张志正,张 浩,可 悦,华云峰
(长春工程学院,长春 130012)
目前,我国北方严寒地区农村冬季供热仍以燃煤方式为主,劳动量大且污染严重。同时,该供热方式会使得农村建筑在供暖期的室内温度波动大,白天室内温度尚能满足供热要求,夜间熄火后室内温度很低,有时会低于5 ℃,且影响环境、效率低[1]。农村的供热方式也是减少碳排放的着力点,随着太阳能与空气源热泵技术的发展,国家在冬季煤改电项目的推进过程中,以太阳能与空气源热泵联合供热为代表的清洁能源成为未来供热发展的主要方向之一,可以在很大程度上节约能源,缩减成本,保护环境。
针对太阳能与空气源热泵供热系统的性能分析,胡文举等[2]对北京农村地区一户平房所采用的空气源热泵加散热器末端供暖系统进行了试验测量,得出该系统运行稳定,冬季室内温度达15 ℃,制热性能系数达2.75,供暖效果良好的结论。Kaygusuz,et al[3]对太阳能与空气源热泵供暖的串、并联形式的集热器效率进行试验和研究,发现并联热泵系统比串联热泵系统更节能。陈子丹等[4]在寒冷地区搭建空气源热泵供暖系统试验项目中,通过分析该供暖系统在供暖季的运行特性,得出建筑室内温度可达20 ℃,系统制热性能系数高达2.24,节能性要高于燃气锅炉,CO2排放量比燃煤锅炉下降20%的结论。但对太阳能与空气源热泵供热系统中空气源热泵启停温度控制参数、供水温度和运行策略的研究,相对较少。
本文以严寒地区具有一定典型性的长春市为研究地点,以农村建筑太阳能与空气源热泵供热系统为研究对象,通过对复合供热系统的优化研究,为今后太阳能与空气源热泵供热系统的推广提供有效方案及数据支持。
利用TRNSYS软件搭建太阳能与空气源热泵供热系统仿真模型。该模型主要包括太阳能集热器模块、板式换热器模块、空气源热泵模块、蓄热水箱模块和建筑负荷模型等,太阳能与空气源热泵供热系统如图1所示。
图1 太阳能与空气源热泵供热系统系统仿真模型
2.1 建筑热负荷
本文选取长春地区某典型农村住宅为研究对象,其建筑面积为128 m2,如图2所示。
图2 建筑模型
长春市采暖的规定时间为10月20日—次年4月6日,室内设计温度为18 ℃,根据JGJ 26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》[5],利用TRNSYS软件进行模拟计算,整理分析计算结果得到逐时建筑热负荷,如图3所示。
由图3可知,整个供暖季农村建筑热负荷波动较大,且中期逐时热负荷高于初期和末期,这与供暖季中期室外环境温度以及太阳辐射辐照度较低,而供暖季初期和末期的室外环境温度以及太阳辐射辐照度较高的气象参数一致。供暖季最冷月平均热负荷为6.17 kW,单位面积平均热负荷为48.20 W/m2。
2.2 真空管太阳能集热器数学模型
真空管太阳能集热器的能量平衡方程和有用能量公式分别为式(1)～(2):
QA=QU+QS+QL,
(1)
QU=AcmCP(Tout-Tin),
(2)
式中:QA为单位时间内真空管太阳能集热器吸收的太阳辐射能量,W;QU为单位时间内真空管太阳能集热器输出的有用能量,W;QS为单位时间内真空管太阳能集热器自身储存的能量,W;QL为单位时间内真空管太阳能集热器向周围环境散失的能量,W;m为真空管太阳能集热器单位面积介质质量流量,kg/(m2·s);CP为介质定压比热容,J/(kg·℃);Tout为真空管太阳能集热器内工质出口温度,℃;Tin为真空管太阳能集热器内工质进口温度,℃。
2.3 真空管太阳能集热器面积计算
太阳能与空气源热泵供热系统中太阳能集热系统为间接加热系统,太阳能集热器面积公式为(3)～(4)
(3)
(4)
式中:AIN为间接系统集热器总面积,m2;AC为直接系统集热器总面积,m2;UL为集热器总热损系数,w/(m2·℃);Uhx为换热器传热系数,w/(m2·℃);Ahx为间接系统换热器面积,m2;Qs为太阳能集热器承担的热负荷,w;为太阳能保证率,%;JC为太阳能集热器采光面上12月平均日太阳能辐照量,J/(m2·d);ηC为集热效率;ηL为管路及集热水箱热损失率,%。计算可得集热器面积为35 m2。
2.4 空气源热泵数学模型
空气源热泵的制热量和制热性能公式为式(5)～(6):
Qh=cw×mw×(to-ti) ,
(5)
(6)
式中:Qh为热泵制热量,W;cw为水的比热容,J/(kg·℃);mw为冷却水质量流量,kg/s;to为冷却水进水温度,℃;ti为冷却水出水温度,℃;Ph为空气源热泵功率,W。
2.5 运行模式
该系统共有3种运行模式:
1)太阳能集热系统单独供热模式。当室外光照条件充足时,集热器将收集的热量通过板式换热器传递给蓄热水箱,太阳能集热系统单独运行能够满足农村住宅的供热要求,若有剩余热量,则将其储存在蓄热水箱中。
2)太阳能与空气源热泵联合供热模式。在多云、阴天等光照不足的天气情况下,太阳能集热系统单独运行无法满足农村住宅的供暖要求,此时需要开启空气源热泵供热系统,两个系统联合运行,以满足供暖要求。
3)空气源热泵供热系统单独供热模式。在没有太阳辐射并且蓄热水箱已无多余热量的情况下,空气源热泵供热系统单独运行给住宅供暖。
3.1 系统运行工况模拟结果
通过TRNSYS软件对太阳能与空气源热泵复合供热系统进行供暖季模拟计算,整理分析计算结果得图4～6。
图4 最冷月份(1月份)逐时室内外温度变化曲线图
图4中T1、T2、T3、Ta分表表示卧室一温度、客厅温度、卧室二温度、室外温度,由该图可知,长春1月份室外寒冷,最低温度可达到-27 ℃,平均温度在-15 ℃。通过太阳能与空气源热泵供热系统对农村建筑进行供暖,供暖期间室内温度稳定在18～24 ℃,满足长春市居民用户室内温度昼夜不得低于18 ℃的要求。并且室内温度变化较为平稳,不受室外环境温度变化大的影响,室内热舒适性较好。
图5是供暖季各月太阳能集热器集热量、空气源热泵制热量和系统COP。由该图可知,空气源热泵制热量呈现先增大后减小的趋势,且12月份和次年1月份空气源热泵制热量大于太阳能集热器集热量,由于12月和次年1月室外环境温度较低且建筑热负荷较大,此时系统COP较低,供暖季系统平均COP为5.5。
图5 逐月集热量、制热量和系统COP
供热系统各能耗部件的用电量比例如图6所示,由该图可知,空气源热泵能耗最大为3 755.76 kW·h,约占系统总能耗的90.07%,其次是负荷侧循环水泵为283.92 kW·h,占系统总能耗的6.81%。通过前述数据可知,复合供热系统虽然满足用户对于供热的需求,但是其热泵机组是系统最大的能耗部件,存在很大的节能优化空间。
图6 供热系统能耗比例图
3.2 优化分析
3.2.1 空气源热泵启停温度控制参数对系统性能的影响
由模拟分析可知,空气源热泵能耗是供热系统的主要能耗,而影响空气源热泵能耗的主要因素是空气源热泵的启停温度。空气源热泵供热系统的启停受蓄热水箱顶部温度TS的控制,当蓄热水箱顶部温度TS小于启动温度控制参数TL时,空气源热泵供热系统开始运行。当蓄热水箱顶部温度TS大于停止温度控制参数TH时,空气源热泵供热系统停止运行,具体控制策略为:
TS TS>TH,空气源热泵供热系统停止。 为了研究空气源热泵启停温度控制参数对供热系统能耗和系统COP的影响,设定空气源热泵启停温度TL、TH为35 ℃和40 ℃、37 ℃和42 ℃、39 ℃和44 ℃、40 ℃和45 ℃的供热系统进行模拟计算,整理分析计算结果可得图7～8。 图7 不同启停温度控制参数对应的系统能耗和太阳能保证率 图8 逐月系统能耗和系统COP 由图7～8可知,随着启停温度控制参数的增大,系统能耗增加,系统太阳能保证率减小,且12月份和次年1月份的系统能耗高于其他月份,这是由于随着空气源热泵启停温度控制参数的增大,系统运行时间增加,导致运行能耗增加,同时启停温度升高,会使蓄热水箱温度升高,进而导致集热器进出口温差减小,集热效率降低,导致太阳能保证率减小。热泵启停温度控制参数每降低1℃,供暖季系统能耗降低2%～3%,太阳能保证率升高0.52%,系统COP升高0.12。因此,在供暖季的不同时期,根据热负荷的不同,适当降低热泵启停温度控制参数是减少供热系统运行能耗的重要措施。 3.2.2 供水温度对系统性能的影响 供水温度是影响太阳能与空气源热泵供热系统的重要因素,为了研究供水温度对系统能耗和系统COP的影响,在初始供水温度43 ℃的基础上,分别选取供水温度为38 ℃、40 ℃、42 ℃的供热系统进行模拟,模拟结果如图9～10所示。 由图9～10可知,随着供水温度的逐渐增加,供热期内系统能耗呈现出不断增加的趋势,且12月份与次年1月份的增幅大于其他月份。供水温度为38 ℃与43 ℃相比,供热期系统能耗可降低4.27%,供水温度每降低1 ℃,系统能耗降低0.8%～0.9%。供水温度降低,回水温度随之降低,空气源热泵进口水温降低,集热器换热温差增大,从而使系统COP增大。因此,在供暖季的不同时期,根据热负荷的不同,适当降低供水温度设定值是减少供热系统运行能耗的重要措施。 图9 不同供水温度对应的系统能耗和系统COP 图10 逐月系统能耗和系统COP 3.2.3 运行策略对系统性能的影响 供热系统的性能与运行策略密切相关,合理的运行策略可提高系统性能、降低能耗、减少运行成本,该系统采用最大利用太阳能的运行策略,即当室内有供暖需求时,各供热模式开启的优先级:太阳能单独供暖、太阳能和空气源热泵联合供暖,空气源热泵单独供暖。未考虑室外温度和长春市分时电价政策对供热系统的影响,分时电价政策见表1。对该系统采用运行费用最低策略,即通过时间和蓄热水箱顶部温度控制空气源热泵的启停,21:00—次日8:00为低谷电阶段,空气源热泵同时满足农村建筑的供热和蓄热水箱蓄热,8:00—21:00为平价电阶段,选取室外温度较高的时间段10:00—12:00、14:00—16:00、18:00—20:00,分时段开启空气源热泵给供热系统补热,以保证供热系统可以满足用户的供热需求。 表1 长春市分时电价 图12 不同运行策略系统运行费用 由图11～12可知,运行能耗与运行费用都呈现先增大后减小的趋势,在12月份与次年1月份的能耗较大,运行费用较高,这是由于此时间段室外温度较低,太阳辐射量较小,空气源热泵COP较低,建筑热负荷较大。太阳能与空气源热泵供热系统采用运行费用最低策略比采用最大太阳能运行策略的系统能耗少,运行费用低。这是由于在8:00—21:00,选取室外温度较高的时间段运行空气源热泵,此时空气源热泵COP较高,而在21:00—次日8:00,采用低谷电,从而降低运行成本。采用运行费用最低策略整供暖季比采用最大太阳能运行策略能耗降低3%～4%,运行费用减少了7%～8%。 图11 不同运行策略系统能耗 1)本文使用 TRNSYS 软件对太阳能与空气源热泵复合供热系统进行了模拟。从模拟情况看,该系统的参数选择满足长春地区该典型农村住宅冬季供暖的要求,室内温度保持在18～24 ℃,舒适度较好。 2)降低空气源热泵启停温度控制参数能够有效地降低供热系统能耗,热泵启停温度控制参数设定值每降低1 ℃,系统供热期能耗降低约2%～3%,太阳能保证率升高0.52%,系统COP升高0.12。因此,在供暖季不同阶段,根据热负荷的不同,可适当降低热泵启停温度控制参数,从而减少运行能耗。 3)降低太阳能与空气源热泵供热系统供水温度,能够有效地降低供热系统能耗,供水温度每降低1 ℃,系统的能耗降低0.8%～0.9%。因此,在供暖季的不同阶段,根据热负荷的不同,可适当降低供水温度的设定值,从而减少运行能耗。 4)供热系统采用运行费用最低策略优于最大太阳能运行策略,若采用运行费用最低策略,整个供暖季供热系统的运行能耗可降低3%～4%,运行费用可减少7%～8%。
