臨沂市建筑設計研究院有限責任公司      李雨瀟

摘   要：以四川省松潘地區氣象資料為基礎，針對某一實際工程案例，利用TRNSYS軟件建立了空氣源熱泵輔助太陽能供暖系統的仿真模型，研究系統標準天、最冷天以及整個供暖季運行性能。結果表明，該系統供暖季平均集熱效率為27%，太陽能保證率為39.35%。

關鍵詞：太陽能；空氣源熱泵；TRNSYS仿真

       0   引言

       目前，太陽能—熱泵供暖系統的形式多為兩類，太陽能—水（地）源熱泵供暖系統和太陽能—空氣源熱泵供暖系統。太陽能和熱泵的聯合能彌補太陽能受天氣影響較大、不連續等缺陷，保證了供暖的穩定性。而空氣源熱泵相較于水源熱泵不受時間、地點的限制，設備安裝和使用比較方便，且隨著采用高壓腔直流變頻壓縮機或噴氣增焓等技術的低溫型空氣源熱泵的出現，緩解了空氣源熱泵在寒冷地區蒸發器表面結霜、制熱性能及制熱量下降等問題，空氣源熱泵與太陽能結合是目前相對理想的方式^[1]。

       本文通過分析空氣源熱泵輔助太陽能供暖系統在四川省松潘地區某鐵路站房的運行應用情況，給出該系統在寒冷地區供暖的可行性，為今后同類工程供暖設計提供理論參考。

       1   系統模型建立

       1.1   氣象數據

       本文采用中國標準年氣象數據CSWD，“CSWD”數據是以全國270個地面氣象臺站1971-2003年的實測氣象數據為基礎，通過分析整理補充源數據以及合理差值計算獲得了全國270個臺站的建筑熱環境分析專用氣象數據集[2]，供暖季氣象數據如圖1~2所示。

圖1   松潘地區日干球溫度供暖季變化圖	圖2   松潘地區太陽能水平面日總輻照量供暖季變化圖

       1.2   建筑模型

       本文以某鐵路站房作為研究對象，主要建筑尺寸如表1所示。

表1   建筑模型的主要參數

       1.3   TRNSYS仿真模型

       利用TRNSYS軟件中Simulation Studio程序，調用基本模塊：氣象數據Type15、平板型集熱器Type1b、分層蓄熱水箱Type4b、水源熱泵機組Type668、逆流式換熱器Type5b、水泵Type3b/Type110、溫差控制器Type2b、建筑Type56a等，其中空氣源熱泵機組利用Excel外部調用程序Type62將設備樣本變工況表擬合成函數公式代入系統進行模擬計算，建立空氣源熱泵輔助太陽能供暖系統仿真模型，如圖3（b）所示。

（a）系統運行原理圖	（b）系統仿真模型

圖3   空氣源熱泵輔助太陽能供暖系統圖

       為簡化系統模擬程序，假設（1）集熱器玻璃蓋板上灰塵和污染物對集熱器效率不產生影響；（2）傳熱介質熱物理性質與溫度無關；（3）蓄熱水箱的熱損系數設為0.6W/m2。

       空氣源熱泵輔助太陽能供暖系統運行模式，集熱器產生的熱水首先通過集熱側的循環水泵將熱水送至蓄熱水箱，當水箱中出水溫度大于等于40℃時，直接供向末端；當水箱溫度小于40℃時，開啟空氣源熱泵輔助供暖。

       2   系統模擬運行分析

       以標準天、最冷天兩類典型天氣象數據連續運行至系統達到穩定運行期，給出系統投射到集熱器總太陽輻射量（Icoll）、集熱器吸收有效太陽輻射量（Qu）以及太陽能總供熱量（Qsolar）的變化趨勢，穩定運行后Qu、Qsolar值不再發生變化。

       11月至次年3月的平均日作為標準天，室外平均溫度和太陽輻射量均接近整個供暖季平均值^[3]。該天太陽總輻射量9399.6kJ/h，日照時間約9h，最高溫度8.95℃，最低溫度-7.55℃，日平均溫度-0.68℃。由圖4中系統標準天運行參數可知，集熱器吸收有效輻射量逐天下降，太陽能供熱量逐天增加，穩定運行后，系統集熱效率和系統太陽能保證率分別為44.2%、69.4%。

圖4   系統標準天運行情況	圖5   系統最冷天運行情況

       11月至次年3月日平均溫度最低時作為最冷天，太陽輻射逐時值取標準天60%^[3]。該天總太陽輻照量為5639.8kJ/h，日照時間約9h，最高溫度1.75℃，最低溫度-17℃，日平均溫度-9.09℃。由圖5中系統最冷天運行參數可知，由于最冷天太陽輻射小，初期系統連續3天蓄熱水箱溫度均達不到直接供暖要求，且相較于標準天達到穩定運行時間有所增加，需運行至第5天才穩定。穩定運行后，系統集熱效率為21.8%，太陽能保證率分別為20.4%。

       進一步分析系統整個供暖季的運行特性，表2中給出空氣源熱泵輔助太陽能供暖系統各月集熱器效率、太陽能保證率以及系統能耗。

表2   供暖季各月運行參數

       由表可知，各月太陽能保證率呈拋物線變化趨勢，先降低后減少，太陽輻射較高的11、2及3月，可由太陽能提供的熱量明顯增加；系統能耗變化趨勢則正好相反，最冷月1月能耗最高。整個供暖季，系統平均集熱效率為27.0%，太陽能保證率為39.4%，總能耗約57.3×103kW·h，其中熱泵耗電量占93.59%、水泵耗電量占6.41%。

       3   結論

       通過對空氣源熱泵輔助太陽能供暖系統在四川省松潘地區某鐵路站房的運行應用研究，得到以下結論：

       太陽能供暖必須經過一段時間運行才能使蓄熱水箱內水溫維持在一定范圍內，此時系統才能進入穩定運行期?？諝庠礋岜幂o助太陽能供暖系統在標準天運行時，系統太陽能保證率可達到69.4%，超過一半的熱需求可由太陽能提供；最冷天時太陽能保證率為20.4%，相較于標準天有明顯的下降，但是這種最不利的氣候條件僅占整個供暖季的3%左右，對系統供暖季運行的整體性能影響很?。徽麄€供暖季太陽能保證率39.4%。

       依托于松潘地區氣象參數及鐵路站房建筑模型，可見使用低溫型空氣源熱泵配合太陽能在該寒冷地區供暖是可行的。

參考文獻

       [1] 劉文慶,魏建輝. 太陽能+雙源熱泵的冬季供暖系統[J]. 暖通空調, 2014:4–6.

       [2] 張明. 逐時標準年氣象數據在建筑能耗模擬中的應用研究[D]. 西安建筑科技大學, 2007.

       [3] 程建國. 西藏太陽能與水源熱泵聯合供暖應用研究[D]. 西南交通大學, 2005.

       [4] 劉雨曦. 空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統在夏熱冬冷地區的運行模擬和應用研究[D]. 重慶大學, 2011.

       [5] 鄭瑞澄. 民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊[M]. 化學工業出版社, 2006,2.

備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年3月刊總第3期。
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