空氣源熱泵供暖系統圍護結構的蓄熱研究

文_李燕 運城市生態環境局鹽湖分局

本文以忻州地區40.5m2農宅作為研究對象，在峰電電價期間根據室內溫度控制機組啟停，在谷電電價時段控制房間溫度蓄熱的方式，在TRNSYS軟件平臺上進行模擬仿真，模擬該控制方式下的空氣源熱泵輻射供暖系統運行情況，為實際工程提供參考。

1 模型概述

本文中的空氣源熱泵供暖系統仿真模型示意圖如圖1所示。

圖1 供暖系統示意圖

1.1 建筑模型

該農宅地點位于忻州，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。忻州冬季供暖計算溫度-12℃，供暖日期為11月15日到次年的3月16日。維護結構的傳熱系數如表1所示。

表1 維護結構傳熱系數

該典型建筑通風換氣次數為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。室內設計參數如表2所示。

表2 室內設計參數

房間負荷統計如表3所示。

表3 房間負荷

1.2 系統模型

根據房間面積以及建筑熱負荷指標計算出建筑熱負荷為2.17kW，采用空氣源熱泵為系統提供熱量，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，揚程15m，流量1.0m3/h。緩沖水箱體積為0.3m3，高度0.6m，傳熱系數0.6W/m2k。設備參數如表4所示。

表4 設備詳細參數

供暖系統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、氣象數據讀取器type15-2、混合閥type649、管道type31。天氣文件采用忻州市典型氣象年TMY2數據文件。

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

2 蓄熱運行策略優化

早4時至晚16時，室內溫度設定為18℃，熱泵機組根據室內溫度啟停，當室內溫度低于17℃時機組開啟，當室內溫度高于19℃時，機組關閉。晚16時～早4時，利用樓板、墻體等蓄熱體進行蓄熱，蓄熱室內溫度設置為19℃、20℃、21℃、22℃，蓄熱時長為早4時前的1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h。蓄熱時段內房間設定溫度為蓄熱溫度，蓄熱溫度參考DBJ/T14-014-2009《低溫熱水地板輻射供暖技術規程》中，人員長期停留區域適宜溫度 24～26℃，一般室內溫度比地板表面溫度低 2～3℃。

2.1 蓄熱溫度及蓄熱時間優化

結合忻州市現行峰谷電價，合理增加谷時段蓄熱溫度及蓄熱時間，利用建筑維護結構進行蓄熱，減輕電網壓力，降低運行費用。忻州地區峰谷電價，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的年運行費用隨蓄熱時間增加而減少。由于蓄熱時段在夜間，室外空氣溫度相對較低，機組的制熱效率較低，維護結構散熱量較大，因此不建議設置過高的蓄熱。本供暖系統在蓄熱溫度為22℃，蓄熱時間為12小時時，年運行費用最低為813.29元。

圖2為最優蓄熱運行策略下，采暖各房間室內溫度變化。其中橫坐標為采暖季時間，縱坐標為臥室1、臥室2、客廳的房間溫度。此運行方式下，各房間的室內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 最優蓄熱運行策略下室內各房間溫度變化

2.2 月供熱量對比分析

采暖季最優蓄熱運行策略下與無蓄熱運行策略下月供熱量對比如圖3所示。

圖3 月供熱量

最優蓄熱運行策略下采暖季熱負荷為3236kWh，熱泵和水泵的總耗電量為2338kWh，相比無蓄熱運行策略，可節省運行費用14.2%。

3 結論

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