基于TRNSYS的空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供熱系統(tǒng)研究

高屾 崔紅社 姜凱迪 姜鍍輝

摘 要：本文介紹了空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供熱系統(tǒng)的工作原理與特性功能。并基于青島市一實(shí)際項目，結(jié)合TRNSYS模擬軟件預(yù)測系統(tǒng)能耗并優(yōu)化控制策略，研究耦合供熱系統(tǒng)的最佳配比。經(jīng)研究得當(dāng)空氣源熱泵在與燃?xì)忮仩t的耦合供熱系統(tǒng)中占比達(dá)60%時，費(fèi)用年值最低。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵;TRNSYS;耦合供熱系統(tǒng);優(yōu)化分析

目前，煤炭仍是中國北方城市集中供熱的主要能源。 冬季供暖期燃煤大量燃燒產(chǎn)生的有害物對空氣造成了嚴(yán)重的污染，危害人的健康，是社會發(fā)展亟待解決的重大問題[1]。基于此種現(xiàn)狀，從2016年開始，我國開始組織安排了史無前例的“清潔取暖”工程。清潔供熱即指利用天然氣、電力、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能、太陽能、工業(yè)余熱、潔凈煤（超低排放）、核能等清潔能源，通過一個高效的能源消耗系統(tǒng)，包括整個供熱過程，實(shí)現(xiàn)污染物排放的減少和能源消耗。

本文提出空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供熱系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)際工程在TRNSYS平臺上建立空氣源熱泵和燃?xì)忮仩t耦合供暖系統(tǒng)的瞬態(tài)計算模型。 根據(jù)青島的氣象條件和價格體系，找到了耦合供暖系統(tǒng)運(yùn)行成本最低時的熱源配置方案。充分發(fā)揮空氣源熱泵運(yùn)行費(fèi)用低污染小與燃?xì)忮仩t供熱穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，對相關(guān)項目的實(shí)施具有一定的指導(dǎo)意義。

一、空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供熱系統(tǒng)

空氣源熱泵利用空氣作為熱源，基于逆卡諾循環(huán)原理，通過少量電能驅(qū)動壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)能量傳遞，具有成本低，操作方便，安全，清潔的優(yōu)點(diǎn)。 它可以直接放在屋頂或室外，廣泛用于中國的中小型建筑。同時，季節(jié)和溫度變化對空氣源熱泵的性能影響較大[2]。 在低溫條件下，空氣源熱泵產(chǎn)生的熱量將嚴(yán)重衰減，這極大地限制了空氣源熱泵的使用[3]。因此在實(shí)際工程中，空氣源熱泵通常與地源熱泵，太陽能，水循環(huán)熱泵，燃?xì)忮仩t等結(jié)合使用。

其中燃?xì)忮仩t供暖溫度有保證且易于控制調(diào)節(jié)是居民小區(qū)采暖的首選。燃?xì)忮仩t效率高，環(huán)境污染小。與燃煤鍋爐相比，燃?xì)忮仩t具有絕對優(yōu)勢。而冷凝式燃?xì)忮仩t更因其高效節(jié)能環(huán)保的特性，近些年來受到用戶追捧。

綜上所述，空氣源熱泵供暖有著高效、節(jié)能、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但其在低溫條件下表現(xiàn)不佳，制熱效率顯著降低。燃?xì)忮仩t可以補(bǔ)足空氣源熱泵在惡劣天氣下的劣勢，保障系統(tǒng)供熱的穩(wěn)定性。二者結(jié)不僅有效地利用了廉價的清潔能源，而且還達(dá)到了減少環(huán)境污染的目的。合理分配熱源，除了使供暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好外還可以節(jié)能降耗，一舉多得。

空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供熱系統(tǒng)原理圖如圖所示：

二、空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供熱系統(tǒng)優(yōu)化

（一）搭建TRNSYS模擬系統(tǒng)

運(yùn)用TRNSYS軟件對空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供熱系統(tǒng)進(jìn)行模擬，搭建耦合供熱系統(tǒng)瞬態(tài)計算模型如圖所示，

圖中建筑熱負(fù)荷選用青島市某居民小區(qū)冬季供暖期DeST負(fù)荷模擬數(shù)據(jù)，其具體參數(shù)如下表所示

將建筑負(fù)荷數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)讀取模塊Type9，導(dǎo)入TRNSYS中進(jìn)行模擬。

末端處理設(shè)備部分選用TRNSYS中自帶的空氣源熱泵Type275、燃?xì)忮仩tType751、水泵模塊Type3b等。根據(jù)DeST負(fù)荷模擬結(jié)果選擇具體的設(shè)備型號，并根據(jù)廠家提供的樣品參數(shù)修改模塊數(shù)據(jù)。具體設(shè)備選型如下：

（二）控制策略

確定合理的控制策略對于空氣源熱泵容量的選擇及其運(yùn)行費(fèi)用和節(jié)能效果影響極大。

根據(jù)青島市現(xiàn)行的峰谷電價、燃?xì)鈿鈨r。當(dāng)氣源熱泵的運(yùn)行成本低于燃?xì)忮仩t的運(yùn)行成本時，空氣源熱泵優(yōu)先提供熱量，而燃?xì)忮仩t則輔助供熱。 如果空氣源熱泵的運(yùn)行成本高于燃?xì)忮仩t，則由燃?xì)忮仩t提供熱量。青島市峰谷電價見表5，燃?xì)鈿鈨r見表6。

在此基礎(chǔ)上，建立了運(yùn)行費(fèi)用平衡點(diǎn)的概念，即在45℃的出水溫度、1kW的單位熱功率下，如果空氣源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用等于燃?xì)忮仩t的運(yùn)行費(fèi)用，則空氣源熱泵和燃?xì)忮仩t的運(yùn)行費(fèi)用平衡點(diǎn)為環(huán)境溫度。

平衡點(diǎn)過高會導(dǎo)致燃?xì)忮仩t運(yùn)行費(fèi)用增加;平衡點(diǎn)過低，則需選擇容量較大的空氣源熱泵，投資成本大幅度提高。且其長期在小負(fù)荷下運(yùn)行，效率低耗能高，既不經(jīng)濟(jì)又不節(jié)能.在實(shí)際工程中，對設(shè)計人員來說，合理選擇機(jī)組的平衡點(diǎn)是及其困難的事情

在TRNSYS模型中，利用控制器模塊找出運(yùn)行費(fèi)用的平衡點(diǎn)。

上圖反映了空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供熱系統(tǒng)，空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t啟停的時間。運(yùn)行時的電費(fèi)高于燃?xì)赓M(fèi)的時間段，即圖中紅線之上的部分，燃?xì)忮仩t供熱，空氣源熱泵關(guān)閉;運(yùn)行時燃?xì)赓M(fèi)高于電費(fèi)的時段，空氣源熱泵供熱，燃?xì)忮仩t輔助。從上圖可以看出，空氣源熱泵運(yùn)行費(fèi)用高于燃?xì)赓M(fèi)用的時段為電價高峰，實(shí)行谷價運(yùn)行峰價停機(jī)。這種運(yùn)行策略可以利用峰谷電價的優(yōu)勢，在谷值期間增加空氣源熱泵的容量，在峰值期間減少空氣源熱泵的使用，達(dá)到降低運(yùn)行成本的目的。

由上圖可知，基于青島市的氣象條件和價格體系，當(dāng)環(huán)境溫度低于3℃時，高峰時段（8：30—11：30、16：00—21：00）空氣源熱泵運(yùn)行費(fèi)用高于燃?xì)忮仩t。當(dāng)環(huán)境溫度高于3℃，空氣源熱泵供熱更加經(jīng)濟(jì)節(jié)能。因此在供暖期間，用電高峰時段室外環(huán)境溫度低于3℃時，單獨(dú)運(yùn)行燃?xì)忮仩t。其他情況下，采取以空氣源熱泵為主，燃?xì)忮仩t為輔的供熱方式。

（三）優(yōu)化配比

通過比較年費(fèi)用，選擇最優(yōu)控制模式下的最優(yōu)比例。年成本按下列公式計算：

單位年的運(yùn)行費(fèi)用與投資年值之和為費(fèi)用年值。空氣源熱泵的初投資費(fèi)用為800元/ kW，燃?xì)忮仩t的初投資費(fèi)用111.4元/kW，管理人員工資為5000元/人（月）， 3人共計18萬元/ a，設(shè)備維護(hù)費(fèi)取設(shè)備初投資費(fèi)用的1%。運(yùn)行費(fèi)用由TRNSYS模擬輸出。

空氣源熱泵占比與單位面積費(fèi)用年值、單位面積投資費(fèi)用、單位面積運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)系如圖所示。

由上圖可知，隨著空氣源熱泵承擔(dān)負(fù)荷的比例增加，耦合供熱系統(tǒng)的初投資也呈線性增加。若只考慮經(jīng)濟(jì)因素的話，本文所研究采暖建筑的空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供熱系統(tǒng)較優(yōu)的熱源配置方案，在空氣源熱泵承擔(dān)設(shè)計熱負(fù)荷比為60%時經(jīng)濟(jì)性最佳。

三、結(jié)論

本文構(gòu)建了空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供熱系統(tǒng)，提出了這種供熱系統(tǒng)的基本形式，闡明了在這種供熱系統(tǒng)下的運(yùn)行模式及系統(tǒng)控制方式，依據(jù)耦合供熱系統(tǒng)中各熱源設(shè)備的瞬態(tài)計算模型，建立了耦合供熱系統(tǒng)的瞬態(tài)計算模型。以青島150000m2居民小區(qū)為研究對象，通過建筑負(fù)荷模擬，得到建筑全年逐時熱負(fù)荷。結(jié)合構(gòu)建的空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供熱系統(tǒng)圖，在TRNSYS平臺上建立了聯(lián)合供熱系統(tǒng)的瞬態(tài)模擬仿真模型，在青島市現(xiàn)行物價體系下，以系統(tǒng)費(fèi)用年值最低為優(yōu)化目標(biāo)，對耦合供熱系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成及配比進(jìn)行了優(yōu)化，得出主要結(jié)論如下：

（一）根據(jù)現(xiàn)有的峰谷電價與天然氣價格，如果空氣源熱泵的運(yùn)行成本高于燃?xì)忮仩t，則建議燃?xì)忮仩t工作空氣源熱泵停止使用;如果空氣源熱泵的運(yùn)行成本低于燃?xì)忮仩t的運(yùn)行成本，則空氣源熱泵供熱燃?xì)忮仩t停止使用。經(jīng)TRNSYS模擬可得，此種控制方式的動態(tài)平衡點(diǎn)存在于高峰電價時段，即空氣源熱泵谷價運(yùn)行峰電停機(jī)。反映在室外溫度上為3℃，即室外溫度為3℃為臨界值：室外溫度高于或等于3℃，應(yīng)采用空氣源加熱;如果室外溫度低于3℃;，則使用燃?xì)忮仩t制備熱水。

（二）空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t耦合供熱系統(tǒng)，當(dāng)空氣源熱泵容量占比為60%時，耦合供熱系統(tǒng)費(fèi)用年值最低。

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