基于TRNSYS的太阳能/空气源热泵数值模拟研究

沈玉富（烟台荏原空调设备有限公司，山东 烟台 265500）

基于TRNSYS的太阳能/空气源热泵数值模拟研究

沈玉富
（烟台荏原空调设备有限公司，山东 烟台 265500）

针对烟台地区某浴室的并联式太阳能热泵系统，以TRNSYS程序为平台，采用HVAC library模块，建立模型对并联式太阳能热泵系统进行模拟研究。通过对烟台气象数据分析得出并联式太阳能热泵系统运行方案，并对模拟结果进行研究分析得出系统全年的太阳能保证率、系统性能系数COP、热泵的供热量、集热效率与热泵的COP及其变化趋势。

太阳能热泵；TRNSYS模拟；运行分析

0 引言

早在20世纪50年代初，太阳能热利用的先驱者Jodan和Therkeld就指出了太阳能热泵的优越性，即可同时获得太阳能集热器效率和热泵系统性能的提高[1]。

1980年以后，太阳能热泵系统得到人们的广泛关注，Chaturvedi对太阳能热泵系统进行了一系列试验研究，其研制出的太阳能热泵系统蒸发器温度一般高于环境温度0～10℃，具有优越的热泵循环性能[2]。

Freeman TL.等利用TRNSYS软件对并联式、串联式和混合式3种非直膨式太阳能热泵系统进行了较全面的模拟研究，研究表明，空气作为热源的情况下，并联式太阳能热泵系统最实用，且比串联式和混合式系统的热性能更优越[3]。

本文以烟台地区某职工浴室的并联式太阳能热泵系统为例，分析该地区天气状况下其运行特性。系统由太阳能集热系统和空气源热泵系统并联组合而成，如图1所示。其最高日设计用水量10t，供热水箱热水设计温度为55℃。主要采用TRNSYS瞬时系统模拟程序[4]进行模拟研究。采用专用的Tess模块中的热泵系统模块，以及标准模块库中的一些相关模块，同时以TRNSYS模拟程序为平台，建立需要的并联式太阳能热泵系统模型。

图1 并联式太阳能热泵系统

1 仿真模型

太阳能热泵热水系统的总模块是由若干个模块通过传递的信息流连接起来，图2是通过TRNSYS建立的太阳能热泵系统模型。

图2 太阳能热泵系统模型

1.1 模拟假设条件

（1）系统耗热量计算时的冷水温度为固定值15 ℃，每日固定10 t用水量；（2）热泵系统的循环水泵能耗较热泵运行能耗比很小，忽略不计。（3）系统各月热损失率在10％～20％之间[5]。

1.2 设置气象参数

典型气象年是经过精细整理选取的共有8760h的逐时气象资料组成的气象参数数据集，包括干、湿球温度、太阳辐射强度、风速及风向等。“TMY2”[6]方法是取长年代中有代表性的某年的一个月的气象台测试值组成12个月的数据作为的8760h原始测试值。本文气象数据采取由气象数据生成软件METEONORM生成的TMY2典型气象年参数数据。

1.3 系统最优方案的选择

该系统白天主要采用太阳能集热系统集热，以利用少量的电能获得所需要的热量；夜间主要采用热泵系统集热，利用电谷时间段电费低的优点来减少系统运行费用。系统选择最优方案时，采用最不利天气状况（1月）的气象数据作为设备运行参数选择的依据，避免系统实际运行中出现无法满足使用要求的情况。

太阳能集热器总采光面积计算公式[7]：

式中 Ac——集热器总采光面积，m2；

m——设计日用热水量，t/d；

tend——热水的最终温度，℃；

tL——水的初始设计温度，℃；

f——太阳能保证率，烟台地区太阳能资源较丰富，取0.5；

JT——年平均或月平均日太阳辐射量，kJ/m2；

ηd——集热器年或月平均集热效率，取0.45；

ηL——管路及蓄热水箱热损失，根据经验值取0.15。

热泵机组的制热量计算公式[8]：

式中 Q——热泵机组设计平均每秒供热量，kJ；

c——水的比热，kJ/（kg•℃）；

m——热水质量，kg；

H——热泵机组设计工作时间，h；

Tr——热泵加热水的最终温度，℃；

T0——蓄热水箱中初始水温，℃。

根据式（1）、式（2）计算出加热10 t水需要集热器面积为131 m2、热泵制热量为77 kW。

根据该地区全年气象变化制定系统全年运行控制策略，如图3、图4所示，太阳辐射强度随着时间的增加先上升后缓慢下降，约在2920～3650h（5月）太阳的辐射达到最高值，约在6500～7300h（10月）太阳辐射较弱。温度曲线随着时间的增加也是先上升后缓慢下降，最高值区间出现在约5110～5840h（8月）。

图3 烟台全年太阳辐射变化

图4 烟台全年温度变化

根据该地区气候特点（冬季寒冷、夏季雨量丰富），并充分考虑节约能源，对各月的控制策略提出要求。通过设置系统模型中时间控制器的参数来调整热泵夜间运行时间。以满足水箱水温设计要求和热泵夜间运行时间最少为前提，得出各月最佳运行策略表，如表1所示。

表1 各月热泵夜间运行时长

系统模拟控制策略：每天系统供水时间18：00～20：00，供热水箱设计水温为50℃。夜晚电谷时段（23：00～08：00）为热泵加热时间，依据表1不同月份热泵夜间加热时间不同；第二天白天（08：00～17：00）太阳能集热单元采用温差控制原理对水进行加热，时段（15：00～18：00）为热泵辅助加热；给水泵定时（22：00～23：00）给蓄热水箱中加入自来水。

2 全年系统模拟结果及性能分析

对于整个太阳能热泵热水系统，太阳能保证率f、系统的供热性能系数COP是重要的评价指标[9]。系统模拟采用月控制策略得出全年月集热量及能耗量，如表2所示，作为计算全年各月系统运行性能指标的计算基础。

由表2可得，系统全年总的热量为43.19×107kJ，系统年运行能耗约为9.44×107kJ。太阳能热泵热水系统年节省量QSAVE为太阳能集热系统年集热量QS和热泵热水系统年节省量QSAVEH之和。由表2得，QS=18.8×107kJ；热泵热水系统年节省量即热泵单元集热量与热泵能耗的差值，QSAVEH=QHWH=15.01×107kJ；所以该系统年总节省量QSAVE=33.81×107kJ，相当于节省电能93916.67kW•h。

从图5可以看出，太阳能集热系统集热量和热泵系统集热量处于此消彼长的状态。一年中整个系统总集热量夏季较低，冬季较高；太阳能集热系统集热量夏季较高，冬季较低。由于并联的2个系统各月集热量的比不同，且太阳能集热系统能耗较小，所以系统在各月单位热水所需能耗有很大的差别，而从整体上看，该系统夏季运行能耗较少，冬季运行能耗较高。

图6、图7为系统月平均供热量、总耗功及COP值变化趋势。从1月到7月，平均COP曲线呈逐渐上升趋势，到7月份COP值达到最高7.46，之后曲线为单一下降趋势。由表2可知，系统月平均供热量为3.60×107kJ，月平均总能耗0.78×107kJ，月平均COP值为4.65，系统整体的供热性能良好。

由图8可以看出，太阳能保证率曲线随着太阳辐射曲线变化而变化，遵循先升高后降低的总体规律，其值在0.23～0.71之间变化。由于夏季雨水雾气的影响，图中7月、8月太阳辐射强度有明显降低，导致太阳能保证率也有降低。可见，太阳辐射强度是影响太阳能保证率的主要因素。

由图9可知，热泵系统COP在1.67～3.53之间变化，由于夏季气温较高，热泵运行性能系数也提高了，所以6月、7月、8月热泵系统COP值较高。集热效率曲线随着月份的增加，呈现先上升后下降的趋势，其值在0.28～0.55之间变化。

图5 加热单元各月集热量

表2 全年月集热量及能耗量

图6 系统各月供热量及总能耗变化

图7 系统各月COP变化

图8 系统各月太阳能辐射和太阳能保证率变化

图9 热泵系统COP和集热效率变化

3 结论

本文介绍了并联式太阳能热泵系统及其仿真模型，并通过模拟得出系统全年模拟结果，又利用性能评价指标分析得出系统全年重要性能参数的变化规律。文中研究结果表明，太阳能热泵热水系统年节省能量33.81×107kJ，相当于节省电能93916.67kW•h，并通过分析发现，太阳能集热系统与热泵系统在不同月份集热比例差异较大，太阳能集热系统集热比例夏季较大，冬季较小，热泵系统则相反。系统性能系数COP先增加再减小，在7月份达到最大值。

[1]Chaturvedi S K,Chiang Y F,Roberts A S.Analysis of Two—Phase Flow Solar Collectors with Application to Heat Pumps[J].Journal of Solar Energy Engineering,1982（104）：358～365

[2]Tripanagno Y,Stopoulos.Solar Collectors with Colored Absorbers[J].Solar Energy,2000，68（4）：100～102

[3]Freeman T L,Mitchell J W,Audit T E.Performance of combined solar-heat pump systems[J].solar energy,1979，22（2）：125～135

[4]陈雁.太阳能辅助空气源热泵供暖实验和模拟研究[D].天津：天津大学，2006

[5]中国建筑科学研究院.太阳能供热采暖工程技术规范（GB50495—2009）[M].北京：中国建筑工业出版社，2009

[6]Marion W,Urban K.Users Manual for TMY2s Typical Meteorological Years[M].National Renewable Energy Laboratory,1995

[7]Beckman W A.Modern Computing Methods in Solar Energy Analysis[J].Solar Energy,1995，55（1）：21

[8]Cervantes J G,Torres-Reyes E.Experiments on a solar assisted heat PumP and an exergy analysis of the system[J]. Applied Thermal Engineering，2002（22）：1 289～1 297

[9]Kuang YH,Wang R Z,Yu L Q.Experimental study on solar assisted heat Pump system for the heat supply[J].Enegry Conversion and Management,2003，44（7）：1089～1098

2014-12-04

沈玉富（1977—），女，黑龙江人，工程师，主要从事冷冻空调及专利技术的分析与研究。