太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的TRNSYS 動(dòng)態(tài)模擬

王滿鵬

摘要：太陽能具有綠色無污染、可持續(xù)性強(qiáng)的特性，因此，太陽能在建筑供暖中的應(yīng)用受到了工程技術(shù)人員普遍的關(guān)注。筆者選取蘭州地區(qū)典型年氣象資料，利用數(shù)值分析軟件 TRNSYS 對一房屋開展了太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬及輻射采暖系統(tǒng)的優(yōu)化，研究了整個(gè)供暖時(shí)段房屋的太陽能輻射狀況、集熱保證率、空氣源熱泵集熱效率。得出供暖時(shí)段房屋熱負(fù)荷與其它因素之間的相互影響情況，確定了住宅太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。研究成果為我國西部地區(qū)太陽能資源在建筑供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：太陽能;空氣源熱泵;熱負(fù)荷;室內(nèi)溫度

中圖分類號(hào)：TK51文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

能源是促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步的關(guān)鍵，而且為人民生活水平的提高保駕護(hù)航。我國雖地大物博，但人均資源占有量低，是名副其實(shí)的“能源劣勢國”。隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長，居民對舒適度和居住面積的要求不斷提高，能源使用現(xiàn)狀與建筑能耗不協(xié)調(diào)之間的矛盾逐步加劇。在社會(huì)發(fā)展、能源及環(huán)境保護(hù)的多向需求下，利用新能源代替常規(guī)高污染能源是現(xiàn)代建筑的主要趨向。我國西部地區(qū)太陽能資源豐富，市場需求巨大，但缺乏能夠?qū)崿F(xiàn)與建筑一體化的太陽能產(chǎn)品，因而太陽能的推廣應(yīng)用不夠理想，特別是太陽能輔助空氣源熱泵的應(yīng)用處于探索階段[1]。

20世紀(jì)50年代，國外學(xué)者首先對空氣源熱泵開展了研究，發(fā)現(xiàn)太陽能熱泵相比其他太陽能設(shè)施優(yōu)越性更明顯，從而首創(chuàng)性提出了太陽能熱泵綜合系統(tǒng)，該系統(tǒng)大大提高了集熱器和熱泵的效率[ 2] 。Anderson 等[3]基于熱負(fù)荷原理構(gòu)建了一套較高效率的太陽能熱泵體系。我國開展太陽能熱泵系統(tǒng)的研究比發(fā)達(dá)國家遲，趙軍等[4]通過理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)，研發(fā)的太陽能集熱系統(tǒng)在全年各個(gè)時(shí)段能供應(yīng)熱水滿足居民的日常生活。李舒宏等[5]針對不同室內(nèi)環(huán)境的空氣源熱泵供水溫度變化情況開展了探討。李海林等[6]提出了太陽能空氣源熱泵供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并以蘭州地區(qū)某辦公樓為對象，利用 TRNSYS 軟件進(jìn)行了組態(tài)和運(yùn)行狀況的數(shù)值模擬及性能分析。魏毅立等[7]按照能源逐級利用原則，設(shè)計(jì)了太陽能-空氣源熱泵供暖體系，改善了太陽能供暖系統(tǒng)供暖質(zhì)量低的問題。

歐美學(xué)者對建筑節(jié)能進(jìn)行了廣泛研究，在節(jié)能技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性方面積累了豐富的成果，借鑒歐美的成功經(jīng)驗(yàn)提出適合蘭州地區(qū)氣象條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的建筑節(jié)能技術(shù)非常必要。蘭州地區(qū)太陽能資源豐富，但是相關(guān)研究較少。筆者對蘭州市安裝有太陽能輔助空氣源熱泵的一房屋利用 TRNSYS 數(shù)值軟件開展了供暖系統(tǒng)的計(jì)算，所得結(jié)果為太陽能資源的利用提供借鑒。

1 住宅系統(tǒng)的TRNSYS模擬

1.1 住宅系統(tǒng)模型及氣象資料

模擬房屋分區(qū)如圖1 所示，氣象資料選取蘭州地區(qū)典型年冬冷月氣象資料，時(shí)間為1 月1 日～31日。

1.2 模擬結(jié)果分析

空氣源熱泵與太陽能組合是一種新型供暖方式，利用蘭州地區(qū)豐富的太陽能資源，有效降低化學(xué)能源消耗;且集熱系統(tǒng)易于操作、便于維修。利用TRNSYS軟件對模擬房屋不采暖時(shí)的溫度進(jìn)行探討，得到主要實(shí)驗(yàn)房的溫度變化情況，如圖2所示。

由圖2知，四個(gè)主要實(shí)驗(yàn)房間室內(nèi)溫度都維持在—6.53℃～14.64℃，但是每個(gè)房間溫度有較大的差別。其中溫度最低的是201房間，溫度最高的是202房間，結(jié)合圖1中房間的具體布置位置情況，可以發(fā)現(xiàn)溫度的不同和房間朝向、外圍護(hù)墻體數(shù)量、房間面積等有關(guān)。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)房間內(nèi)的最低溫度要高于室外溫度，這也證明了良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)能夠提升室內(nèi)溫度。

圖3給出了104房間和202房間在最低大氣溫度季節(jié)中室內(nèi)溫度和室外溫度的變化情況（Tamb曲線代表室外溫度的變化）。結(jié)合圖1可以知道104房間和202房間的面積、朝向完全一致，但是104房間的溫度要高于 202房間，這是由于202房間比104房間多一屋頂，散熱量大，導(dǎo)致室內(nèi)溫度較低。

2太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬2.1 建立系統(tǒng)仿真模型

借助TRNSYS數(shù)值模擬軟件對太陽能輔助空氣源熱泵地板供暖系統(tǒng)建模，用到TRNSYS軟件自帶的前置計(jì)算模塊有：集熱器計(jì)算模塊、氣象數(shù)據(jù)資料計(jì)算模塊、控制器計(jì)算模塊、水泵計(jì)算模塊、儲(chǔ)熱水箱計(jì)算模塊、換熱器計(jì)算模塊、建筑模型計(jì)算模塊、空氣源熱泵計(jì)算模塊;后處理模塊有：方程編輯器模塊、繪圖儀模塊。在建筑模型計(jì)算模塊中設(shè)置地暖盤管，地板設(shè)置為輻射采暖體系。

2.2 模擬結(jié)果分析

利用在線繪圖儀后處理模塊將相關(guān)模擬計(jì)算所得數(shù)據(jù)輸入到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)軟件Excel中，再利用數(shù)據(jù)處理軟件Origin分析數(shù)據(jù)并繪圖。以不同時(shí)間室內(nèi)溫度反映采暖期熱負(fù)荷的變化情況，具體1月室內(nèi)熱負(fù)荷隨溫度變化情況如圖4所示。

由圖4得室內(nèi)主要房間需要的采暖負(fù)荷與室外溫度成反比，以客廳101室、老人臥室104、臥室201和臥室202為典型房間研究采暖房間的供暖負(fù)荷需求。101室由于外圍護(hù)面積大，且有四個(gè)外窗，室外進(jìn)入房間的冷空氣多，耗散熱量大，室內(nèi)溫度保持穩(wěn)定需要的熱量高，熱負(fù)荷曲線在圖4的最上面。其他三個(gè)房間面積小，所需供暖負(fù)荷位于Q101的下方。104房間和202房間的房屋結(jié)構(gòu)和外圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本相同，但202房間比104房間多一屋頂，因此202房間所需供暖負(fù)荷大于104房間。

圖5給出了太陽能保證率（f為太陽能保證率）隨著最冷月室外溫度變化的趨勢。從圖5可知各個(gè)時(shí)間內(nèi)太陽能保證率與室外溫度不具有相關(guān)性，太陽能保證率固定在0.5左右。

圖6為室外溫度和空氣源熱泵機(jī)組出口處的熱水溫度之間的相關(guān)規(guī)律，由圖6得集熱器出水溫度主要受天氣陰晴影響。蘭州地區(qū)太陽光照時(shí)間長，白天集熱器出水溫度能平均保持到65℃，該溫度符合地板輻射采暖系統(tǒng)對供水溫度的閥值要求;冬季超過8h光照情況下出水溫度都可以達(dá)到55℃，但缺點(diǎn)在于夜間集熱效率驟降，需對管路和水箱保溫，避免凍結(jié)。

3 太陽能輔助空氣源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)的模擬優(yōu)化

根據(jù)前述借助的TRNSYS數(shù)值模擬軟件所得結(jié)果，開展太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的參數(shù)分析，根據(jù)分析結(jié)果對熱泵系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過參數(shù)模擬優(yōu)化對影響太陽能保證率、水箱體積的要素開展探討。

3.1 基本參數(shù)設(shè)置

利用前述計(jì)算所得基本參數(shù)開展優(yōu)化，所用基本參數(shù)有：7塊并聯(lián)連接面積合計(jì)為14㎡的平板集熱器，揚(yáng)程為5m、流量為1.008㎡3/h的集熱循環(huán)泵，體積為1.4㎡拼裝型水箱。參照建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷分時(shí)段、分種類供暖，反映實(shí)驗(yàn)房屋熱狀況隨時(shí)間的變化過程。

3.2 平板集熱器面積的優(yōu)化模擬

在采暖溫度固定的條件下，改變集熱器面積可以調(diào)整太陽能保證率。太陽能保證率隨集熱器面積的關(guān)系如圖7所示。

由圖7得，在太陽能集熱器面積逐步增大過程中對應(yīng)的太陽能保證率也在增大;當(dāng)集熱器面積達(dá)到14㎡后，采用增加集熱器面積提高太陽能保證率的效果不明顯。例如當(dāng)集熱器面積從14㎡增加到16㎡時(shí)太陽能保證率增加了0.12;而當(dāng)集熱器面積從16㎡增加到18㎡時(shí)，太陽能保證率只增加了0.05。本次設(shè)計(jì)的太陽能輔助空氣源熱泵，太陽能集熱器面積選擇14㎡，對系統(tǒng)來說較為經(jīng)濟(jì)合理。

3.3 蓄熱水箱體積優(yōu)化模擬

太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)中集熱器面積是固定的，當(dāng)選用不同的蓄熱水箱體積時(shí)水箱中的水溫會(huì)有變化。在具體優(yōu)化模擬中設(shè)置平板集熱器面積和集熱流量不變，其中集熱器面積為14㎡、流量為1.008㎡/h。

1月份蓄熱水箱內(nèi)熱水平均溫度變化與水箱體積的關(guān)系如圖8所示。

從圖8可以看出，水箱中水溫上升速度和水箱體積大小直接相關(guān)。0.3㎡3的水箱水溫升到60℃所需時(shí)間最短，且在1月份大部分時(shí)間能達(dá)到設(shè)定的最低溫度;0.6㎡的水箱升溫過程與0.3㎡的相差不大。0.3㎡3和0.6㎡3水箱的體積偏小，在使用熱水過程中由于儲(chǔ)水體積限制，會(huì)造成供熱不穩(wěn)定現(xiàn)象。2.0m3水箱的升溫速度不但慢、成本也較高，在蘭州地區(qū)選擇1.4㎡的水箱能滿足大部分家庭生活用水的需求。供暖期，個(gè)別房間沒人或房間溫度需求較低，通過分室分流控制室溫，使辦公或居家環(huán)境更舒適，滿足個(gè)人需要以此來降低采暖實(shí)際負(fù)荷。

4 結(jié)論

借助TRNSYS數(shù)值模擬軟件，對一安裝有太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的房屋開展了數(shù)值模擬并對相關(guān)數(shù)據(jù)展開了探討，得出的主要結(jié)論有：

（1） 分別研究了不采暖和采暖兩種情況下模擬實(shí)驗(yàn)房屋的室內(nèi)溫度及室內(nèi)逐時(shí)熱負(fù)荷隨室外溫度的變化情況;

（2） 通過對整個(gè)采暖期太陽能輻射、太陽能保證率、太陽能集熱器效率隨室外溫度的變化情況開展了研究和分析，得出整個(gè)采暖期建筑用熱負(fù)荷的變化情況及相關(guān)因素之間的關(guān)系;

（3）對住宅太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)做了優(yōu)化模擬，確定了系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。與常用單一熱源采暖系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)結(jié)合蘭州氣候特點(diǎn)最大化利用了太陽光照資源，在節(jié)能減排方面意義重大。

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