太陽能-熱泵互補供暖系統負荷-運行協同調控與優化

閆素英,潘文麗,高世杰,王 群,趙曉燕,王勝捷,馬 瑞

（1.內蒙古工業大學 能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區可再生能源重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

近年來，隨著供暖用能在建筑能耗中占比的上升以及日益嚴重的環境污染問題，太陽能輔助熱泵（SAHP）技術興起[1]，太陽能集熱器與地源、光伏、空氣源熱泵等的結合，均在滿足供熱負荷的前提下減少了常規能源的消耗[2]。其中，太陽能-空氣源熱泵供熱系統可以同時提高集熱效率和熱泵供熱性能[3]。為進一步提高互補供暖系統應對復雜工況的能力，許多研究者對影響系統供熱性能的諸多因素進行了分析[4]。劉婭玲[5]提出了一種雙源復合熱泵供熱系統，將直膨式太陽能蒸發器與空氣源管翅式換熱器并聯，使得太陽能和空氣能互補作為熱泵系統的低溫熱源用于室內供暖。Guodong Qiu[6]利用仿真模擬的方法針對太陽能-空氣源熱泵系統的特性和最佳工作條件范圍進行分析研究，并提出了I-T圖作為劃分最佳工作條件范圍的參考圖，分析了不同因素對I-T圖分界線的影響。太陽能集熱器運行性能不僅受到環境溫度，太陽輻照強度的直接影響[7]，在沙塵地區也會受到積塵對熱性能的影響[8]。此外，基于用水負荷對蓄熱熱泵的控制措施也得到了研究[9]。在嚴寒地區為滿足建筑供熱負荷，對供暖系統的運行及控制要求更高，為太陽能-熱泵互補供暖系統的優化提出了新的挑戰。

在太陽能-熱泵互補供暖系統運行初期，由于部件參數匹配性差，會導致初期投入大、系統運行能耗高、運行策略不當以及導致穩定性差等問題[10]。本文在上述研究的基礎上利用TRANSYS搭建太陽能-空氣源熱泵系統仿真模型，以供暖期內巴彥淖爾市氣象參數和建筑熱負荷為依據選取典型日，對太陽能集熱器與空氣源熱泵采用協同控制策略進行優化，并依據輻照和環境溫度的變化對供暖期系統運行策略進行調節，提高了系統在嚴寒地區供暖系統的供熱能力。

1 太陽能-熱泵互補供暖模型

1.1 互補供暖仿真系統

本文基于TRNSYS軟件選擇合適模塊搭建了多能源互補供暖仿真系統，并利用METEONORM軟件產生內蒙古自治區巴彥淖爾地區全年實時環境氣象數據，傳入TRNSYS中的氣象參數組件中，通過建筑負荷計算模型對供暖期建筑物的供暖負荷進行計算。該系統日均熱水用量為1 t/d，圍護結構參數設置中，建筑供暖面積300 m2，窗墻比為4∶1，墻體與屋頂、地面及雙層玻璃窗換熱系數符合《公共建筑節能設計標準》，即墻體、屋面、玻璃窗的單位面積換熱系數依次為0.45，0.35，2.5W/（m2·K）。冬季室溫設計為18℃。系統的經濟性以及有用得熱量、熱效率、火用效率等熱力學性能指標受部件參數的直接影響，該系統分別用費用年值、集熱效率、熱泵制熱能效比、水箱熱損以及系統代價火用效率等經濟性和熱性能指標進行優化，得到最佳的集熱器面積為140m2、熱泵功率8 kW、水箱容積為11.2m3。蓄熱容積是在熱泵前增設的蓄熱水箱容積，容量為1m3，蓄熱水箱主要用于對熱泵進行預熱。蓄熱循環流量為200 L/h，蓄熱溫度為30℃。根據巴彥淖爾市實際供暖期，設定每年10月15日-次年4月15日為供暖時間，共183 d，夏季不提供集體制冷。

圖1為太陽能-熱泵互補供暖系統模型。

圖1 太陽能-熱泵互補供暖原理圖Fig.1 Principle of solar energy-heating pump complementary

在不同的氣象參數下，本系統可以通過供熱模式的主動切換實現能量調控：輻照度高時可充分利用太陽能的集熱量，集熱回路單獨運行；輻照度較低時增加空氣源熱泵進行輔助供熱，保證系統的供熱能力，在空氣源熱泵前增加蓄熱水箱可以提高熱泵入口工質溫度，延長熱泵工作時間。

費用年值法[11]是在工程項目實施中使用較多的一種方法，指通過資金等值換算，將項目的費用現值分攤到壽命期內各年的等額年值，是對項目進度和費用進行綜合控制的一種有效方法，其表達式為

式中：PC為費用現值，萬元；Q為系統初投資，萬元；CO為每年現金流出量，萬元；n為計算年；i為折現率，取5%；（P/A，i，n）為現值系數，其中P為現值PC（萬元），A為費用年值AC×104（萬元）；

其中安裝費取設備總價的15%，系統使用壽命為15 a，每年設備維護費取系統總初投資（設備與安裝費之和）的1%，管理及雜費取5 000元/a，主要單價參考：真空管太陽能集熱器600元/m2；空氣源熱泵3 000元/kW，水箱1 000元/m3。經計算，系統的費用年值為10 512.8元。

1.2 平板集熱器模型

集熱器效率ηc是指集熱器的有用能量輸出與入射到集熱器采光面上的太陽能輻射能量之比，表達式為

式中：ρw為集熱器工質密度，kg/m3；cpw為集熱器工質定壓比熱容，kJ/（kg·K）；qv為質量流量，kg/h；ti，to分別為集熱器工質進出口溫度，K；Ac為集熱器采光面積，m2；Ic為傾斜表面總太陽輻射量，kJ/（m2·h）。

1.3 空氣源熱泵模型

熱泵模塊為TRNSYS內嵌模塊。熱泵的主要性能指標為COP（制熱能效比），制熱能效比為制熱量與消耗功率之比，表達式為

式中：Qa為空氣源熱泵制熱量，W；Pa為空氣源熱泵功率，W。

2 模型驗證與典型工況選擇

2.1 模型驗證

饒義本[12]以南京某一住宅建筑為研究對象進行了相關能耗測試，整個供暖期（共121 d）實際能耗為3 480 kW·h，選取典型日為1月26日，典型日能耗實測值59.7 kW·h。

圖2為相同參數設置下能耗驗證結果。

圖2 能耗驗證結果Fig.2 Energy verification results

為驗證模型的可靠性，將其建筑、氣象、部件等載入本文所建立的模型，采用與文獻相同的參數設置，集熱器面積為48.52m2，蓄熱水箱體積為2.75m3，空氣源熱泵前無蓄熱環節。從圖2可以看出，仿真系統能耗稍低于實驗值，供暖期間系統的總耗電量為3 189 kW·h，比文獻值低73.4 kW·h，誤差為8.36%；2月的能耗誤差9.59%；典型日1月26日能耗模擬值為54.3 kW·h，比文獻值低5.4 kW·h，誤差為9.05%。

焦浩[13]以烏魯木齊太陽能低溫地板輻射供暖系統為研究對象，在2014年11月1日-2015年3月31日進行了太陽能保證率的試驗測試。本文選取文獻[14]試驗期間相同初始條件進行仿真，圖3為系統能耗與有用得熱量仿真與文獻試驗值對比。

圖3 能耗與有用得熱量驗證Fig.3 Energy consumption and useful heat verification

由圖3可以看出，整個供暖季內模擬能耗值比實驗值低14.92 kW·h，誤差為2.14%。模擬太陽能有用得熱比實驗值低13.48 kW·h，誤差為3.05%，12月份模擬能耗量比實驗值低16.33 kW·h，此時誤差最大，為8.72%。3月份模擬太陽能有用得熱量比實驗值低10.56 kW·h，此時誤差最大為8.2%。

圖4為月均環境溫度及太陽能保證率驗證。運行周期內模擬太陽能保證率比實驗值低0.72%，誤差為1.12%。12月模擬能耗量比實驗值高4%，誤差為6.2%。產生誤差是由于實驗與模擬的氣象數據有誤差，月均環境溫度相對較高時太陽能得熱量提高，供暖負荷降低，月均環境溫度相對較低時則相反。將模擬值與文獻實驗所得數據相比，運行周期內最大誤差為3.05%，單月最大誤差為8.72%，驗證了互補系統模型的可靠性。

圖4 月均環境溫度及保證率驗證Fig.4 Monthly average ambient temperature and fraction verification

2.2 供暖期工況選擇

圖5為一年內建筑熱負荷的變化規律。

圖5 建筑熱負荷Fig.5 Building heat load

365 d共計8 760 h，以1月1日0時為模擬時間起點（第0 h），12月31日24點為模擬時間的結束（第8 760 h），進行建筑負荷的模擬計算，供暖期為10月15日-次年4月15日，辦公建筑供暖室內溫度需求為不低于18℃。

建筑物在第297 h（1月13日）時熱負荷達到最大值，為38 kW，整個冬季建筑熱負荷變化趨勢明顯，在供暖初期和末期，由于室外氣溫較高，所以供熱負荷較小，互補系統只提供少量的熱。在供暖中期，熱負荷相對穩定，平均熱負荷均為16 kW，并且持續時間較長，此時期內須提供大量的熱負荷。

巴彥淖爾地區供暖期為10月15日-4月15日，圖6為供暖期內的氣象參數與建筑負荷隨時間變化趨勢。供暖期氣象參數隨時間變化顯著，須對多個典型日進行選取代表供暖期系統不同的運行狀態。將183 d供暖期時長分成6個供熱時段，將環境溫度、太陽輻照強度、熱負荷3項數據進行z-score類型標準化，即新數據=（原數據-均值）/標準差，標準化后的變量值圍繞0值上下波動，小于0說明低于平均水平[15]。取6個時段中和值的最小值對應的結果作為所需該供熱時段最接近月均值的工況值作為該時段的典型日，各供熱時段的結果參數如表1所示，其中平均太陽輻照強度以8 h日照時間進行計算。

圖6 供暖期氣象參數與建筑負荷Fig.6Meteorological parameters and building load in the heating season

表1 供熱時段氣象與負荷參數Table 1 Meteorological and load parameters during heating period

3 系統運行特性及調節策略分析

3.1 典型日室溫及影響因素分析

圖7為調節前典型日的溫度參數。辦公建筑的冬季采暖標準為18℃，可以發現典型日中有3天出現室溫不滿足要求的情況，其中12月23日和1月15日最低溫度出現在9：00，分別為16.8℃和13.8℃。

圖7 室內與環境溫度Fig.7 Indoor and outdoor temperature

由圖7可知，環境溫度降低使得空氣源熱泵能效下降，因此需要直接對熱泵前的蓄熱溫度進行調節，在低溫工況下通過提高蓄熱溫度，延長熱泵運行時間從而增加熱泵制熱量。同時，輻照強度較低時會減少集熱器得熱量，故需要對集熱器流量進行調節以充分利用太陽輻射能，協同調控系統熱量；以滿足室內溫度不低于18℃。

3.2 系統協同控制策略分析

3.2.1集熱器流量調節

太陽能集熱系統采用平板集熱器，模型為理論集熱器（Type73）。通過監測太陽能集熱器出口和集熱水箱底部水溫的溫差△T控制太陽能循環泵的啟停，當△T＞8℃時循環泵開啟，△T＜2℃時關閉。供熱中期負荷較大，但輻射量較低，故在溫差控制中引入光電控制，通過讀取輻照信號，在輻照度較低時降低系統流量，從而達到提高集熱器出口溫度的目的。12月主要時段輻照在400W/m2左右，故輻照度大于400W/m2調節循環泵流量為1 000 kg/h，輻照度低于400W/m2調節循環泵流量為500 kg/h，進而提高集熱器出口溫度。圖8為典型日1月15日集熱器流量與效率隨時間變化關系。可以發現集熱器在流量為1 000 kg/h，太陽輻照低于200W/m2時停止運行，造成了得熱損失。調節集熱器流量為500 kg/h時，此時太陽能集熱器在低輻照強度下集熱效率最高為57%。

圖8 典型日集熱效率Fig.8 Typical day collecting efficiency

3.2.2熱泵運行時間調節

增加水箱可以提高熱泵蓄熱溫度，延長熱泵工作時間，提高能效比。當環境溫度低于-10℃時，啟用水箱蓄熱，隨著環境溫度的降低與蓄熱溫度的升高，熱泵工作時長逐漸增加，當環境溫度低于-15℃且蓄熱溫度達到40℃時，熱泵工作時長達到23 h，可以滿足類似氣候工況的供熱需求。圖9為供暖期典型日熱泵工作時長。

圖9 典型日熱泵工作時長Fig.9 Typical day heat pump working hours

由圖9可以看出：熱泵工作時長隨環境溫度下降而上升，11-12月，由于太陽輻照度的降低而出現明顯上升趨勢；相同供熱負荷下，蓄熱溫度隨熱泵工作時長增加而增加，蓄熱溫度從30℃增加至40℃時，熱泵工作時長增加了4 h，環境溫度降低，熱泵工作時間增加。

圖10為典型日（1月15日）調節前后熱泵蓄熱溫度。由于未出現環境溫度低于預設調節溫度（-10℃）的工況，供暖初期、末期及其與供暖中期的過渡時段調節前后蓄熱量變化不大，故僅針對供暖中期寒冷日進行分析。典型日全天環境溫度低于-10℃，調節前蓄熱溫度在30℃左右，蓄熱量調節后溫升顯著，除5：00-9：00以外，蓄熱溫度均達到40℃；5：00-10：00出現的波動是夜間集熱器停止熱補充導致負荷逐漸增加造成的。

圖10 典型日調節前后熱泵蓄熱溫度Fig.10 Heat pump storage temperature before and after typical day adjustment

3.3 系統運行調節及效果分析

3.3.1調節前后室溫變化

圖11為調節前后供暖期室溫的變化。

圖11 典型日調節前后室溫Fig.11 Typical day temperature before and after adjustment

輻照度隨時間先降低后升高，供暖中期室溫從調節前16.81℃提升至18.52℃，對集熱器流量和熱泵運行時間進行調節后，該階段最低室溫提升至18.94℃。供暖末期調節前最低室溫為18.60℃，已滿足供暖需求，不需調節。

3.3.2調節前后集熱器性能分析

典型日調節前后集熱器性能如圖12所示。供暖初期與末期平均環境溫度均滿足供暖需求，由于太陽能提供供暖所需全部熱量、流量降低，有用得熱量減少，故調節后兩時間段的集熱效率分別降低至16.5%，6.7%。寒冷日調節后的集熱效率提升至53.5%，此時段負荷較大，降低集熱器流量后得熱量等參數有所提升，適宜采用流量調節方式。在對供暖中期進行集熱器流量和熱泵運行時間調節后，集熱器日均有用得熱量由5.08×105kJ提升至5.72×105kJ，集熱效率提高了5.9%。

圖12 典型日調節前后集熱性能Fig.12 Collective heat performance before and after typical day adjustment

3.3.3調節前后熱泵性能分析

圖13為在氣候嚴寒、太陽輻照度低的條件下調節前后熱泵性能參數。

圖13 寒冷日調節前后熱泵性能Fig.13 Heat pump performance before and after cold day adjustment

調節后熱泵運行時間增加，制熱量增加，熱泵機組COP隨環境溫度提高而升高。蓄熱溫度由30℃提升至40℃，COP隨蓄熱溫度提高到2.8以上；5：00-10：00的蓄熱溫度波動造成COP短時間下降，隨后升高到3.0。相比無蓄熱的熱泵系統，蓄熱-熱泵系統能耗降低約1.33×106kJ，系統性能得到提升。

3.3.4能量協同調控分析

圖14為嚴寒氣候條件下供暖中期協同調控前后能量分析。蓄熱-熱泵工作時間延長，供熱量增加，太陽能集熱器在9：00-17：00吸收熱量，協同工作時間延長至5 h，解決了環境溫度低于-10℃時室溫不滿足的問題。圖15為調節前后熱負荷及能耗對比，隨著負荷增加，系統能耗增加，在兩個寒冷月內分別達到最大值1.37×108，1.50×108kJ，并隨著負荷減小而降低；對于整個供暖期，調節前后能耗變化趨勢與全年結果相同，能耗量提高2.8×107kJ，滿足了供暖期熱負荷。

圖14 典型日能量調控分析Fig.14 Typical day energy regulation analysis

圖15 供熱負荷及能耗對比Fig.15 Comparison of heating load and energy consumption

4 結論

本文基于巴彥淖爾市寒冷的氣象條件，利用TRNSYS建立了太陽能-熱泵互補供暖系統仿真模型，對供熱系統控制策略進行調節優化，通過本次能耗分析得到主要結論如下。

①太陽能集熱器與熱泵協同控制的供暖形式，能夠實現多能互補供暖系統在高熱負荷條件下全天連續運行，在滿足用戶供熱水需求的前提下解決了室溫不足的問題。

②供暖初期及末期不須對集熱器流量及熱泵工作時間進行調節；過渡月時單獨采用集熱器流量調節；供暖中期同時采用集熱器流量與熱泵運行時間調節。

③蓄熱水箱可以提高寒冷季節熱泵機組的COP值，當環境溫度出現低于-10℃的情況時，蓄熱溫度由30℃提高至40℃，COP隨蓄熱溫度提高到2.8以上。

④用于供暖系統運行策略優化的協同控制方式在有限的初期預算條件下可為高海拔、寒冷低濕環境下多能互補供暖系統的運行提供可行方案。