空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)控制策略模擬研究

姜鍍輝 崔紅社*楊佳林 姜凱迪

青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

0 引言

隨著寒冷地區(qū)“煤改電”政策的推行，空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)被越來越多的應(yīng)用到農(nóng)村居民建筑中。目前，國內(nèi)外學(xué)者對空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)的舒適性、節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性做了大量的研究[1-3]。在供暖系統(tǒng)控制策略方面，劉東等通過EnergyPlus和BCVTB建立空氣源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)模型，以上海地區(qū)100 m2實(shí)際住宅為對象，采用變供水溫度控制策略，整個供暖季，相對于定供水溫度節(jié)能40%[4]。

由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄放熱性能的存在，根據(jù)室外條件確定空氣源熱泵供水溫度的方法，尚缺乏完善的研究。因此，本文基于一個100 m2北方獨(dú)立民居及其空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合室外溫度設(shè)定控制調(diào)節(jié)理論模型，通過數(shù)值模擬找到空氣源熱泵隨室外溫度調(diào)節(jié)供水溫度的曲線。

1 建立模型

1.1 建筑模型

建筑模型采用TRNSYS中type56模塊，模擬了一個建筑面積100 m2，層高3.2 m的單層農(nóng)村住宅，地點(diǎn)位于北京。典型農(nóng)村居住建筑平面圖如圖1所示。

圖1 典型農(nóng)村居住建筑平面圖

建筑的詳細(xì)設(shè)置參考文獻(xiàn)[5]中的寒冷地區(qū)典型農(nóng)村居住建筑，南向窗墻比0.2，北向窗墻比0.1，建筑朝向正南，通風(fēng)換氣次數(shù)為1次/h。北京市冬季供暖室外計(jì)算溫度-7.6℃[6]。建筑基本信息如表1所示。

表1 建筑基本信息

根據(jù)GBT50824-2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定和要求，外墻增加8 cm膨脹聚苯板，改造后外墻傳熱系數(shù)為0.457 W/(m2·K)。窗戶改為中空玻璃，傳熱系數(shù)為2.8 W/(m2·K)。地板輻射采暖表面為水泥，填充層為60 mm混凝土，最下方設(shè)置隔熱層。地埋管采用DN20的PE管，管間距200 mm，共有四路盤管，西臥室主體一路97 m，客廳主體一路89 m，中臥室和廚房主體一路96 m，其余一路95 m。

1.2 空氣源熱泵模型

TRNSYS目前還沒有能完善考慮空氣源熱泵除霜影響下機(jī)組能效的模塊，因此本文采用文獻(xiàn)[7]中的經(jīng)驗(yàn)公式對熱泵機(jī)組COP（制熱性能系數(shù)）進(jìn)行修正。當(dāng)室外溫度低于7℃和高于7℃時(shí)，COP衰減值分別如式（1）和式（2）所示。

式中：COPdf為機(jī)組除霜造成的COP衰減值；to為室外溫度，℃。

通過FORTRAN將該經(jīng)驗(yàn)公式寫入到新的空氣源熱泵模塊type237中，空氣源熱泵耗電量Pm與實(shí)際制熱負(fù)荷Qx的計(jì)算公式為：

式中：COPc為名義工況COP；COPr為廠家提供COP與名義工況COP的比值；CAPc為名義工況制熱量；CAPr為廠家提供制熱量與名義工況制熱量的比值；m為熱泵機(jī)組制熱水流量，kg/h；Cp為水的定壓比熱容，取 4.187 kJ/(kg·K)；tg為熱泵機(jī)組出水水溫，℃；ti為熱泵機(jī)組進(jìn)水水溫，℃。

考慮空氣源熱泵在部分負(fù)荷率下運(yùn)行時(shí)，用到部分負(fù)荷率Plr和能耗與額定功率比值Fflp，兩者關(guān)系由外部文件提供。實(shí)際耗電量P的計(jì)算式如下：

熱泵機(jī)組選擇1臺麥克維爾風(fēng)冷熱泵MACO50ER5-AE，額定制熱量 14.8 kW，額定功率4.4 kW。水泵選擇1臺臥式多級離心泵，揚(yáng)程17 m，流量2.5 m3/h，額定功率0.37 kW，效率0.5。經(jīng)過除霜修正后的麥克維爾機(jī)組測試COP曲線如圖2所示。

圖2 經(jīng)過除霜修正后COP曲線

1.3 供暖系統(tǒng)模型

供暖系統(tǒng)計(jì)算模型中天氣文件采用北京典型氣象年TMY2的數(shù)據(jù)文件。TRNSYS仿真系統(tǒng)則如圖3所示。

圖3 TRNSYS仿真系統(tǒng)

假設(shè)條件：系統(tǒng)未考慮壓力變化對水泵能效的影響。系統(tǒng)未考慮機(jī)組到盤管間管道散熱損失。為便于分析控制策略，將建筑內(nèi)4個房間合并為1個房間。

2 控制策略優(yōu)化分析

2.1 現(xiàn)有控制策略

在實(shí)際空氣源熱泵輻射采暖系統(tǒng)中，啟停控制最為常用。通過溫度感受器檢測室內(nèi)溫度，當(dāng)室內(nèi)溫度高于上限值時(shí)，控制裝置關(guān)閉閥門。當(dāng)室內(nèi)溫度低于下限值時(shí)，控制裝置打開閥門。本文中，室內(nèi)溫度上下限設(shè)置為19℃、18℃。用戶很少去更改熱泵機(jī)組的設(shè)定供水溫度，一般恒定供水溫度為一固定值，如45℃。實(shí)際上建筑末端并不需要如此高的供水溫度，降低熱泵機(jī)組供水溫度，可提高熱泵機(jī)組能效。

2.2 優(yōu)化控制策略

實(shí)際項(xiàng)目供水溫度的調(diào)節(jié)往往通過經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)，一般室外溫度每降低2～3℃，供水溫度就提高1℃。但實(shí)際上由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身蓄放熱性能帶來熱量傳遞的延遲性，使通過經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)的結(jié)果離理想結(jié)果所差甚遠(yuǎn)，甚至無法保證室內(nèi)溫度。因此，本文提出一種更加合理的供水溫度隨室外溫度調(diào)節(jié)的方法。

室外溫度設(shè)定控制調(diào)節(jié)的理論模型為，建筑物熱損失與室內(nèi)外溫差成比例，比例關(guān)系與建筑物結(jié)構(gòu)材料等因素有關(guān)，這種關(guān)系可綜合表達(dá)為[8]：

式中：Qbuild為建筑物熱損失，kW；U為建筑物整體熱損失系數(shù)，kW/℃；ts為室內(nèi)溫度，℃。

假定輻射盤管向房間傳遞的熱量，與室溫和供水溫度之差成比例[8]，則：

式中：Qfloor為地輻射向房間傳遞的熱量，kW；k為地輻射向房間傳熱的傳熱系數(shù)，kW/℃。

兩式相等，可得到：

實(shí)際項(xiàng)目中U/k難以獲得，本文在TRNSYS平臺上對該系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真計(jì)算，計(jì)算過程中保證室內(nèi)設(shè)定溫度，通過PID調(diào)節(jié)，在流量不變的情況下，得到此時(shí)房間的供水溫度。室內(nèi)溫度設(shè)定為18℃，為了盡最大程度避免偶然因素對供水溫度的影響，模擬整個采暖季供水溫度，得到采暖季供水溫度平均值，再由北京市典型年氣象文件TMY2得到采暖季平均室外溫度。根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)向外散熱量與輻射盤管對房間供熱量相等的假設(shè)，可求得U/k的值為0.56。考慮到機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的啟停波動，供水溫度提高5℃，得到供水溫度與室外溫度的關(guān)系式如式（10）所示。熱泵機(jī)組供水溫度達(dá)到自身限值時(shí)可保持限值溫度運(yùn)行。

由于逐時(shí)室外溫度波動較大，考慮晝夜溫差的影響，將每天的室外溫度分成兩段，晚6點(diǎn)到早6點(diǎn)為一個時(shí)間段，早6點(diǎn)到晚6點(diǎn)為另一個時(shí)間段，各時(shí)間段逐時(shí)室外溫度取該時(shí)段12個小時(shí)室外溫度平均值。

圖4為控制熱泵供水溫度策略下室內(nèi)溫度變化曲線。其中，橫坐標(biāo)為整個采暖季的時(shí)間，共2904 h。縱坐標(biāo)分別為設(shè)定供水溫度，室內(nèi)溫度和室外溫度。在該控制策略下，室內(nèi)溫度在18～22℃之間波動，室內(nèi)溫度變化與室外溫度變化趨勢基本一致，熱泵機(jī)組供水溫度與室外溫度變化趨勢相反。

圖4 控制熱泵供水溫度策略下室內(nèi)溫度變化曲線

由圖4可知，在9056 h出現(xiàn)采暖季最低的逐時(shí)室外溫度，為-14.95℃。該時(shí)刻處于1月13日，該日有極端天氣，因此在上午8點(diǎn)出現(xiàn)了整個采暖季最低室外溫度。模擬該日變供水溫度與恒定供水溫度45℃控制策略的室內(nèi)溫度變化如圖5所示。

圖5 1月13日室內(nèi)溫度變化

由圖5可知，1月13日氣溫波動大，上午8點(diǎn)前氣溫持續(xù)降低，上午8點(diǎn)后，氣溫開始回升，傳統(tǒng)控制策略下室內(nèi)溫度先達(dá)到設(shè)定的上限值，閥門關(guān)閉。1 h后，變供水溫度控制策略下室內(nèi)溫度也達(dá)到設(shè)定的上限值，閥門關(guān)閉。下午7點(diǎn)，兩種控制策略室內(nèi)溫度都達(dá)到設(shè)定室內(nèi)溫度下限值，閥門開啟。由于傳統(tǒng)控制策略供水溫度更高，在圖中可明顯看出其升溫速度更快。總體來看，相較于傳統(tǒng)控制策略，變供水溫度控制策略系統(tǒng)COP更高。

熱泵機(jī)組不同出水溫度設(shè)定方式下采暖季耗電量及系統(tǒng)平均COP如圖6所示。

圖6 采暖季系統(tǒng)耗電量及系統(tǒng)平均COP

采用變供水溫度控制策略，相較于恒定供水溫度45℃控制策略采暖季耗電量可省16.7%，采暖季系統(tǒng)平均COP可提高19.0%。空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)采用變供水溫度控制策略與供水溫度恒定45℃的控制策略相比，在保證室內(nèi)溫度前提下，機(jī)組制熱量變化不大，但由于熱泵機(jī)組供水溫度降低，熱泵機(jī)組效率提高，熱泵機(jī)組耗電減少。

3 結(jié)論

本文以寒冷地區(qū)的100 m2典型農(nóng)村居住建筑為對象，在室外溫度設(shè)定控制調(diào)節(jié)理論模型基礎(chǔ)上，通過TRNSYS模擬得到采暖季平均供水溫度與平均室外溫度，確定隨室外溫度調(diào)節(jié)熱泵機(jī)組供水溫度的曲線。該控制策略相較于傳統(tǒng)空氣源熱泵恒定供水45℃的控制策略，采暖季耗電量可降低16.7%，采暖季系統(tǒng)平均COP可提高19.0%。該控制策略充分發(fā)揮了空氣源熱泵低溫高效的優(yōu)勢，節(jié)能效果顯著。