）的影響程度的大小。表4是雙水箱系統夏/冬季運行情況下正交試驗因子及其水平取值。恒溫水箱進水溫度是指儲熱水箱的水溫達到設定的溫度時，水泵開啟向恒溫水箱進水。

表4　雙水箱系統夏/冬季正交試驗因子水平表

2.2夏季工況下雙水箱系統運行性能分析

如表5所示，通過9次正交試驗得到了夏季工況下熱泵啟停溫度A、恒溫水箱進水溫度B、太陽能循環側流量C等因素與系統能耗之間的定量關系，Ki表示對應列中數字為i的指標值之和。計算結果表明，供水水溫均滿足用戶的用水需求。A3B2C1情況的能耗最高為23.92 GJ（6644 kWh），A1B3C3情況的能耗最低為16.34 GJ（4539 kWh），兩者相差7.58 GJ（2105 kWh），系統能耗降低了31.7％。對于熱泵啟停溫度，K1值最小，即儲熱水箱的熱泵啟停溫度在可變范圍內降低，系統能耗降低。這是因為熱泵設定的啟停溫度較低，有利于提高太陽能集熱效率、延長太陽能系統開啟的時間、增大系統中的太陽能保證率，從而減少了熱泵系統的能耗。對于恒溫水箱進水溫度，K3值最小，即進水溫度升高，系統能耗降低。這是因為恒溫水箱的進水溫度升高，其配備的熱泵開啟時間縮短，能耗降低。因此，系統能耗最低的最佳組合方式為A1B3C3，即熱泵啟停溫度為35±2 ℃、恒溫水箱進水溫度為48 ℃、太陽能循環側流量為9 m3/h。

表5　雙水箱系統夏季L9（34）正交試驗表

如表6所示，經過方差分析，計算各因素的F值，分別查出α=0.10、0.05、0.01時的F臨界值。根據F分布檢驗準則，當F≥F0.01時，該因素影響顯著，記為“**”；當F0.10≤F＜F0.01時，該因素影響一般，記為“*”；當F＜F0.10時，該因素影響比較小。

綜上所述，根據表6計算得到：F（恒溫水箱進水溫度）＞F0.01（2，2）=99.00＞ F（熱泵啟停溫度）＞F（太陽能循環側流量）。表明恒溫水箱進水溫度為影響系統能耗大小的顯著性因素。熱泵啟停溫度對系統能耗大小有一定影響，而太陽能循環側流量對能耗大小無顯著影響。

表6　雙水箱系統夏季方差分析表

2.3冬季工況下雙水箱系統運行性能分析

表7　雙水箱系統冬季L9（34）正交試驗表

如表7所示，通過9次正交試驗分析得到了熱泵啟停溫度、恒溫水箱進水溫度、太陽能循環側流量等因素與系統能耗之間的定量關系。冬季條件下，A3B2C1情況的能耗最高為99.19 GJ（27553 kWh），A1B3C3情況的能耗最低為94.26 GJ（26184 kWh），兩者相差4.93 GJ（1369 kWh），系統能耗降低了5％。對于熱泵啟停溫度，K1值最小，即熱泵啟停溫度降低，系統能耗降低。對于恒溫水箱進水溫度，K3值最小，即進水溫度升高，系統能耗降低。對于太陽能循環側流量，K3值最小，即太陽能循環側流量降低，系統能耗降低。因此，系統能耗最低的最佳組合方式為A1B3C3，即熱泵啟停溫度為40±2 ℃、恒溫水箱進水溫度為48 ℃、太陽能循環側流量為9 m3/h。

由表8所示計算結果可知：F（熱泵啟停溫度）＞F0.01（2，2）=99.00＞F（太陽能循環側流量）＞F（恒溫水箱進水溫度）。表明熱泵啟停溫度為影響系統內能耗大小的顯著性因素，而太陽能循環側流量及恒溫水箱進水溫度對系統能耗大小有一定影響。

以上分析表明，夏冬兩季影響系統能耗的關鍵性因素不同。這是由于夏季冷水溫度為28 ℃，用水量為8 m3，生活熱水的主要熱源是太陽能，熱泵的啟停溫度對系統能耗的影響不大；而在冬季，冷水溫度為8 ℃，用水量為20 m3，在此時太陽能輻射量較低，生活熱水的主要熱量則主要來自于空氣源熱泵，因此儲熱水箱的熱泵開啟條件成為影響系統能耗的關鍵性因素。

表8　雙水箱系統冬季方差分析表

2.4不同水箱的系統運行性能比較

圖4為采用優化條件不同水箱夏至日和冬至日的水溫逐時變化。雙水箱的優化條件為熱泵啟停溫度35/40±2 ℃、恒溫水箱進水溫度48 ℃、太陽能循環側流量9 m3/h；單水箱的優化運行條件為熱泵啟停溫度50±0.5 ℃，熱泵開啟時間為6:00～24:00，太陽能循環側流量9 m3/h。由圖4可知，雙水箱系統中，恒溫水箱的出水溫度基本在50 ℃的范圍波動，滿足用戶的熱水需求；而單水箱系統由于冬季用水負荷大、進水水溫低等原因在部分時刻水溫無法滿足用戶的需求。

圖4　不同水箱夏至日、冬至日水溫圖

表9對比了太陽能與熱泵聯合供熱水的雙水箱和單水箱系統的運行能耗。發現在夏季，雙水箱系統的運行能耗為16.34 GJ，比單水箱系統的運行能耗要低12.39 GJ（3442 kWh），降低了43.1％。這是由于在雙水箱的系統形式中，連接儲熱水箱的熱泵的啟停溫度比較低，僅為35±2℃，而輸送至恒溫水箱的水溫卻高達48 ℃，所以儲熱水箱的主要熱源為太陽能，有利于提高太陽能集熱效率和太陽能保證率，降低系統能耗。單水箱系統下，為了保證生活熱水的溫度達到50 ℃，熱泵的啟停溫度必須在50±0.5 ℃，并且系統剛開始運行時太陽能的使用情況不佳，熱泵成為系統的主要熱源，所以系統的能耗高。冬季工況下，雙水箱和單水箱兩種系統的太陽能保證率均較低，分別為0.13和0.03，表明在冬季熱泵是主要的熱量來源，提供了生活熱水的大部分熱量。單水箱系統的太陽能保證率降低，為了保證用水水溫滿足要求必須延長熱泵開啟時間，所以系統的能耗更大。理論上冬季系統提供的熱水負荷應為310 GJ，而實際上單水箱系統供給用戶的熱能僅為299.54 GJ，因此在部分時刻單水箱系統的水溫無法滿足用戶的需求。

表9　兩種方案的能耗情況

3　結論

本文利用 TRNSYS 軟件建立了太陽能與空氣源熱泵聯合的雙水箱供熱水系統的計算模型，模擬了系統全年的運行性能。通過正交試驗模擬分析了熱泵啟停溫度、恒溫水箱進水溫度、太陽能循環側水泵流量等主要控制因素對系統能耗的影響規律。主要結論如下：

1）夏季，恒溫水箱進水溫度為影響系統能耗大小的顯著性因素，熱泵啟停溫度對系統能耗大小有一定影響，而太陽能循環側流量對能耗大小無顯著影響；優化運行參數后系統能耗降低了31.7％。

2）冬季，熱泵啟停溫度為影響系統能耗大小的顯著性因素，而太陽能循環側流量及恒溫水箱進水溫度對系統能耗大小有一定影響；優化運行參數后系統能耗降低了5％。

3）與單水箱系統相比，夏季雙水箱系統的運行能耗降低了43.1％，太陽能的保證率為0.82；冬季，雙水箱系統太陽能集熱器效率高達0.43，系統能耗降低了9.5％，太陽能保證率為0.13；單水箱系統則無法完全滿足用戶的用水需求。

［1］張鶴飛. 太陽能熱利用原理與計算機模擬［M］. 西安: 西北工業大學出版社， 2004.

［2］丁鴻昌， 楊前明， 劉其會， 等. 基于多參數空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組的控制系統［J］. 可再生能源， 2013， （8）: 24.

［3］付祥釗. 中國夏熱冬冷地區建筑節能技術［J］. 新型建筑材料， 2000， （6）: 13-17.

［4］ Badescu V. Model of a solar-assisted heat-pump system for

space heating integrating a thermal energy storage unit［J］. Energy and buildings， 2002， 34（7）: 715-726.

［5］ Badescu V. Optimal control of flow in solar collector systems with fully mixed water storage tanks［J］. Energy Conversion and Management， 2008， 49（2）: 169-184.

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

［7］ Panaras G， Mathioulakis E， Belessiotis V. Investigation of the performance of a combined solar thermal heat pump hot water system［J］. Solar Energy， 2013， 93: 169-182.

［8］ Banister C J， Collins M R. Development and performance of a dual tank solar-assisted heat pump system［J］. Applied Energy，2015， 149: 125-132.

［9］ Li H， Yang H. Study on performance of solar assisted air source heat pump systems for hot water production in Hong Kong［J］. Applied Energy， 2010， 87（9）: 2818-2825.

［10］楊前明， 李心靈， 李亭， 等. 低品位多熱源聯供熱水系統的節能分析［J］. 太陽能， 2012， （15）: 26-29.

［11］李大鵬，饒政華，張翔，等. 長沙地區多功能地源熱泵系統的模擬與分析［J］. 中南大學學報: 自然科學版， 2013， 44（3）: 1221-1227.

［12］中國氣象局氣象信息中心氣象資料室， 清華大學建筑技術科學系. 中國建筑熱環境分析專用氣象數據集［M］. 北京: 中國建筑工業出版， 2005， 51-58.

［13］ GB 50015-2003， 建筑給水排水設計規范［S］.

［14］ ASHRAE. 2007 ASHRAE Handbook: HVAC applications，chapter 49 service water heating［M］. Atlanta: American Society of Heating， Refrigerating and Air Conditioning Engineers， Inc.， 2007，11-12.

［15］ GB/T 4271-2007， 太陽能集熱器熱性能試驗方法［S］.

2015-09-06

動力工程及工程熱物理湖南省重點學科及流程工業節能技術湖南省重點實驗室開放基金資助（KFKT0504）

饒政華 （1977—），男，博士、副教授，主要從事太陽能熱利用系統、傳熱傳質分析方面的研究。 raoz@csu.edu.cn