空氣源熱泵輔助熱水系統的優化研究

周杰

摘 要：空氣源熱泵是一種廣泛應用的節能環保的熱水器系統，為了提升空氣源熱泵輔助熱水系統中各關鍵運行數據的匹配性，本文利用仿真分析平臺建立了空氣源熱泵輔助熱水系統的結構模型，以空氣源熱泵工作時的生命周期成本為匹配參數，將所涉及的水箱容積、集熱面積等作為優化變量，對其進行優化設計，結果表明：優化后系統的節能效果顯著提升，全年的節電率達到了8.92%，單位集熱面積所對應的最佳的水箱的量為72.7L/㎡，單位面積所對應的最佳的熱泵功率為59.1W/㎡，為空氣源熱泵輔助熱水系統的優化設計提供了技術了理論支撐。

關鍵詞：空氣源熱泵；熱水系統；集熱面積；優化設計

0 引言

空氣源熱泵是一種將大氣內的低溫的熱量吸收進來，任何通過流動介質的氣化，將熱量傳遞給水箱內的水的設備，具有高效、節能的特點。但當環境溫度低的時候其工作效率會集聚下降，因此為了確保用戶的正常使用，需要為空氣源熱泵配備相應的輔助熱水系統，以滿足不同環溫條件下的正常使用。因此如何對輔助熱水控制系統的參數設計進行優化匹配，提高工作效率、降低電能消耗就顯的至關重要。本文利用TRNSYS仿真分析軟件，搭建了空氣源熱泵機輔助熱水系統的仿真分析模型，以空氣源熱泵工作時的生命周期成本為優化目標，對其進行仿真分析，最終確定了最佳的參數匹配數據，極大的提升了空氣源熱泵工作時的經濟性和可靠性。

1 仿真算法優化流程

利用TRNSYS仿真分析軟件建立空氣源熱泵及輔助熱水系統的仿真分析模型，將其并入到CENOPT算法優化程序中，進行參數匹配優化，在優化時設置優化變量A為集熱器的面積，設優化變量B為集熱器的傾斜角，設置優化變量C為輔助熱水系統水箱的容量，設置熱水系統的熱泵功率為D，同時對仿真分析時候的加速因子、分析時的步長以及步長的收縮率、系統優化分析精度進行設置，在進行分析時，利用每一步迭代后的參數驅動仿真分析模型對此參數配置情況下空氣源熱泵輔助熱水系統的工作性能進行分析，根據分析結果修正迭代數據并進一步優化，直到所獲得的參數匹配滿足設定的優化目標。化變量A的范圍為79㎡≤A≤206㎡，設置優化變量B的范圍為18°≤B≤35°，設置優化變量C的范圍為5.6m3≤C≤12.9 m3，設置優化變量D的范圍為7kW≤B≤27.6kW。

2 優化方程及優化結果

在進行優化時，以空氣源熱泵輔助熱水系統的生命周期成本為優化目標函數，根據全國平均的集熱器、

供水系統、管路附件等成本，所建立的生命周期成本的目標函數為可表示為[2]：

由仿真分析結果可知，在不斷優化迭代的過程中系統的生命周期函數不斷降低，經過約140次的優化迭代后，空氣源熱泵復雜熱水系統的生命周期成本最低且基本處于穩定的狀態，此時表明當集熱器的面積為154㎡，集熱器的工作傾角為21°，輔助水系統水箱的容積為11.2m3、功率為9.1kW情況下該空氣源熱泵輔助熱水系統具有最低的生命周期成本。

3 優化前后的對比分析

由對比分析結果可知，在優化過程中該空氣源熱泵輔助熱水系統的水箱的容積和集熱器的面積的比值約為72.7L/㎡，系統的熱泵功率和集熱器的面積的比值約為59.1W/㎡，熱水泵系統工作時的最佳的傾角約為當地緯度再減6°，因此在實際配置的時候可以以此為匹配原則對空氣源熱泵與輔助熱水系統的匹配參數進行優化設計。

以COP表示系統的性能系數[4]，則本文選擇2018年12月1日～12月10日，連續十天對優化前后系統的性能分布情況進行研究，結果如圖3所示。

由實際測試結果可知，優化后系統在同等條件下的性能系數要優于優化前系統的性能系數，由此證明了該優化結果的準確性，經優化后系統能夠最大限度的優先對太陽能進行利用，合理的設置輔熱水系統的工作參數，有效降低工作時的耗電量，經分析，優化后系統全年的耗電量能夠比優化前降低約8.92%。

4 結論

為了合理設置空氣源熱泵和輔助熱水系統工作時的性能參數，達到節能的效果，本文利用仿真分析軟

件和系統優化分析軟件，對不同參數配置下析它的工作特性進行仿真分析，根據優化迭代及實際驗證結果表明：①當集熱器的面積為154㎡，集熱器的工作傾角為21°，輔助水系統水箱的容積為11.2m3、功率為9.1kW情況下該空氣源熱泵輔助熱水系統具有最低的生命周期成本；②生命周期成本最低情況下，空氣源熱泵輔助熱水系統的水箱的容積和集熱器的面積的比值約為72.7L/㎡，系統的熱泵功率和集熱器的面積的比值約為59.1W/㎡，熱水泵系統工作時的最佳的傾角約為當地緯度再減6°；③經優化后系統能夠最大限度的優先對太陽能進行利用，合理的設置輔熱水系統的工作參數，有效降低工作時的耗電量，系統全年的耗電量能夠比優化前降低約8.92%。

參考文獻：

[1]曠玉輝，王如竹，許煜雄.直膨式太陽能熱泵供熱水系統的性能研究[J].工程熱物理學報，2004，25（5）：737-740.

[2]劉雨曦.空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統在夏熱冬冷地區的運行模擬和應用研究[D].重慶：重慶大學，2011.

[3]劉麗軍.太陽能輔助空氣源熱泵在生活熱水工程中的應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.

[4]姚盼，袁艷平，孫亮亮，等.基于交互試驗的熱水系統太陽能保證率影響因素研究[J].太陽能報，2017，38（2）：400-408.