串、并联式太阳能空气源热泵供热系统性能数值研究与对比

李海林 李绍勇 韩喜莲 吴宗礼

串、并联式太阳能空气源热泵供热系统性能数值研究与对比

李海林 李绍勇 韩喜莲 吴宗礼

（兰州理工大学土木工程学院 兰州 730050）

为解决北方地区冬季采暖和空气污染等问题，太阳能与热泵等新型节能减排技术得到了越来越多的关注与应用。鉴于此，提出了串、并联式太阳能空气源热泵供热系统（Heating System of Solar Assisted Air Source Heat Pump, HSSAASHP）设计方案及其运行模式。以兰州地区某办公楼作为供热对象，基于TRNSYS（Transient System Simulation Program）对其串、并联式HSSAASHP分别进行了组态和运行状况进行了数值模拟及性能分析。结果表明：串、并联式HSSAASHP在理论上都是可行的，且前者在节能方面表现优于后者。此外，基于粒子群算法（Particle Swarm Algorithm, PSA）来优化串联式HSSAASHP的部分关键参数，进一步降低其运行成本，从而获得节能、降耗和减排的综合效益。

太阳能；空气源热泵；混合供热系统；粒子群算法；节能减排

0 引言

太阳能可视为永不枯竭的清洁能源，也是最重要的可再生能源。在建筑能耗中，生活热水、供热采暖和制冷等能耗约占45%[1]，是建筑节能的重点领域，而其中民用建筑的用热需求，如供暖热水及生活热水的制备，其温度值较低，恰好对应了太阳能能流密度低的特点。因此，在建筑的热需求方面利用太阳能这种廉价、丰富且持久的可再生能源与不同形式系统进行整合，来解决建筑能耗问题，就能够大幅降低当今社会对常规能源的依赖[2]，从而获得良好的节能减排效益。

传统太阳能热水系统以电辅助加热器来克服太阳能热利用的不稳定性，而太阳能热泵混合系统是将热泵作为太阳能供热系统的一部分，从而进一步降低对电力资源的依赖；同时也可克服太阳能热利用的不稳定性。且理论上，将电辅助替换为热泵辅助，使得太阳能热泵混合系统的运行更加稳定与高效[3]。太阳能热泵系统根据太阳能集热器与热泵蒸发器的结合方式，可分为直膨式和非直膨式两大类，而非直膨式又可分为串联、并联和混联式[4]，分别是指太阳能与水源热泵、太阳能与空气源热泵和太阳能与双源（空气源和水源）热泵的组合方式。

目前国内外学者对于太阳能与热泵混合系统或是新型热泵系统已做了许多理论分析与实验研究。其中，Bagarella G等人[5]研究了混合式热泵并行系统和选择系统的差别；截止温度该怎么选择，不同的截止温度对系统有何影响；是否并行系统就比选择系统更节能。结果表明，当选用额定功率为10.8kW的大容量热泵时，两种系统无差别；当选用额定功率为3.9kW的小容量热泵时，模拟结果显示截止温度为-1℃时有最小能耗，且并行系统比选择系统的节能效果高5%。Deng W S等人[6]进行了改进的直膨式太阳能热泵热水器与传统太阳能热泵热水器的加热时间与性能系数（Coefficient of Performance, COP）的研究与比较；并讨论了制冷剂流量分配，蒸发器与集热器的面积分配，太阳辐射及室外空气温度对改进型系统的影响。将改进型与传统型系统相比较，前者在低太阳辐射下有更好的性能；改进型系统可同时吸收太阳能与空气能，为系统运行保持更高的蒸发温度和具有更好的COP与加热能力。但是，环境温度在低太阳辐射条件下对改进型系统影响大，环境温度的降低会恶化该系统性能。Amir A S等人[7]对安装于加拿大某住宅的两级变容量空气源热泵进行了夏季与冬季对照试验，并进行了TRNSYS模拟。结果显示在供冷模式下：室外温度在16～33℃间，COP在4.7～5.7之间变化；而供热模式下：室外温度在-19～9℃，COP在1.79～5.0之间变化。朱霞等人[8]对热泵在前，集热器在后的串联式系统，即HP(Heat Pump)+SC(Solar Collector)与集热器在前，热泵在后的串联式系统SC+HP进行了研究与对比。主要结论是太阳能热泵系统中的SC与HP串联结合的先后顺序对系统中的热泵性能有较大影响。在南京冬季典型晴天下，当集热器的面积一定时，随着太阳辐射强度的增加，HP+SC系统中热泵的性能优于SC+HP系统中热泵的性能，热泵COP最大可提高6.65%。由此可见，太阳能与热泵的组合方式将能够充分发挥节能减排的潜力。

为了解决民用建筑物冬季采暖和室外空气污染等问题，本文将太阳能与空气源热泵组合为联合供热系统，提出A、B、C和D四种运行模式；且受到文献[4]与[8]的研究思路启发，将系统中的SC与HP冷凝器进行适当的组合，该HSSAASHP分为串联式和并联式，如图1所示。借助TRNSYS软件，分别对两系统进行组态和仿真运行，并对比其供热性能与耗电表现。对于节能表现更佳的串联式HSSAASHP，以系统运行成本为目标函数，进一步运用粒子群算法（Particle Swarm Algorithm, PSO）对SC面积和安装角度、蓄热水箱体积和HP额定功率等关键参数进行优化，从而降低其运行成本，彰显绿色节能与降耗减排的设计理念和目的。

1 HSSAASHP组成及其运行模式

基于兰州地区太阳能辐射量的优势与气候条件，对该市某办公楼的HSSAASHP进行了设计。其主要设备包括太阳能集热单元、空气源热泵单元、蓄热水箱、循环水泵和温度测量、控制元件等主要设备，其工艺流程图如图1所示。

图1 串、并联式HSSAASHP系统运行工艺图

通过太阳能集热单元与空气源热泵单元，HSSAASHP能够分别获取可再生绿色能源-太阳能与空气能，来共同加热采暖供水，保证所需的供水温度达标，满足该办公楼所需的热负荷，并降低整个联合供热系统的运行能耗。

1.1 HSSAASHP运行模式

根据气象条件的变化，该HSSAASHP分为冬季采暖模式，包括A、B和C三种方式，以及夏季与过渡季节制备热水模式D。当冬季采暖模式运行时，预先手动开启截止阀SV-1和SV-2和关闭截止阀SV-3。当夏季与过渡季节制备热水模式运行时，预先手动开启截止阀SV-3和关闭截止阀SV-1和SV-2。

供热模式A：当太阳辐射充足，SC出水温度out≥40℃时，温度控制器TC发出指令，使得电磁二通阀EMV-1和EMV-4得电开启，EMV-2、EMV-3和EMV-5失电关闭，且热泵STOP。SC出水直接流经管路BD进入蓄热水箱后，通过分水器流经办公楼的采暖子系统释放热量，返回集水器再次进入SC加热，循环往复。

供热模式B：当太阳辐射不足，SC出水温度out＜35℃时，温度控制器TC发出指令，使得热泵START和EMV-5关闭。同时，依据out大小，温度控制器TC发出指令，对其余4个电磁二通阀开启或关闭。

若out低，则EMV-1和EMV-3得电开启，而EMV-2和EMV-4失电关闭。供热回水流向为A—SC—B—C—ASHP冷凝器—D—蓄热水箱，先后由SC与ASHP加热，即串联式；若out较高，则EMV-1、EMV-2和EMV-4得电开启，而EMV-3失电关闭。供热回水流向分别为A—SC—B—D—蓄热水箱和A—C—ASHP冷凝器—D—蓄热水箱，分别由SC与ASHP加热后，在蓄热水箱汇合，即并联式。

供热模式C：当无太阳辐射时，温度控制器TC发出指令，使得EMV-2得电开启，EMV-1、EMV-3、EMV-4和EMV-5失电关闭，且热泵START。供热回水流向为A—C—ASHP冷凝器—D—蓄热水箱。

制备热水模式D：为充分发挥系统效益，SC在夏季与过渡季节单独运行，为办公楼及其附近居民区用户提供生活热水。温度控制器TC发出指令，使得热泵STOP 和EMV-1、EMV-4得电开启，而EMV-2、EMV-3失电关闭。SC出水流经管路BD进入蓄热水箱，温度测量变送器TT2检测蓄热水箱的温度tank，并将其值传送于温度控制器TC。若tank＜tank,set=50℃，TC发出指令，使得EMV-5失电关闭，则蓄热水箱出水流经管路EFA，通过SC侧水泵循环进入SC，吸热温升，然后流经管路BD进入蓄热水箱，出水再流经管路EFA进入SC，循环往复，直至tank≥tank,set。TC发出指令，使得EMV-5得电开启，向楼宇用户及附近居民区供应热水。随着热水的不断供应，蓄热水箱的液面会逐渐下降。当降至设定值时，浮球式进水阀FV自动开启，为蓄热水箱补水，直至液面恢复设定值， FV自动关闭。

1.2 串、并联式HSSAASHP的切换

本文引入一个切换温度switch概念来实现HSSAASHP串、并联式的转换，根据switch大小，串、并联式进行自动切换的条件式如下：

这样，在冬季采暖期间，HSSAASHP依据switch可自动地进行串、并联式的切换，在本质上是将供热模式B做了进一步划分。

1.3 基于TRNSYS的HSSAASHP组态

为了建立一个共同的比较基础，两系统均采用兰州地区气象数据，同类模块采用相同设计数据，保证相同的供热时间表与供热温度等。

此外，两系统采用相同工作时间曲线，即一天当中的6时至18时，以此来模拟某办公室低温地暖辐射供热，虽然该时间曲线并不完全符合实际情况，但足以满足本文的不同系统的效益比较。

1.3.1 并联式HSSAASHP组态

并联式HSSAASHP中关键是SC单元的循环控制，ASHP与ASHP侧水泵的启停控制。前者是通过SC单元进出口温差对SC侧水泵的启停控制来实现，组态原理如图2所示。

图2 SC单元循环控制连接图

对于SC单元侧循环水泵的控制：当SC单元进出口温差大于8℃时，该水泵START，直至进出口温差小于2℃时，水泵STOP。

ASHP与ASHP侧水泵的启停控制则由设定供水温度40℃与实时水箱顶层温度的差值变化来实现，二者的启停是同步的，组态原理如图3所示。

图3 ASHP控制连接图

为保证供水温度保持在35℃至45℃之间，计算器模块对输出控制函数T与负荷函数time进行计算，输出的ASHP控制信号如下：

式（2）中INT为取整函数，即只有当温度控制函数输出与负荷函数输出同时为1时，计算器输出函数值1，ASHP与ASHP侧水泵同时START，否则，计算器输出函数值0，ASHP与ASHP侧水泵同时STOP。

1.3.2 串联式HSSAASHP组态

串联式HSSAASHP中与并联式不同的在于ASHP侧水泵的控制。组态原理如图4所示。

图4 串联式HSSAASHP的ASHP侧水泵控制连接图

图4中计算器模块对SC侧循环水泵控制器的输出函数与负荷函数进行计算，输出的ASHP侧水泵控制信号如下：

式（3）中INT为取整函数，NOT为逻辑非函数，即当SC单元侧水泵STOP，输出函数0，同时负荷曲线函数输出为1时，计算器输出函数值1，ASHP侧水泵START，否则，ASHP侧水泵STOP。

这里需要说明的系统关键模块如下：

（1）Type1b模拟平板太阳能集热器的热性能，集热器面积统一设置为4m2，流体比热设置为4.19kJ/(kg·K)，其它数据均采用默认设置。

（2）Type4c模拟可内置辅助加热器的分层水箱，设置6个等大小的节点，以此来模拟蓄热水箱内部由上而下水温逐渐降低的温度分层现象。水箱上部温度高，用于取水，下部温度低，用于换热。这样的方式将进一步提高系统的换热能力。

（3）Type2b微分控制器用来实现对2个循环水泵和ASHP的START/STOP控制，控制函数的输出0或1取决于差值函数(H-L)与两个死区温差Upper dead band dT与Lower dead band dT的比较。控制函数的新值取决于上一时间步骤中输入控制函数的值。控制器通常将输出信号函数连接至输入信号函数提供滞后效应。

（4）Type11b调温阀将加热的液体与较冷的供水混合，避免流向负荷的水温高于设定温度。

（5）Type14b建立一条与时间相关的强制函数，并具有重复模式。该函数由一组离散的数据点组成，每个数据点对应函数在一个周期内的不同时刻的值。设置=24，以此模拟每天24h负荷侧供水流量。

2 数值模拟结果与分析

在兰州地区气象数据条件下，选取供热季节典型日1月22日，数值模拟串、并联式HSSAASHP的蓄热水箱顶层温度变化，ASHP和两个循环水泵START/STOP状况，分析相应的运行能耗。

图5所示为该典型日的室外温度与太阳能辐射强度的实时变化，可见9时至18时为太阳辐射时间，13时至16时处于峰值，而室外温度的变化相较太阳辐射的变化略有滞后。

图5 供热期间典型日室外温度与太阳辐射强度逐时变化图

在1月22日气象条件下，串、并联式HSSAASHP蓄热水箱顶层温度变化及ASHP启停状况分别如图6，图7所示。

分析图6和图7可知，在供热时间段内，串联式系统中的ASHP启停次数频繁，致使水箱顶部温度波动剧烈。而并联系统的ASHP启停仅为3次，水箱顶部温度变化也更加平缓。这是由于在太阳能与热泵联合供热模式下，并联式系统在结构形式上表现出的天然优势，即SC单元与ASHP分别加热部分供热回水，蓄热水箱发挥了其混合储热作用，储存了部分热量为下一时段的先混合后供热做好了准备，使得ASHP不用频繁启停。

图6 串联式HSSAASHP中蓄热水箱顶部温度变化与ASHP启、停和运行状况

图7 并联式HSSAASHP中蓄热水箱顶部温度变化与ASHP启、停和运行状况

图8 串、并联式HSSAASHP的SC侧水泵启、停信及其运行状况

如图8所示为两系统SC侧水泵启停信号，对照该典型日太阳辐射强度变化情况，两系统的集热器收集太阳能时间，均在当日太阳辐射较好的9时至17时，串联式系统有微弱优势，差别不大。

图9 串、并联式HSSAASHP的ASHP侧水泵启、停及其运行状况

图9所示是两系统ASHP侧水泵启停信号，串联式系统中ASHP侧水泵运行时间仅为4h，而并联式系统则有7h左右。这是由于串联系统中ASHP侧水泵只有在热泵单独供热模式下运行从而节约电能，相较之下，并联式系统中ASHP侧水泵则要在热泵单独供热模式及太阳能热泵联合供热模式下运行。从图中也可看出串联系统在6时至9时与17时至18时由热泵单独供热，对比该典型日太阳辐射强度的实时情况，说明在无太阳辐射情况下由热泵独立承担供热负荷。

两种系统运行下的主要性能参数，包括太阳能保证率和ASHP的COP值等，及耗电表现如表1所示。

表1 典型日两系统运行状况的主要参数

从表1的两系统相关性能参数的比较可见，串联式系统与并联式系统各有优势，串联式系统中SC单元对水流进行预加热使热泵冷凝器入口温度有所升高，理论上会影响热泵性能，结果也表明串联式系统中热泵COP在3.75～4.74，而并联式系统则为4.19～4.77。但在供热季节典型日的系统运行能耗方面，SC侧水泵耗能串联式系统略高于并联式系统，ASHP侧水泵耗能串联式系统为并联式系统的二分之一，ASHP耗能串联式系统同样小于并联式系统，致使串联式系统相较并联式系统节能2719kJ，同时多收集2465kJ太阳能，太阳能保证率因此也略高一些。

3 基于粒子群算法的串联式系统参数优化

通过以上分析对比，串联式HSSAASHP在节约运行能耗方面更有优势。而HSSAASHP的经济性不仅要考虑运行能耗，同时还取决与各个主要设备的结构参数、布局方式及运行维护费用等因素。因此本文利用粒子群算法对串联系统的SC角度和面积，集热水箱体积，热泵额定功率等关键参数进一步优化，使HSSAASHP的经济性更具优势。

粒子群算法是受鸟类觅食启发而提出的一种进化算法[9,10]，该算法分为带惯性权值的粒子群算法与带收缩因子的粒子群算法。两种方法在测试函数中表现出各自优势，但惯性权值方法中的一般设置惯性权值递减，致使寻优后期探索新区域能力下降，而收缩因子方法则不存在此不足。因此本文选择带收缩因子的粒子群算法，以串联式HSSAASHP运行成本COST为目标函数，关键参数SC面积、SC安装倾角、蓄热水箱体积和ASHP额定功率作为输入变量，忽略维护费用，构建的min表达式如下：

式中，SC为SC集热面积，m2；tank为蓄热水箱体积，m3；ASHP为ASHP额定功率，kW；1、2、3为SC单位面积价格，元/m2、蓄热水箱单位体积价格，元/m3、ASHP单位容量价格，元/kW；system为系统使用年限，年；1、2、3为SC侧水泵耗电量，kWh、ASHP侧水泵耗电量，kWh、ASHP耗电量，kWh；4为当地电价，元/kWh。

基于上式和粒子群算法，构建的优化串联式HSSAASHP关键参数的算法流程，如图10所示。

图10 基于PSA串联式HSSAASHP关键参数的优化流程图

在供热季节本年11月至次年3月内，编程运行图10所示的关键参数优化算法流程，获取的串联式HSSAASHP优化前后的关键参数及运行成本如表2所示。

表2 串联式HSSAASHP优化前后数据对比

由表2数据可见，对于串联式HSSAASHP而言，理论上SC面积越大，节能效益越显著；而SC面积的增加也需要更大的蓄热水箱tank来匹配。表中数据显示优化后SC面积减小，SC安装角度增大，蓄热水箱体积tank基本不变，热泵额定功率降低，使得费用减少1600余元。总之，SC面积与tank需要合理匹配；也说明SC、蓄热水箱与热泵的初始成本会极大影响串联式HSSAASHP运行成本的优化结果。

采用优化后的数据，再次数值模拟串联式HSSAASHP在典型日蓄热水箱顶层温度变化及ASHP启停状况，如图11所示。

图11 优化后串联式HSSAASHP中蓄热水箱顶部温度变化与ASHP启、停及其运行状况

图11与优化前的图6相比较，可知优化后的串联式系统热泵启停次数减少了，水箱顶部温度波动较平缓。但是由于优化后ASHP额定功率减小，即ASHP型号规格下降，导致COP由原来的3.75～4.74变化为3.75～4.24，下限值降低了。

4 结论

（1）本文基于TRNSYS建立太阳能空气源热泵联合供热串联系统与并联系统，对比分析得出，串联式HSSAASHP中热泵COP为3.75～4.74，相较并联式HSSAASHP的4.19～4.77有略微差距，但在耗能方面，仅模拟典型日一天即节能2719kJ，且串联式有更高的太阳能保证率。

（2）串、并联式HSSAASHP在太阳能热泵联合运行模式下，表现出各自优势，因此本文引入可在特定状况下切换两种系统形式的切换温度switch，将有利于系统效益的发挥。今后将会对串、并联式自动切换的HSSAASHP运行效果进一步探索。

（3）针对节能方面更佳的串联式HSSAASHP，利用粒子群算法优化其SC面积，SC安装角度，蓄热水箱体积及ASHP额定功率等关键参数，使系统运行成本降低1600余元，同时从优化结果得出太阳能热泵系统虽然较之传统太阳能系统节能效益显著，仅在1月即可节约近632.5kWh电能，但SC与ASHP的初始成本制约了系统应用的普及与其节能效益的进一步放大。

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Numerical Study and Comparison on the Performance of the Series-type and Parallel-type Heating Systems of Solar Assisted Air Source Heat Pump

Li Hailin Li Shaoyong Han Xilian Wu Zongli

( School of civil engineering, Lanzhou university of technology, Lanzhou, 730050 )

In order to solve the problems of winter heating and outdoor air pollution in North China, some new energy-saving and emission reduction technologies, such as solar energy and heat pump, are getting more and more attention and application. In view of this, this paper proposes a design scheme and the related running modes of the series-type and parallel-type heating systems of solar assisted air-source heat pump. Considering an office building in Lanzhou area as the heating object, based on TRNSYS software, the configuration, the corresponding operational situations and performance analysis of these two heating systems are carried out, respectively. The results indicate that both systems are feasible in theory, and the former is superior to the latter in energy saving. In addition, some key parameters of the series-type HSSAASHP are optimized by means of particle swarm algorithm (PSA) to further reduce its operating cost. Thus, the comprehensive benefits of energy saving, consumption reduction and emission reduction can be achieved.

solar energy; air source heat pump; hybrid heating system; particle swarm algorithm; energy-saving and emission reduction

TU83

A

1671-6612（2019）04-425-08

甘肃省自然科学基金（编号：1508RJZA109）

李海林（1993-），男，硕士研究生，E-mail：544292308@qq.com

2018-08-02