戶用太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統性能模擬研究

張春枝，王 可，李 濤，周思童，毛前軍

(武漢科技大學 城市建設學院，湖北 武漢 430065)

我國建筑能耗中供暖、通風、空調及生活熱水的能耗約占2/3以上，隨著城市化水平和人民生活質量的提高，供暖和生活熱水能耗將進一步增加[1].我國夏熱冬冷地區，88%的居民已開始采取措施進行取暖，其中以可再生能源為熱源的僅占5%[2]；制取生活熱水則主要以電熱水器和燃氣熱水器為主，存在一次能效低、能源高質低用等不足[3].在當前“雙碳”目標下，住宅用能設備電氣化是降低碳排放的措施之一，使用和開發高能效的設備，是當前形勢所需，本文研究的戶用太陽能-空氣源熱泵耦合供暖系統正是基于此目標.

太陽能正逐步應用于建筑供暖和生活熱水，但太陽能的使用受氣候條件制約，具有不穩定性[4].空氣源熱泵具有常年可使用等優點，但其性能受室外環境溫濕度的影響，環境溫度越低能效越低[5].目前已有較多研究將二者結合，其中Lerch等[6]模擬計算了包括太陽能集熱器與空氣源熱泵并聯、太陽能集熱器作為空氣源熱泵的熱源等多種太陽能空氣源熱泵系統.結果表明太陽能和空氣源結合的熱泵系統能效均高于傳統空氣源熱泵.太陽能與空氣源熱泵結合的最常見形式為直膨式，是將太陽能集熱器作為熱泵系統的蒸發器[7].杜伯堯等[8]以平板熱管為核心部件，設計了一種新型太陽能光伏/空氣集熱蒸發器并建立了光伏直膨式太陽能/空氣能多能互補熱泵系統，但直膨式系統無法直接利用太陽能制熱，且在夏熱冬冷地區冬季室外溫度偏低、濕度較大的情況下存在結霜嚴重影響系統能效比等問題，系統無法推廣應用.另一種結合的常見形式為并聯式，劉寅等[9-11]通過模擬和實驗的方法研究采用雙熱源蒸發器的太陽能空氣源熱泵，將太陽能集熱器制取的熱水通入蒸發器中.該系統在太陽能資源非豐富區域無法利用太陽能直接制熱，而是將白天蓄存的太陽能熱水在夜間環境溫度較低時通入熱泵蒸發器以提高蒸發溫度，存在太陽能的高質低用問題.

現有文獻中太陽能與空氣源熱泵結合研究存在上述問題，由此本文所提出的太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統直接利用太陽能供給生活熱水,空氣源熱泵作為生活熱水系統的輔助裝置；同時依據夏熱冬冷地區氣候特點，空氣源熱泵的選型以夏季供冷為主，由于冬季供熱負荷較小，熱泵一般可滿足供熱，且避免集熱器匹配面積過大的問題，所以不考慮太陽能供暖和預熱的功能，著重于以空氣源熱泵補充太陽能制取生活熱水，使得住宅盡可能地使用可再生能源滿足用能需求.為驗證耦合供能系統的工程應用可行性,通過調研確立夏熱冬冷地區典型住宅用能特征，建立典型住宅建筑三維模型，利用TRNSYS軟件搭建耦合供能系統的仿真模型，模擬系統在典型氣象年全年動態運行情況，對全年系統運行參數如太陽能集熱量、系統各部件耗能量和各循環涉及水溫等數據進行數理分析研究，驗證系統的可行性、經濟性和可持續性.

1 住宅用能特征

1.1 典型住宅建筑

通過查詢房屋交易平臺的公開信息，以兩居室為調研目標進行總面積及各功能房間面積統計.隨機抽樣武漢市300套兩居室戶型信息，其中245套戶型為兩臥一廳一廚一衛一陽臺，將其定為典型戶型.對調研結果進行統計后，將得到的各功能房間面積均值作為參考值.對照調研數據集，確立兩居室戶型空間分布，其中各功能房間面積為：客廳26.7 m2、主臥13.1 m2、次臥11.2 m2、廚房4.7 m2、衛生間4.3 m2、陽臺5.4 m2.以武漢市作為建筑所在地，選取氣象數據并依照相關規范對層高、窗墻比和圍護結構傳熱系數等進行取值[12-13]，搭建建筑仿真模型.

1.2 住宅用能模式

為更好反映耦合用能系統在實際住宅工程應用中的性能，以及為系統運行確立更切合實際生活的控制目標，本研究開展了對家庭空調及生活熱水使用情況的調研[14-15].按照用能及作息習慣，家庭成員可被分為上班人群、上學人群及居家老人三類.綜合文獻與實際調研確立了各類人員的用能模式如圖1所示.

圖1 人員用能模式圖

由圖可知，不同家庭成員在各房間在室時刻與時長不同，以致空調與生活熱水的使用情況存在明顯差異.由此在兩居室的基礎上，組合不同家庭成員，得到“兩上班族一老人”與“兩上班族一學生”兩種家庭結構，將各人員的用能模式輸入，得到兩種家庭用能模型，以此研究系統在不同用能模型上的運行性能.

2 戶用太陽能-空氣源熱泵耦合系統設計

2.1 系統設計

夏熱冬冷地區住宅內供冷供暖需求通常采用“部分空間、部分時間”的間歇供能模式來滿足，既保障舒適性又有利于節能減排.在盡可能地利用太陽能作為用能熱源的同時，空氣源熱泵作為生活熱水系統的輔助裝置，改善夏熱冬冷地區太陽能資源不豐富與住宅太陽能可利用空間限制的問題.針對以上用能特征設計如圖2所示戶用太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統.

圖2 戶用太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統

太陽能集熱器作為生活熱水水箱的第一熱源，在太陽能滿足條件時啟動水泵3，循環加熱水箱內的水以供生活熱水；不足時啟動空氣源熱泵制熱模式并啟動水泵1，開啟制熱循環作為補充；當空氣源熱泵在供冷工況或冬季需優先滿足供熱需求時，以水箱內置電輔助加熱器作為備用熱源.空氣源熱泵通過板式換熱器2及水泵2來優先滿足末端的冷熱負荷，其次通過板式換熱器1及水泵1作為生活熱水的補充.

2.2 系統設計數值計算

2.2.1 太陽能集熱器數值模型

為了簡化計算,本文選用了平板集熱器穩態模型.模擬過程中的假設條件：(1)各部件對太陽能集熱器熱容的影響可忽略不計；(2)太陽能集熱器采光面無遮擋.

平板型太陽能集熱器的能量平衡方程、總有效能量收集量和集熱效率的計算式[16]分別為

Qa=Ql+Qu+Qs

(1)

Qu=mCp(T11-T12)

(2)

(3)

式中:Qa為單位時間內吸收的太陽輻射能，W；Ql為單位時間內能量損失,W；Qu為單位時間內有用輸出能量，W；Qs為單位時間內熱容的變化量，W；Cp為太陽能集熱器內工質的定壓比熱容，取4.19 kJ/(kg·℃)；m為工質的流量，kg/s；T11/T12為太陽能集熱器中工質的出/進口溫度，℃；Ta為環境溫度，℃；η為集熱效率；Aa為采光面積，m2；I為太陽輻射強度，kW/m2；F′為太陽能集熱器的效率因子，集熱器實際輸出的能量與假定整個吸熱板處于介質平均溫度時輸出能量之比；τ為蓋板的太陽光透過率；α為吸熱板的太陽光透過率；UL為太陽能集熱器的總熱損失系數，W/(m2·℃).

2.2.2 太陽能集熱器集熱面積的計算

太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統中太陽能貯熱系統為直接加熱式太陽能熱水系統.集熱面積由系統負荷、集熱器類型、氣象參數、太陽能輻射強度等決定.依據文獻[17]，太陽能集熱器集熱面積A的計算式為

(4)

式中：Qw為戶用日均用熱水量，3人×60 L/人=180 L，60 L/人為依據規范取中間值；ρw為水的密度；tend/to為貯熱水箱內熱水的終止/初始設計溫度，按照系統設計與推薦取值分別為50/5 ℃；f為太陽能保證率，按規范推薦取值45%；JT為太陽能集熱器單位面積上的日平均太陽輻射量，按標準附錄選取武漢市相應數據為13 707.02 kJ/(m2)；ηcd為太陽能集熱器年平均集熱效率，按標準附錄選取40%；ηL為貯熱水箱和管路系統的熱損失率，依據規范推薦范圍選取為20%.

將上述數值代入公式(4)計算可得：集熱器面積A=2.78 m2.

3 耦合供能系統模型

3.1 TRNSYS模型構建

基于TRNSYS軟件，建立了如圖3所示夏熱冬冷地區兩居室住宅戶用太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統的仿真模型，各部件的型號選擇見表1.

圖3 戶用太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統TRNSYS仿真模擬圖

表1 TRNSYS仿真模型主要部件明細

3.2 耦合供能系統控制策略

空氣源熱泵供暖供冷控制：啟停控制上，在供冷/供暖季節，根據居家人員需求啟停；夜間4點以后為人員熟睡段，關閉臥室空調.溫度控制上，由夏熱冬冷地區住宅用能模式的調研得：上學人群(青少年)冬夏在室溫度設定為24/22 ℃，上班人群(成年)設定為26/20 ℃，居家老人設定為28/18 ℃.研究表明，當多類人群共處一室時，溫度控制傾向于年齡更低的人群，因此本文也依照此結論設定：當多人同時在室時，溫度控制優先級為上學人群>上班人群>居家老人.

生活熱水制熱控制：如圖4所示，首先判斷太陽能集熱器出口水溫與貯熱水箱底部水溫溫差，若前者超過后者8 ℃，則啟動集熱器側水泵并開啟太陽能集熱循環，直至兩者溫差小于2 ℃.然后判斷水箱上部溫度是否大于47 ℃，若大于則停止循環.否則判斷空氣源熱泵是否為供冷模式，非供冷模式時，啟動空氣源熱泵制熱循環直至水箱上部溫度大于47 ℃；供冷模式時或開啟空氣源熱泵后有用水需求但水溫仍小于47 ℃時，則關閉空氣源熱泵，啟動水箱內電輔助加熱器直至水箱上部溫度超過47 ℃后關閉制熱系統.

圖4 生活熱水制熱控制流程圖

生活熱水出水溫度控制：通過溫控閥監控水箱頂部溫度，控制分流比例，當使用生活熱水時，一部分自來水向貯熱水箱補水，貯熱水箱向用水端輸出與補水相同量的熱水到混水閥；與此同時，一部分自來水直接流向混水閥與水箱輸出的熱水混合以供使用.

4 仿真結果驗證及分析

4.1 系統驗證

本耦合供能系統中供生活熱水部分與文獻[18]中的太陽能-空氣源熱泵熱水系統結構相近、運行邏輯相似，且文獻研究中包含夏熱冬冷地區.因此本文以該文獻中的公開實測數據來驗證本系統仿真模型運行結果的準確性，模擬數據與實測數據對照結果如圖5所示.

圖5 太陽能集熱效率與日照強度關系

從圖5可以看出：實際測試的集熱效率和模擬結果的集熱效率隨日照輻射總量的變化趨勢相同，且誤差范圍為4.0%～12.9%，平均誤差為7.3%，證明本研究所建立戶用太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統模型是準確的.

4.2 系統能耗分析

在戶用太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統中需要用電的設備有：太陽能集熱循環水泵、空氣源輔助制熱循環水泵、空氣源供冷供熱循環水泵、空氣源熱泵機組、風機盤管及電輔熱設備，以時、月、年為積分時間分析各設備的能耗數據.

如前述，本研究設定了兩居室中兩種家庭結構并進行系統運行逐時能耗對比，其中A家庭為兩名上班成員加一名上學成員，B家庭為兩名上班成員加一名居家老人成員.系統分季節逐時累計能耗模擬結果如圖6所示，睡眠非空調時間段供冷與供熱能耗均為0，此時一般為人睡眠后半段，由于人在深度睡眠階段對溫度敏感性降低，熱需求也隨之降低，關閉空調可節能.在夏季22∶00～23∶00空調能耗驟增，此時段，房間空調開啟臺數增多，故能耗最大.

圖6 兩種家庭結構下系統逐時累計耗電量

白天人員在室率較低能耗較少，夜間空調使用頻率更高，能耗也隨之增高，與文獻[19-20]的研究結果一致.一天中大多數時刻有學生的家庭A的能耗大于有老人的家庭B的能耗，這是因為青少年熱需求更大，且在客廳這樣的公共空間時將溫度設定為自己偏好值的“利己行為”，使得公共空間空調能耗增加，從而有青少年的家庭的整體能耗增加.僅在12∶00～18∶00的時間段除外，因為家庭A僅在節假日有熱需求，雖然設置了學生寒暑假期，但考慮到實際情況，學生假期也設置為12點以前在室，而家庭B因老人在室一直有熱需求，因此該時間段能耗更大.

以A家庭的用能模型做進一步研究分析，戶用太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統的各主要能耗設備逐月占比如圖7所示.空氣源熱泵的能耗占比最大，最大月份為十一月達92.34%，這是由于過渡季節無空調運行能耗，僅生活熱水系統運行而太陽能集熱系統能耗小，能耗集中在空氣源熱泵補熱運行.電輔熱的月能耗最小為0.41 kW·h，最大為6.86 kW·h，累計為19.97 kW·h，月能耗占比在0.32%～4.11%間，年總能耗占比為0.94%，說明空氣源熱泵作為生活熱水的補充熱源的耦合供能系統可滿足家庭用能需求，極少數情況下需要電輔熱運行.

圖7 系統設備能耗逐月占比

4.3 集熱量及效率分析

圖8中曲線為集熱器所受太陽能輻射量，全年各月太陽能輻射量有明顯的差異，7月太陽能輻射量最大，其值為456.90 MJ/m2，1月太陽能輻射量最小，其值為255.19 MJ/m2.從集熱器吸收的有效集熱量柱狀圖可以看出太陽能集熱器的集熱量最大值在8月為536.93 MJ，最小值在一月為266.29 MJ.

圖8 系統集熱量及武漢市太陽能輻射量

武漢地處長江流域，屬于太陽能資源可利用區域.太陽能集熱器吸收的有效集熱量一定程度上能滿足住宅家用生活熱水供應.而以模擬中設定的集熱器面積為2.78 m2計算可知，集熱器所受太陽能輻射量遠大于其實際集熱量，一方面是部分時間根據系統設計已達到集熱循環關閉條件，系統暫停集熱；另一方面是平板集熱器的效率仍有提高空間.

由圖9可知，太陽能集熱器集熱效率值集中在40%左右，其中三月達到最高為46.40%，在十二月最低為36.65%.太陽能保證率為供給生活熱水所需熱量中太陽能所占比率，表征系統利用太陽能滿足用能需求的能力.夏熱冬冷地區氣候季節差異大，夏季太陽輻射強度大，氣溫及自來水溫偏高；而冬季太陽輻射強度較小，氣溫及自來水溫低.由此太陽能保證率相較集熱效率波動較大和受季節影響的特點更為明顯：太陽能保證率最大值出現在八月為96.22%，最小值出現在一月為28.22%，均值為60.53%，綜上，戶用太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統太陽能利用率及保證率較高.

圖9 系統各性能系數及效率

空氣源熱泵的每月性能系數COP等于當月制熱量與制冷量之和除以當月熱泵總耗電量，其中，六月和九月的COP較高，分別為3.81和3.92，十二月至三月COP值約為2.50，其他月COP約為3.50，總體而言，夏季性能系數較大，過渡季其次，冬季最小.耦合供能系統能效比較大值集中在過渡季節：四、五、十月的系統能效比分別為7.29、9.08和6.99，這是由于過渡季節沒有供冷與供熱負荷，太陽能輻射量較強、氣溫較高，太陽能集熱系統運行良好因此系統能效比高；冬季與夏季系統能效比則集中在2.7左右，系統全年能效比為4.22，由數據可知戶用太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統的效率和性能系數都處在正常范圍，該系統整體運行是可靠且可持續的.

4.4 系統優化分析

本研究在系統設計中首先調研建筑自身能耗情況，然后確定系統工作原理，結合當地太陽輻射等氣候情況調整系統參數，最終模擬得到系統的太陽能保證率、系統能耗與能效比變化趨勢，從而反映其綜合性能.系統太陽能保證率是反映耦合系統性能的重要指標，除了太陽能輻射量、建筑用能負荷、系統形式等因素，集熱器面積和貯熱水箱體積也是影響系統太陽能保證率的重要因素.

考慮到住宅中太陽能集熱器安裝空間的限制問題，選取集熱器面積變化范圍為1～5 m2，由圖10可知，系統能效比與集熱器面積接近一次函數關系，增長速率為0.78.太陽能保證率和系統能耗與集熱器面積呈非線性關系，集熱器面積增大的幅度不變，保證率增大的程度逐漸變小，能耗下降的程度也逐漸變小.依照公式(4)，系統太陽能集熱器面積設計計算值為2.78 m2，當太陽能集熱器面積大于3 m2后，集熱器面積每增大1 m2，系統最多可節能81 kW·h，而集熱器單位面積成本高于節能所帶來經濟效益.因此推薦范圍為規范計算值所在的面積區間即2.7±0.3 m2.

圖10 不同集熱器面積下系統性能變化

僅改變供能系統貯熱水箱體積大小，系統各性能參數變化如圖11所示.水箱體積在小于0.15 m3范圍內遞增時，系統的能耗大幅度降低，變化速率為546.05 kW·h/m3；太陽能保證率及系統能效比增大明顯，增幅分別為11.58%和0.56.而當水箱體積大于0.25 m3后，由于系統的用能負荷不變，系統太陽能保證率和能效比均趨于定值，水箱體積增大但能耗反而上升.因此在兩居室用能模型中系統的貯熱水箱容積推薦范圍為0.20±0.05 m3.

圖11 不同水箱體積下系統性能變化

4.5 經濟環保效益

武漢市住宅用電與用水實行分檔累進遞增的階梯價格，具體如表2所示.以耦合供能系統為例：系統年運行耗電量的模擬結果為2 176.46 kW·h；三口之家年用水量為175.2 m3[21]；設備年維護費為初始投資費用×年維護費率(2%)；三項累加得到系統的全年運行費用.計算結果見表3，靜態和動態投資回收期是根據太陽能熱水系統相對于全空氣源熱泵系統的增投資和年節省費兩個指標計算得出的，結果顯示系統投資回收期均小于武漢地區太陽能熱水系統15年的使用壽命[22]，增投資成本可回收，系統全生命周期經濟性更優.

表2 武漢市住宅用電與水價格表

表3 供能系統經濟性對比

通過折合碳排放量來分析太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統的環保效益.依照計算標準[23]，系統全年運行總碳排放計算式為

(5)

本系統暫不考慮建筑綠地碳匯系統年減碳量Cp；本研究計算某建筑全年碳排放量，故運行年數y取1，略去建筑面積A.由上對原計算公式進行簡化得建筑運營階段年碳排放量計算公式為

(6)

式中：CYX為建筑運行階段碳排放量，kgCO2；Ei為建筑第i類能源年消耗量，kW·h或m3；EFi為第i類能源的碳排放因子，kg/kW·h或kg/m3；i為建筑消耗終端能源類型；n為消耗的能源，共n種，消耗量如表4.

表4 建筑運行階段能源消耗量與能源碳排放因子

計算得到太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統年碳排放量為3977.63 kg，空氣源熱泵供能系統年碳排放量為4598.83 kg.一戶三口之家全年最少可減少碳排放621.20 kg，以湖北省為例，湖北全省共有家庭戶1993.10萬戶，其中約28.4%為三口之家[26]，即566.04萬戶，則僅湖北省一年即可減少碳排放近351.62萬t.

5 結論

針對上述基于TRNSYS的戶用太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統性能模擬研究可得出以下結論：

(1)戶用太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統的能耗隨用能需求的不同而不同，有學齡成員的家庭由于青少年的利己行為，在室時能耗更高，有居家老人的家庭在室耗能時間更長.電輔熱年總能耗占系統總能耗僅為0.94%，說明太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統利用可再生能源即可滿足一般家庭用能需求；

(2)雖然夏熱冬冷地區氣候季節性變化大，但是太陽能集熱器全年集熱效率穩定在40%左右；年太陽能保證率為60.53%.同時系統全年能效比為4.22，可以看出耦合供能系統的太陽能利用程度較高且系統穩定可靠.與全空氣源熱泵供能系統比較，系統成本回收期在設備生命回收期內，且每年可減少碳排放12.9%.證明采用太陽能-空氣源熱泵耦合供能系統經濟效益更高的同時具有節能性與環保性；

(3)在可利用空間范圍內，太陽能集熱器面積的增大帶來系統能效比的增大和能耗的降低，而貯熱水箱體積在大于一定值后，對系統性能提升很小.以夏熱冬冷地區兩居室為例，空氣源熱泵依據供冷供熱負荷選型后，綜合經濟性因素，匹配的太陽能集熱器面積推薦范圍為2.7 ± 0.3 m2、貯熱水箱容積推薦范圍為0.20 ± 0.05 m3，本研究所得性能變化結論可為太陽能-空氣源熱泵耦合系統在住宅建筑實際應用提供理論依據.