沈陽建筑大學  馮國會  于素蘊  黃凱良

       【摘  要】以往的普通能源系統存在各類問題，本文以沈陽建筑大學超低能耗示范中心為建筑模型，構建熱泵與太陽能耦合的相變儲能系統。采用瞬態模擬軟件TRNSYS和實際測試數據分析系統運行情況，探討復合式能源系統的優點和可行性。根據模擬得出的結果顯示，沈陽建筑大學超低能耗示范中心建筑全年最大熱負荷為11.6KW，出現在1月14日；最大冷負荷是10.01KW，出現在全年氣溫最高的時刻。相變儲能復合式能源系統內熱泵機組的COP值比普通熱泵系統的COP值提升了16.67%左右。七月份的流量平均值為3.854m³/h。用戶的負荷側回水平均為12.35℃，平均源測回水溫度值為46.8℃。實測和模擬兩者數值偏差控制在15%以內。結合了太陽能、熱泵的相變儲能復合式能源系統比普通能源系統高效、節能。

       【關鍵詞】熱泵；太陽能；相變儲能；耦合

       【基金項目】國家十三五重點研發計劃項目(2017YFC0702600)

0 引言

       中國的快速發展離不開能源的發展與應用，可再生能源的利用屢見不鮮，但單一能源的使用存在許多問題，本文討論太陽能和熱泵技術。

       太陽能在單獨使用構建系統時，能流密度低，分散性強^[1-3]，無法集中使用；有的太陽能利用裝置，效率偏低，成本較高，經濟性還不能與常規能源相競爭^[4-6]。在今后相當一段時期內，太陽能利用的進一步發展，主要受到經濟性的制約^[7]。

       地源熱泵系統在使用時存在以下幾點問題：從地下取熱需要大量的埋管量，初投資偏大、需用大面積土地；在冬夏負荷不平衡的情況下，會造成地下能量積聚^[8-11]，需要輔助能源；在打井技術方面，尚未很好解決回灌問題，很多工程實際上并未達到百分百回灌。

       因一次能源替代勢在必行且單一能源系統存在各類弊端^[12-15]，本文將太陽能和熱泵兩種可再生技術結合相變儲能技術聯合使用，構建復合式能源系統，力求高能效、低能耗且經濟合理。

1 建筑模型建立及負荷計算

       1.1 建筑概況

       沈陽建筑大學“被動式超低能耗示范建筑”，位于沈陽市渾南新區渾南東路9號沈陽建筑大學校園的西南方向，總占地面積為167.95m²，該項目為示范建筑，其內設展廳、示范房間（帶火炕）、廚房、衛生間、控制室以及設備專用機房。總建筑面積為335.9 m²，建筑基地面積563.24 m²，建筑地上2層。建筑各層平面圖如下所示。

       被動式超低能耗示范中心建筑的主體結構為鋼框架結構，建筑的長、寬和高分別為：18.6m、9m和6.9m，建筑物一層層高3.3m，二層層高3.6m，圖3和圖4分別為示范中心的選址示意圖和示范中心落成后的外觀效果圖。示范中心建筑的體形系數為0.47。建筑物東南西北四面的窗墻比分別為：0.05、0.12、0.09和0.12。

       1.2 建筑模型建立及負荷概算

       應用DeST能耗模擬軟件建立被動式超低能耗建筑模型^[16-18]。基于DeST軟件自帶的氣象數據庫中的沈陽地區逐時氣象數據，對該建筑模型下的采暖能耗和空調能耗進行了全年8760小時的模擬分析。

       經模擬計算得，沈陽建筑大學超低能耗示范中心建筑全年最大熱負荷為11.6KW，出現在1月14日。而全年最大冷負荷是9.75KW，出現在全年氣溫最高的時刻。全年累計熱負荷指標為43.25KW·h/m²、全年累計冷負荷指標為36.21KW·h/ m²。

2 復合式相變儲能系統建立

       選取沈陽建筑大學超低能耗示范中心的一層一個標準房間，建立熱泵耦合太陽能的相變儲能系統仿真模型，分析相變儲能蓄熱裝置在加入到熱泵式太陽能耦合系統后對整個系統的影響。

       2.1 仿真系統控制策略

       1）時間控制器（TYPE14h）

       該系統時間控制器采用模塊TYPE14h，該模塊主要來控制土壤源熱泵源側和負荷兩側的循環泵的開啟和關閉，從而控制熱泵機組的開啟和關閉。本系統運行時間控制如下：8時-18時控制信號為1，其余時間控制信號為0。

       2）溫差控制器（TYPE2b）

       平板型太陽能集熱器和相變蓄熱水箱之間的循環泵的開啟和關閉主要通過TYPE2b來進行調節和控制。當初始的控制信號為1時，設定溫差高于集熱器的出口溫度和相變儲熱水箱源側溫差時，水泵停止工作；當高于設定溫差時，水泵正常運行。當初始時控制信號為0時，當設定溫差低于集熱器的出口溫度和相變儲熱水箱熱源側溫差時，水泵開始運行；當高于設定溫差時，水泵停止運行。當部件監測的溫度高于設定最高溫度時，水泵也停止運行。

       3）溫度控制器（TYPE2b）

       整個復合式蓄熱系統模擬運行時，通過溫度控制器（TYPE2b）來控制相變儲熱水箱和末端水泵之間的啟停。在設計工況時，假設房間采暖溫度為20℃，則房間溫度波動范圍為22±2℃，當監測出的溫度值高于24℃時，停掉用戶側水泵；當監測溫度低于20℃時，循環泵即使開啟直至溫度再次高于24℃。

       2.2 系統仿真模擬分析

       沈陽地處嚴寒地區，供暖季從11月15日起直到次年3月15日，典型年最冷月份為1月；選取典型年最冷的1月份及2017年1月最冷天1月15日進行模擬分析。考慮到一天中太陽輻射強弱不同的情況^[12]，在整個房間負荷值最大的早晚時間采用平板型太陽能集熱器、熱泵和儲熱水箱一同供熱的情況，其余情況基本均采取利用太陽能集熱器供熱。

       由表2和表3可以看出以下兩點結論：典型日，集熱器的總福射能保持不變，集熱器吸收的有用能和集熱器平均效率均略有增加；加入相變儲熱水箱的復合式能源系統相比傳統的太陽能熱泵系統，系統整體的COP值增大了。

       由表4和表5可見，典型月太陽能集熱器的總輻射能并沒有發生任何的變化，而集熱器有用能和集熱器的平均效率略有增加；集熱器獲得的有用能一部分被相變儲熱水箱內的蓄熱材料所吸收熱，系統內生活熱水均由太陽能系統提供，平時多余熱量儲存在相變蓄熱水箱內，待熱量不，使集熱器的進口溫度略有下降，集熱器的平均效率有所提高。

       相對于傳統的太陽能熱泵系統來說，加入相變儲熱水箱時，由于相變儲熱水箱的蓄熱量增加，增大了熱泵的耗電量，系統內熱泵機組的COP值比普通熱泵系統的COP值提升了16.67%左右。

3 復合式能源系統實測

       3.1實驗系統介紹

       沈陽建筑大學超低能耗示范中心采用雙源熱泵系統（水源、土壤源熱泵），系統供熱由熱泵系統和太陽能系統聯合供足時放熱，節省系統耗電量。系統末端裝置為毛細管網系統。

       3.2 超聲波流量計的實驗方法

       為了測試沈陽建筑大學超低能耗示范中心能源系統的流量多少，配合復合式能源系統的流量等其他相關條件的調試，在熱泵立管上綁有超聲波流量計探頭，實時測試熱泵立管附近處的流量，實時監測整個七月份的流量經統計計算得出平均流量值為3.854m³/h。

       3.3 溫濕度自計儀的實驗方法

       將兩只提前設置好監測時間和監測頻率的雙探頭溫濕度自計議的探頭分別放入熱泵源測和負荷側的保溫層之內，讓探頭緊貼管壁放置，方便靈敏的實時記錄管壁溫度變化。溫濕度自計議數據采集頻率設置為0.5h/個。

       布置溫濕度自計議的起始時間是從2017年7月12日零點至2017年9月1日零點。采取非循環采集模式，采集間隔為1800s，記錄總數據為每塊溫濕度自計議2450個。

       3.4 被動式超低能耗示范中心實測結果

       截取7月下旬一周的時間，溫度呈逐漸降低趨勢，縱觀全部測試時間，用戶側回水溫度大致穩定在一定數值范圍內，穩定波動，平均溫度為12.35℃。源測回水溫度穩定波動于46℃~47℃之間，平均源測回水溫度值為46.8℃。與供水溫度之差為4.17℃。

       3.5 實測結果與模擬結果對比分析

       通過TRNSYS瞬態模擬和對實際建筑物的連續監測討論了熱泵源測和負荷側的進出水溫度，二者趨勢和數據情況基本一致：

       由于模擬的理想性和實際儀表誤差及讀取誤差等各方面原因，模擬曲線和實際測試曲線是無法完全重合的，但兩條曲線的趨勢基本一致，模擬值較實驗值稍高，但偏差為10.36%，控制在15%以內，證明了模擬的準確性。

4 結論

       通過以沈陽建筑大學超低能耗示范中心為平臺的模型建立、模擬分析和實際測試，得出以下幾點結論：

       1）通過DeST軟件的模擬計算，得出沈陽建筑大學超低能耗示范中心建筑全年最大熱負荷為11.6KW，出現在1月14日。而全年最大冷負荷是10.01KW，出現在全年氣溫最高的時刻。

       2）相變儲能復合式能源系統內熱泵機組的COP值比普通熱泵系統的COP值提升了16.67%左右。

       3）整個七月份的流量平均值為3.854m³/h。用戶的負荷側回水平均為12.35℃，平均源測回水溫度值為46.8℃。實測和模擬兩者數值偏差控制在15%以內。

       就以上結論可以看出，以沈陽建筑大學超低能耗示范中心為平臺的結合了太陽能、熱泵的相變儲能復合式能源系統比普通能源系統高效、節能。

參考文獻

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。