串、并聯式太陽能空氣源熱泵供熱系統性能數值研究與對比

李海林 李紹勇 韓喜蓮 吳宗禮

串、并聯式太陽能空氣源熱泵供熱系統性能數值研究與對比

李海林 李紹勇 韓喜蓮 吳宗禮

（蘭州理工大學土木工程學院 蘭州 730050）

為解決北方地區冬季采暖和空氣污染等問題，太陽能與熱泵等新型節能減排技術得到了越來越多的關注與應用。鑒于此，提出了串、并聯式太陽能空氣源熱泵供熱系統（Heating System of Solar Assisted Air Source Heat Pump, HSSAASHP）設計方案及其運行模式。以蘭州地區某辦公樓作為供熱對象，基于TRNSYS（Transient System Simulation Program）對其串、并聯式HSSAASHP分別進行了組態和運行狀況進行了數值模擬及性能分析。結果表明：串、并聯式HSSAASHP在理論上都是可行的，且前者在節能方面表現優于后者。此外，基于粒子群算法（Particle Swarm Algorithm, PSA）來優化串聯式HSSAASHP的部分關鍵參數，進一步降低其運行成本，從而獲得節能、降耗和減排的綜合效益。

太陽能；空氣源熱泵；混合供熱系統；粒子群算法；節能減排

0 引言

太陽能可視為永不枯竭的清潔能源，也是最重要的可再生能源。在建筑能耗中，生活熱水、供熱采暖和制冷等能耗約占45%[1]，是建筑節能的重點領域，而其中民用建筑的用熱需求，如供暖熱水及生活熱水的制備，其溫度值較低，恰好對應了太陽能能流密度低的特點。因此，在建筑的熱需求方面利用太陽能這種廉價、豐富且持久的可再生能源與不同形式系統進行整合，來解決建筑能耗問題，就能夠大幅降低當今社會對常規能源的依賴[2]，從而獲得良好的節能減排效益。

傳統太陽能熱水系統以電輔助加熱器來克服太陽能熱利用的不穩定性，而太陽能熱泵混合系統是將熱泵作為太陽能供熱系統的一部分，從而進一步降低對電力資源的依賴；同時也可克服太陽能熱利用的不穩定性。且理論上，將電輔助替換為熱泵輔助，使得太陽能熱泵混合系統的運行更加穩定與高效[3]。太陽能熱泵系統根據太陽能集熱器與熱泵蒸發器的結合方式，可分為直膨式和非直膨式兩大類，而非直膨式又可分為串聯、并聯和混聯式[4]，分別是指太陽能與水源熱泵、太陽能與空氣源熱泵和太陽能與雙源（空氣源和水源）熱泵的組合方式。

目前國內外學者對于太陽能與熱泵混合系統或是新型熱泵系統已做了許多理論分析與實驗研究。其中，Bagarella G等人[5]研究了混合式熱泵并行系統和選擇系統的差別；截止溫度該怎么選擇，不同的截止溫度對系統有何影響；是否并行系統就比選擇系統更節能。結果表明，當選用額定功率為10.8kW的大容量熱泵時，兩種系統無差別；當選用額定功率為3.9kW的小容量熱泵時，模擬結果顯示截止溫度為-1℃時有最小能耗，且并行系統比選擇系統的節能效果高5%。Deng W S等人[6]進行了改進的直膨式太陽能熱泵熱水器與傳統太陽能熱泵熱水器的加熱時間與性能系數（Coefficient of Performance, COP）的研究與比較；并討論了制冷劑流量分配，蒸發器與集熱器的面積分配，太陽輻射及室外空氣溫度對改進型系統的影響。將改進型與傳統型系統相比較，前者在低太陽輻射下有更好的性能；改進型系統可同時吸收太陽能與空氣能，為系統運行保持更高的蒸發溫度和具有更好的COP與加熱能力。但是，環境溫度在低太陽輻射條件下對改進型系統影響大，環境溫度的降低會惡化該系統性能。Amir A S等人[7]對安裝于加拿大某住宅的兩級變容量空氣源熱泵進行了夏季與冬季對照試驗，并進行了TRNSYS模擬。結果顯示在供冷模式下：室外溫度在16～33℃間，COP在4.7～5.7之間變化；而供熱模式下：室外溫度在-19～9℃，COP在1.79～5.0之間變化。朱霞等人[8]對熱泵在前，集熱器在后的串聯式系統，即HP(Heat Pump)+SC(Solar Collector)與集熱器在前，熱泵在后的串聯式系統SC+HP進行了研究與對比。主要結論是太陽能熱泵系統中的SC與HP串聯結合的先后順序對系統中的熱泵性能有較大影響。在南京冬季典型晴天下，當集熱器的面積一定時，隨著太陽輻射強度的增加，HP+SC系統中熱泵的性能優于SC+HP系統中熱泵的性能，熱泵COP最大可提高6.65%。由此可見，太陽能與熱泵的組合方式將能夠充分發揮節能減排的潛力。

為了解決民用建筑物冬季采暖和室外空氣污染等問題，本文將太陽能與空氣源熱泵組合為聯合供熱系統，提出A、B、C和D四種運行模式；且受到文獻[4]與[8]的研究思路啟發，將系統中的SC與HP冷凝器進行適當的組合，該HSSAASHP分為串聯式和并聯式，如圖1所示。借助TRNSYS軟件，分別對兩系統進行組態和仿真運行，并對比其供熱性能與耗電表現。對于節能表現更佳的串聯式HSSAASHP，以系統運行成本為目標函數，進一步運用粒子群算法（Particle Swarm Algorithm, PSO）對SC面積和安裝角度、蓄熱水箱體積和HP額定功率等關鍵參數進行優化，從而降低其運行成本，彰顯綠色節能與降耗減排的設計理念和目的。

1 HSSAASHP組成及其運行模式

基于蘭州地區太陽能輻射量的優勢與氣候條件，對該市某辦公樓的HSSAASHP進行了設計。其主要設備包括太陽能集熱單元、空氣源熱泵單元、蓄熱水箱、循環水泵和溫度測量、控制元件等主要設備，其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 串、并聯式HSSAASHP系統運行工藝圖

通過太陽能集熱單元與空氣源熱泵單元，HSSAASHP能夠分別獲取可再生綠色能源-太陽能與空氣能，來共同加熱采暖供水，保證所需的供水溫度達標，滿足該辦公樓所需的熱負荷，并降低整個聯合供熱系統的運行能耗。

1.1 HSSAASHP運行模式

根據氣象條件的變化，該HSSAASHP分為冬季采暖模式，包括A、B和C三種方式，以及夏季與過渡季節制備熱水模式D。當冬季采暖模式運行時，預先手動開啟截止閥SV-1和SV-2和關閉截止閥SV-3。當夏季與過渡季節制備熱水模式運行時，預先手動開啟截止閥SV-3和關閉截止閥SV-1和SV-2。

供熱模式A：當太陽輻射充足，SC出水溫度out≥40℃時，溫度控制器TC發出指令，使得電磁二通閥EMV-1和EMV-4得電開啟，EMV-2、EMV-3和EMV-5失電關閉，且熱泵STOP。SC出水直接流經管路BD進入蓄熱水箱后，通過分水器流經辦公樓的采暖子系統釋放熱量，返回集水器再次進入SC加熱，循環往復。

供熱模式B：當太陽輻射不足，SC出水溫度out＜35℃時，溫度控制器TC發出指令，使得熱泵START和EMV-5關閉。同時，依據out大小，溫度控制器TC發出指令，對其余4個電磁二通閥開啟或關閉。

若out低，則EMV-1和EMV-3得電開啟，而EMV-2和EMV-4失電關閉。供熱回水流向為A—SC—B—C—ASHP冷凝器—D—蓄熱水箱，先后由SC與ASHP加熱，即串聯式；若out較高，則EMV-1、EMV-2和EMV-4得電開啟，而EMV-3失電關閉。供熱回水流向分別為A—SC—B—D—蓄熱水箱和A—C—ASHP冷凝器—D—蓄熱水箱，分別由SC與ASHP加熱后，在蓄熱水箱匯合，即并聯式。

供熱模式C：當無太陽輻射時，溫度控制器TC發出指令，使得EMV-2得電開啟，EMV-1、EMV-3、EMV-4和EMV-5失電關閉，且熱泵START。供熱回水流向為A—C—ASHP冷凝器—D—蓄熱水箱。

制備熱水模式D：為充分發揮系統效益，SC在夏季與過渡季節單獨運行，為辦公樓及其附近居民區用戶提供生活熱水。溫度控制器TC發出指令，使得熱泵STOP 和EMV-1、EMV-4得電開啟，而EMV-2、EMV-3失電關閉。SC出水流經管路BD進入蓄熱水箱，溫度測量變送器TT2檢測蓄熱水箱的溫度tank，并將其值傳送于溫度控制器TC。若tank＜tank,set=50℃，TC發出指令，使得EMV-5失電關閉，則蓄熱水箱出水流經管路EFA，通過SC側水泵循環進入SC，吸熱溫升，然后流經管路BD進入蓄熱水箱，出水再流經管路EFA進入SC，循環往復，直至tank≥tank,set。TC發出指令，使得EMV-5得電開啟，向樓宇用戶及附近居民區供應熱水。隨著熱水的不斷供應，蓄熱水箱的液面會逐漸下降。當降至設定值時，浮球式進水閥FV自動開啟，為蓄熱水箱補水，直至液面恢復設定值， FV自動關閉。

1.2 串、并聯式HSSAASHP的切換

本文引入一個切換溫度switch概念來實現HSSAASHP串、并聯式的轉換，根據switch大小，串、并聯式進行自動切換的條件式如下：

這樣，在冬季采暖期間，HSSAASHP依據switch可自動地進行串、并聯式的切換，在本質上是將供熱模式B做了進一步劃分。

1.3 基于TRNSYS的HSSAASHP組態

為了建立一個共同的比較基礎，兩系統均采用蘭州地區氣象數據，同類模塊采用相同設計數據，保證相同的供熱時間表與供熱溫度等。

此外，兩系統采用相同工作時間曲線，即一天當中的6時至18時，以此來模擬某辦公室低溫地暖輻射供熱，雖然該時間曲線并不完全符合實際情況，但足以滿足本文的不同系統的效益比較。

1.3.1 并聯式HSSAASHP組態

并聯式HSSAASHP中關鍵是SC單元的循環控制，ASHP與ASHP側水泵的啟停控制。前者是通過SC單元進出口溫差對SC側水泵的啟停控制來實現，組態原理如圖2所示。

圖2 SC單元循環控制連接圖

對于SC單元側循環水泵的控制：當SC單元進出口溫差大于8℃時，該水泵START，直至進出口溫差小于2℃時，水泵STOP。

ASHP與ASHP側水泵的啟停控制則由設定供水溫度40℃與實時水箱頂層溫度的差值變化來實現，二者的啟停是同步的，組態原理如圖3所示。

圖3 ASHP控制連接圖

為保證供水溫度保持在35℃至45℃之間，計算器模塊對輸出控制函數T與負荷函數time進行計算，輸出的ASHP控制信號如下：

式（2）中INT為取整函數，即只有當溫度控制函數輸出與負荷函數輸出同時為1時，計算器輸出函數值1，ASHP與ASHP側水泵同時START，否則，計算器輸出函數值0，ASHP與ASHP側水泵同時STOP。

1.3.2 串聯式HSSAASHP組態

串聯式HSSAASHP中與并聯式不同的在于ASHP側水泵的控制。組態原理如圖4所示。

圖4 串聯式HSSAASHP的ASHP側水泵控制連接圖

圖4中計算器模塊對SC側循環水泵控制器的輸出函數與負荷函數進行計算，輸出的ASHP側水泵控制信號如下：

式（3）中INT為取整函數，NOT為邏輯非函數，即當SC單元側水泵STOP，輸出函數0，同時負荷曲線函數輸出為1時，計算器輸出函數值1，ASHP側水泵START，否則，ASHP側水泵STOP。

這里需要說明的系統關鍵模塊如下：

（1）Type1b模擬平板太陽能集熱器的熱性能，集熱器面積統一設置為4m2，流體比熱設置為4.19kJ/(kg·K)，其它數據均采用默認設置。

（2）Type4c模擬可內置輔助加熱器的分層水箱，設置6個等大小的節點，以此來模擬蓄熱水箱內部由上而下水溫逐漸降低的溫度分層現象。水箱上部溫度高，用于取水，下部溫度低，用于換熱。這樣的方式將進一步提高系統的換熱能力。

（3）Type2b微分控制器用來實現對2個循環水泵和ASHP的START/STOP控制，控制函數的輸出0或1取決于差值函數(H-L)與兩個死區溫差Upper dead band dT與Lower dead band dT的比較。控制函數的新值取決于上一時間步驟中輸入控制函數的值。控制器通常將輸出信號函數連接至輸入信號函數提供滯后效應。

（4）Type11b調溫閥將加熱的液體與較冷的供水混合，避免流向負荷的水溫高于設定溫度。

（5）Type14b建立一條與時間相關的強制函數，并具有重復模式。該函數由一組離散的數據點組成，每個數據點對應函數在一個周期內的不同時刻的值。設置=24，以此模擬每天24h負荷側供水流量。

2 數值模擬結果與分析

在蘭州地區氣象數據條件下，選取供熱季節典型日1月22日，數值模擬串、并聯式HSSAASHP的蓄熱水箱頂層溫度變化，ASHP和兩個循環水泵START/STOP狀況，分析相應的運行能耗。

圖5所示為該典型日的室外溫度與太陽能輻射強度的實時變化，可見9時至18時為太陽輻射時間，13時至16時處于峰值，而室外溫度的變化相較太陽輻射的變化略有滯后。

圖5 供熱期間典型日室外溫度與太陽輻射強度逐時變化圖

在1月22日氣象條件下，串、并聯式HSSAASHP蓄熱水箱頂層溫度變化及ASHP啟停狀況分別如圖6，圖7所示。

分析圖6和圖7可知，在供熱時間段內，串聯式系統中的ASHP啟停次數頻繁，致使水箱頂部溫度波動劇烈。而并聯系統的ASHP啟停僅為3次，水箱頂部溫度變化也更加平緩。這是由于在太陽能與熱泵聯合供熱模式下，并聯式系統在結構形式上表現出的天然優勢，即SC單元與ASHP分別加熱部分供熱回水，蓄熱水箱發揮了其混合儲熱作用，儲存了部分熱量為下一時段的先混合后供熱做好了準備，使得ASHP不用頻繁啟停。

圖6 串聯式HSSAASHP中蓄熱水箱頂部溫度變化與ASHP啟、停和運行狀況

圖7 并聯式HSSAASHP中蓄熱水箱頂部溫度變化與ASHP啟、停和運行狀況

圖8 串、并聯式HSSAASHP的SC側水泵啟、停信及其運行狀況

如圖8所示為兩系統SC側水泵啟停信號，對照該典型日太陽輻射強度變化情況，兩系統的集熱器收集太陽能時間，均在當日太陽輻射較好的9時至17時，串聯式系統有微弱優勢，差別不大。

圖9 串、并聯式HSSAASHP的ASHP側水泵啟、停及其運行狀況

圖9所示是兩系統ASHP側水泵啟停信號，串聯式系統中ASHP側水泵運行時間僅為4h，而并聯式系統則有7h左右。這是由于串聯系統中ASHP側水泵只有在熱泵單獨供熱模式下運行從而節約電能，相較之下，并聯式系統中ASHP側水泵則要在熱泵單獨供熱模式及太陽能熱泵聯合供熱模式下運行。從圖中也可看出串聯系統在6時至9時與17時至18時由熱泵單獨供熱，對比該典型日太陽輻射強度的實時情況，說明在無太陽輻射情況下由熱泵獨立承擔供熱負荷。

兩種系統運行下的主要性能參數，包括太陽能保證率和ASHP的COP值等，及耗電表現如表1所示。

表1 典型日兩系統運行狀況的主要參數

從表1的兩系統相關性能參數的比較可見，串聯式系統與并聯式系統各有優勢，串聯式系統中SC單元對水流進行預加熱使熱泵冷凝器入口溫度有所升高，理論上會影響熱泵性能，結果也表明串聯式系統中熱泵COP在3.75～4.74，而并聯式系統則為4.19～4.77。但在供熱季節典型日的系統運行能耗方面，SC側水泵耗能串聯式系統略高于并聯式系統，ASHP側水泵耗能串聯式系統為并聯式系統的二分之一，ASHP耗能串聯式系統同樣小于并聯式系統，致使串聯式系統相較并聯式系統節能2719kJ，同時多收集2465kJ太陽能，太陽能保證率因此也略高一些。

3 基于粒子群算法的串聯式系統參數優化

通過以上分析對比，串聯式HSSAASHP在節約運行能耗方面更有優勢。而HSSAASHP的經濟性不僅要考慮運行能耗，同時還取決與各個主要設備的結構參數、布局方式及運行維護費用等因素。因此本文利用粒子群算法對串聯系統的SC角度和面積，集熱水箱體積，熱泵額定功率等關鍵參數進一步優化，使HSSAASHP的經濟性更具優勢。

粒子群算法是受鳥類覓食啟發而提出的一種進化算法[9,10]，該算法分為帶慣性權值的粒子群算法與帶收縮因子的粒子群算法。兩種方法在測試函數中表現出各自優勢，但慣性權值方法中的一般設置慣性權值遞減，致使尋優后期探索新區域能力下降，而收縮因子方法則不存在此不足。因此本文選擇帶收縮因子的粒子群算法，以串聯式HSSAASHP運行成本COST為目標函數，關鍵參數SC面積、SC安裝傾角、蓄熱水箱體積和ASHP額定功率作為輸入變量，忽略維護費用，構建的min表達式如下：

式中，SC為SC集熱面積，m2；tank為蓄熱水箱體積，m3；ASHP為ASHP額定功率，kW；1、2、3為SC單位面積價格，元/m2、蓄熱水箱單位體積價格，元/m3、ASHP單位容量價格，元/kW；system為系統使用年限，年；1、2、3為SC側水泵耗電量，kWh、ASHP側水泵耗電量，kWh、ASHP耗電量，kWh；4為當地電價，元/kWh。

基于上式和粒子群算法，構建的優化串聯式HSSAASHP關鍵參數的算法流程，如圖10所示。

圖10 基于PSA串聯式HSSAASHP關鍵參數的優化流程圖

在供熱季節本年11月至次年3月內，編程運行圖10所示的關鍵參數優化算法流程，獲取的串聯式HSSAASHP優化前后的關鍵參數及運行成本如表2所示。

表2 串聯式HSSAASHP優化前后數據對比

由表2數據可見，對于串聯式HSSAASHP而言，理論上SC面積越大，節能效益越顯著；而SC面積的增加也需要更大的蓄熱水箱tank來匹配。表中數據顯示優化后SC面積減小，SC安裝角度增大，蓄熱水箱體積tank基本不變，熱泵額定功率降低，使得費用減少1600余元。總之，SC面積與tank需要合理匹配；也說明SC、蓄熱水箱與熱泵的初始成本會極大影響串聯式HSSAASHP運行成本的優化結果。

采用優化后的數據，再次數值模擬串聯式HSSAASHP在典型日蓄熱水箱頂層溫度變化及ASHP啟停狀況，如圖11所示。

圖11 優化后串聯式HSSAASHP中蓄熱水箱頂部溫度變化與ASHP啟、停及其運行狀況

圖11與優化前的圖6相比較，可知優化后的串聯式系統熱泵啟停次數減少了，水箱頂部溫度波動較平緩。但是由于優化后ASHP額定功率減小，即ASHP型號規格下降，導致COP由原來的3.75～4.74變化為3.75～4.24，下限值降低了。

4 結論

（1）本文基于TRNSYS建立太陽能空氣源熱泵聯合供熱串聯系統與并聯系統，對比分析得出，串聯式HSSAASHP中熱泵COP為3.75～4.74，相較并聯式HSSAASHP的4.19～4.77有略微差距，但在耗能方面，僅模擬典型日一天即節能2719kJ，且串聯式有更高的太陽能保證率。

（2）串、并聯式HSSAASHP在太陽能熱泵聯合運行模式下，表現出各自優勢，因此本文引入可在特定狀況下切換兩種系統形式的切換溫度switch，將有利于系統效益的發揮。今后將會對串、并聯式自動切換的HSSAASHP運行效果進一步探索。

（3）針對節能方面更佳的串聯式HSSAASHP，利用粒子群算法優化其SC面積，SC安裝角度，蓄熱水箱體積及ASHP額定功率等關鍵參數，使系統運行成本降低1600余元，同時從優化結果得出太陽能熱泵系統雖然較之傳統太陽能系統節能效益顯著，僅在1月即可節約近632.5kWh電能，但SC與ASHP的初始成本制約了系統應用的普及與其節能效益的進一步放大。

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Numerical Study and Comparison on the Performance of the Series-type and Parallel-type Heating Systems of Solar Assisted Air Source Heat Pump

Li Hailin Li Shaoyong Han Xilian Wu Zongli

( School of civil engineering, Lanzhou university of technology, Lanzhou, 730050 )

In order to solve the problems of winter heating and outdoor air pollution in North China, some new energy-saving and emission reduction technologies, such as solar energy and heat pump, are getting more and more attention and application. In view of this, this paper proposes a design scheme and the related running modes of the series-type and parallel-type heating systems of solar assisted air-source heat pump. Considering an office building in Lanzhou area as the heating object, based on TRNSYS software, the configuration, the corresponding operational situations and performance analysis of these two heating systems are carried out, respectively. The results indicate that both systems are feasible in theory, and the former is superior to the latter in energy saving. In addition, some key parameters of the series-type HSSAASHP are optimized by means of particle swarm algorithm (PSA) to further reduce its operating cost. Thus, the comprehensive benefits of energy saving, consumption reduction and emission reduction can be achieved.

solar energy; air source heat pump; hybrid heating system; particle swarm algorithm; energy-saving and emission reduction

TU83

A

1671-6612（2019）04-425-08

甘肅省自然科學基金（編號：1508RJZA109）

李海林（1993-），男，碩士研究生，E-mail：544292308@qq.com

2018-08-02