空氣源熱泵供暖系統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱研究

文_李燕 運(yùn)城市生態(tài)環(huán)境局鹽湖分局

本文以忻州地區(qū)40.5m2農(nóng)宅作為研究對象，在峰電電價(jià)期間根據(jù)室內(nèi)溫度控制機(jī)組啟停，在谷電電價(jià)時(shí)段控制房間溫度蓄熱的方式，在TRNSYS軟件平臺上進(jìn)行模擬仿真，模擬該控制方式下的空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)運(yùn)行情況，為實(shí)際工程提供參考。

1 模型概述

本文中的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)仿真模型示意圖如圖1所示。

圖1 供暖系統(tǒng)示意圖

1.1 建筑模型

該農(nóng)宅地點(diǎn)位于忻州，層高2.5m，為單層居住建筑，三個房間，分別為臥室1面積13.5m2，臥室2面積12m2，客廳面積為15m2，總面積40.5m2。忻州冬季供暖計(jì)算溫度-12℃，供暖日期為11月15日到次年的3月16日。維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)如表1所示。

表1 維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)

該典型建筑通風(fēng)換氣次數(shù)為0.5次/h，南向窗墻比為0.14。地板輻射采暖表面為水泥，最下方設(shè)置隔熱層，填充層為60mm混凝土。地埋管為DN20的PE管，管間距200mm。室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

房間負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 房間負(fù)荷

1.2 系統(tǒng)模型

根據(jù)房間面積以及建筑熱負(fù)荷指標(biāo)計(jì)算出建筑熱負(fù)荷為2.17kW，采用空氣源熱泵為系統(tǒng)提供熱量，空氣源熱泵選擇福佳NE-40NW/BDF，水泵選擇臥式多離心泵，效率0.6，揚(yáng)程15m，流量1.0m3/h。緩沖水箱體積為0.3m3，高度0.6m，傳熱系數(shù)0.6W/m2k。設(shè)備參數(shù)如表4所示。

表4 設(shè)備詳細(xì)參數(shù)

供暖系統(tǒng)用到的部件包括建筑模型type56、空氣源熱泵type941、水泵type114、緩沖水箱type158、氣象數(shù)據(jù)讀取器type15-2、混合閥type649、管道type31。天氣文件采用忻州市典型氣象年TMY2數(shù)據(jù)文件。

假設(shè)條件：①系統(tǒng)未考慮壓力變化對水泵能效的影響；②系統(tǒng)未考慮機(jī)組盤管間管道散失熱量；③未考慮空氣源熱泵除霜的機(jī)組能效影響；

2 蓄熱運(yùn)行策略優(yōu)化

早4時(shí)至晚16時(shí)，室內(nèi)溫度設(shè)定為18℃，熱泵機(jī)組根據(jù)室內(nèi)溫度啟停，當(dāng)室內(nèi)溫度低于17℃時(shí)機(jī)組開啟，當(dāng)室內(nèi)溫度高于19℃時(shí)，機(jī)組關(guān)閉。晚16時(shí)～早4時(shí)，利用樓板、墻體等蓄熱體進(jìn)行蓄熱，蓄熱室內(nèi)溫度設(shè)置為19℃、20℃、21℃、22℃，蓄熱時(shí)長為早4時(shí)前的1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h。蓄熱時(shí)段內(nèi)房間設(shè)定溫度為蓄熱溫度，蓄熱溫度參考DBJ/T14-014-2009《低溫?zé)崴匕遢椛涔┡夹g(shù)規(guī)程》中，人員長期停留區(qū)域適宜溫度 24～26℃，一般室內(nèi)溫度比地板表面溫度低 2～3℃。

2.1 蓄熱溫度及蓄熱時(shí)間優(yōu)化

結(jié)合忻州市現(xiàn)行峰谷電價(jià)，合理增加谷時(shí)段蓄熱溫度及蓄熱時(shí)間，利用建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行蓄熱，減輕電網(wǎng)壓力，降低運(yùn)行費(fèi)用。忻州地區(qū)峰谷電價(jià)，4：00～16：00為0.51元/kWh，16：00～4：00為0.29元/kWh。

由圖2可知此空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用隨蓄熱時(shí)間增加而減少。由于蓄熱時(shí)段在夜間，室外空氣溫度相對較低，機(jī)組的制熱效率較低，維護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量較大，因此不建議設(shè)置過高的蓄熱。本供暖系統(tǒng)在蓄熱溫度為22℃，蓄熱時(shí)間為12小時(shí)時(shí)，年運(yùn)行費(fèi)用最低為813.29元。

圖2為最優(yōu)蓄熱運(yùn)行策略下，采暖各房間室內(nèi)溫度變化。其中橫坐標(biāo)為采暖季時(shí)間，縱坐標(biāo)為臥室1、臥室2、客廳的房間溫度。此運(yùn)行方式下，各房間的室內(nèi)溫度可滿足舒適性要求，各房間溫度與室外溫度有明顯的延遲性。

圖2 最優(yōu)蓄熱運(yùn)行策略下室內(nèi)各房間溫度變化

2.2 月供熱量對比分析

采暖季最優(yōu)蓄熱運(yùn)行策略下與無蓄熱運(yùn)行策略下月供熱量對比如圖3所示。

圖3 月供熱量

最優(yōu)蓄熱運(yùn)行策略下采暖季熱負(fù)荷為3236kWh，熱泵和水泵的總耗電量為2338kWh，相比無蓄熱運(yùn)行策略，可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用14.2%。

3 結(jié)論

本文以忻州地區(qū)40.5m2農(nóng)宅為研究對象，對比分析得出，該供暖系統(tǒng)的最優(yōu)蓄熱運(yùn)行策略為谷電時(shí)段蓄熱12小時(shí)，蓄熱溫度22℃，整個采暖季供暖系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用為813.29元，每m2費(fèi)用為20元，相比無蓄熱運(yùn)行策略，可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用14.2%。在供熱量方面，最優(yōu)蓄熱運(yùn)行策略比無蓄熱運(yùn)行策略每月供熱量要高100kWh以上，供暖季總供熱量高716kWh。相比無需熱運(yùn)行策略，最優(yōu)蓄熱運(yùn)行策略充分利用了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞熱量的延遲性，既可以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，又能更好的滿足房間舒適性要求。