临沂市建筑设计研究院有限责任公司 李雨潇
摘 要：以四川省松潘地区气象资料为基础，针对某一实际工程案例，利用TRNSYS软件建立了空气源热泵辅助太阳能供暖系统的仿真模型，研究系统标准天、最冷天以及整个供暖季运行性能。结果表明，该系统供暖季平均集热效率为27%，太阳能保证率为39.35%。
关键词：太阳能；空气源热泵；TRNSYS仿真
0 引言
目前，太阳能—热泵供暖系统的形式多为两类，太阳能—水（地）源热泵供暖系统和太阳能—空气源热泵供暖系统。太阳能和热泵的联合能弥补太阳能受天气影响较大、不连续等缺陷，保证了供暖的稳定性。而空气源热泵相较于水源热泵不受时间、地点的限制，设备安装和使用比较方便，且随着采用高压腔直流变频压缩机或喷气增焓等技术的低温型空气源热泵的出现，缓解了空气源热泵在寒冷地区蒸发器表面结霜、制热性能及制热量下降等问题，空气源热泵与太阳能结合是目前相对理想的方式[1]。
本文通过分析空气源热泵辅助太阳能供暖系统在四川省松潘地区某铁路站房的运行应用情况，给出该系统在寒冷地区供暖的可行性，为今后同类工程供暖设计提供理论参考。
1 系统模型建立
1.1 气象数据
本文采用中国标准年气象数据CSWD，“CSWD”数据是以全国270个地面气象台站1971-2003年的实测气象数据为基础，通过分析整理补充源数据以及合理差值计算获得了全国270个台站的建筑热环境分析专用气象数据集[2]，供暖季气象数据如图1~2所示。
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| 图1 松潘地区日干球温度供暖季变化图 | 图2 松潘地区太阳能水平面日总辐照量供暖季变化图 |
1.2 建筑模型
本文以某铁路站房作为研究对象，主要建筑尺寸如表1所示。
表1 建筑模型的主要参数
1.3 TRNSYS仿真模型
利用TRNSYS软件中Simulation Studio程序，调用基本模块：气象数据Type15、平板型集热器Type1b、分层蓄热水箱Type4b、水源热泵机组Type668、逆流式换热器Type5b、水泵Type3b/Type110、温差控制器Type2b、建筑Type56a等，其中空气源热泵机组利用Excel外部调用程序Type62将设备样本变工况表拟合成函数公式代入系统进行模拟计算，建立空气源热泵辅助太阳能供暖系统仿真模型，如图3（b）所示。
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| （a）系统运行原理图 | （b）系统仿真模型 |
图3 空气源热泵辅助太阳能供暖系统图
为简化系统模拟程序，假设（1）集热器玻璃盖板上灰尘和污染物对集热器效率不产生影响；（2）传热介质热物理性质与温度无关；（3）蓄热水箱的热损系数设为0.6W/m2。
空气源热泵辅助太阳能供暖系统运行模式，集热器产生的热水首先通过集热侧的循环水泵将热水送至蓄热水箱，当水箱中出水温度大于等于40℃时，直接供向末端；当水箱温度小于40℃时，开启空气源热泵辅助供暖。
2 系统模拟运行分析
以标准天、最冷天两类典型天气象数据连续运行至系统达到稳定运行期，给出系统投射到集热器总太阳辐射量（Icoll）、集热器吸收有效太阳辐射量（Qu）以及太阳能总供热量（Qsolar）的变化趋势，稳定运行后Qu、Qsolar值不再发生变化。
11月至次年3月的平均日作为标准天，室外平均温度和太阳辐射量均接近整个供暖季平均值[3]。该天太阳总辐射量9399.6kJ/h，日照时间约9h，最高温度8.95℃，最低温度-7.55℃，日平均温度-0.68℃。由图4中系统标准天运行参数可知，集热器吸收有效辐射量逐天下降，太阳能供热量逐天增加，稳定运行后，系统集热效率和系统太阳能保证率分别为44.2%、69.4%。
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| 图4 系统标准天运行情况 | 图5 系统最冷天运行情况 |
11月至次年3月日平均温度最低时作为最冷天，太阳辐射逐时值取标准天60%[3]。该天总太阳辐照量为5639.8kJ/h，日照时间约9h，最高温度1.75℃，最低温度-17℃，日平均温度-9.09℃。由图5中系统最冷天运行参数可知，由于最冷天太阳辐射小，初期系统连续3天蓄热水箱温度均达不到直接供暖要求，且相较于标准天达到稳定运行时间有所增加，需运行至第5天才稳定。稳定运行后，系统集热效率为21.8%，太阳能保证率分别为20.4%。
进一步分析系统整个供暖季的运行特性，表2中给出空气源热泵辅助太阳能供暖系统各月集热器效率、太阳能保证率以及系统能耗。
表2 供暖季各月运行参数
由表可知，各月太阳能保证率呈抛物线变化趋势，先降低后减少，太阳辐射较高的11、2及3月，可由太阳能提供的热量明显增加；系统能耗变化趋势则正好相反，最冷月1月能耗最高。整个供暖季，系统平均集热效率为27.0%，太阳能保证率为39.4%，总能耗约57.3×103kW·h，其中热泵耗电量占93.59%、水泵耗电量占6.41%。
3 结论
通过对空气源热泵辅助太阳能供暖系统在四川省松潘地区某铁路站房的运行应用研究，得到以下结论：
太阳能供暖必须经过一段时间运行才能使蓄热水箱内水温维持在一定范围内，此时系统才能进入稳定运行期。空气源热泵辅助太阳能供暖系统在标准天运行时，系统太阳能保证率可达到69.4%，超过一半的热需求可由太阳能提供；最冷天时太阳能保证率为20.4%，相较于标准天有明显的下降，但是这种最不利的气候条件仅占整个供暖季的3%左右，对系统供暖季运行的整体性能影响很小；整个供暖季太阳能保证率39.4%。
依托于松潘地区气象参数及铁路站房建筑模型，可见使用低温型空气源热泵配合太阳能在该寒冷地区供暖是可行的。
参考文献
[1] 刘文庆,魏建辉. 太阳能+双源热泵的冬季供暖系统[J]. 暖通空调, 2014:4–6.
[2] 张明. 逐时标准年气象数据在建筑能耗模拟中的应用研究[D]. 西安建筑科技大学, 2007.
[3] 程建国. 西藏太阳能与水源热泵联合供暖应用研究[D]. 西南交通大学, 2005.
[4] 刘雨曦. 空气源热泵辅助太阳能热水系统在夏热冬冷地区的运行模拟和应用研究[D]. 重庆大学, 2011.
[5] 郑瑞澄. 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M]. 化学工业出版社, 2006,2.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年3月刊总第3期。
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