空气源热泵辅助热水系统的优化研究

周杰

摘 要：空气源热泵是一种广泛应用的节能环保的热水器系统，为了提升空气源热泵辅助热水系统中各关键运行数据的匹配性，本文利用仿真分析平台建立了空气源热泵辅助热水系统的结构模型，以空气源热泵工作时的生命周期成本为匹配参数，将所涉及的水箱容积、集热面积等作为优化变量，对其进行优化设计，结果表明：优化后系统的节能效果显著提升，全年的节电率达到了8.92%，单位集热面积所对应的最佳的水箱的量为72.7L/㎡，单位面积所对应的最佳的热泵功率为59.1W/㎡，为空气源热泵辅助热水系统的优化设计提供了技术了理论支撑。

关键词：空气源热泵；热水系统；集热面积；优化设计

0 引言

空气源热泵是一种将大气内的低温的热量吸收进来，任何通过流动介质的气化，将热量传递给水箱内的水的设备，具有高效、节能的特点。但当环境温度低的时候其工作效率会集聚下降，因此为了确保用户的正常使用，需要为空气源热泵配备相应的辅助热水系统，以满足不同环温条件下的正常使用。因此如何对辅助热水控制系统的参数设计进行优化匹配，提高工作效率、降低电能消耗就显的至关重要。本文利用TRNSYS仿真分析软件，搭建了空气源热泵机辅助热水系统的仿真分析模型，以空气源热泵工作时的生命周期成本为优化目标，对其进行仿真分析，最终确定了最佳的参数匹配数据，极大的提升了空气源热泵工作时的经济性和可靠性。

1 仿真算法优化流程

利用TRNSYS仿真分析软件建立空气源热泵及辅助热水系统的仿真分析模型，将其并入到CENOPT算法优化程序中，进行参数匹配优化，在优化时设置优化变量A为集热器的面积，设优化变量B为集热器的倾斜角，设置优化变量C为辅助热水系统水箱的容量，设置热水系统的热泵功率为D，同时对仿真分析时候的加速因子、分析时的步长以及步长的收缩率、系统优化分析精度进行设置，在进行分析时，利用每一步迭代后的参数驱动仿真分析模型对此参数配置情况下空气源热泵辅助热水系统的工作性能进行分析，根据分析结果修正迭代数据并进一步优化，直到所获得的参数匹配满足设定的优化目标。化变量A的范围为79㎡≤A≤206㎡，设置优化变量B的范围为18°≤B≤35°，设置优化变量C的范围为5.6m3≤C≤12.9 m3，设置优化变量D的范围为7kW≤B≤27.6kW。

2 优化方程及优化结果

在进行优化时，以空气源热泵辅助热水系统的生命周期成本为优化目标函数，根据全国平均的集热器、

供水系统、管路附件等成本，所建立的生命周期成本的目标函数为可表示为[2]：

由仿真分析结果可知，在不断优化迭代的过程中系统的生命周期函数不断降低，经过约140次的优化迭代后，空气源热泵复杂热水系统的生命周期成本最低且基本处于稳定的状态，此时表明当集热器的面积为154㎡，集热器的工作倾角为21°，辅助水系统水箱的容积为11.2m3、功率为9.1kW情况下该空气源热泵辅助热水系统具有最低的生命周期成本。

3 优化前后的对比分析

由对比分析结果可知，在优化过程中该空气源热泵辅助热水系统的水箱的容积和集热器的面积的比值约为72.7L/㎡，系统的热泵功率和集热器的面积的比值约为59.1W/㎡，热水泵系统工作时的最佳的倾角约为当地纬度再减6°，因此在实际配置的时候可以以此为匹配原则对空气源热泵与辅助热水系统的匹配参数进行优化设计。

以COP表示系统的性能系数[4]，则本文选择2018年12月1日～12月10日，连续十天对优化前后系统的性能分布情况进行研究，结果如图3所示。

由实际测试结果可知，优化后系统在同等条件下的性能系数要优于优化前系统的性能系数，由此证明了该优化结果的准确性，经优化后系统能够最大限度的优先对太阳能进行利用，合理的设置辅热水系统的工作参数，有效降低工作时的耗电量，经分析，优化后系统全年的耗电量能够比优化前降低约8.92%。

4 结论

为了合理设置空气源热泵和辅助热水系统工作时的性能参数，达到节能的效果，本文利用仿真分析软

件和系统优化分析软件，對不同参数配置下析它的工作特性进行仿真分析，根据优化迭代及实际验证结果表明：①当集热器的面积为154㎡，集热器的工作倾角为21°，辅助水系统水箱的容积为11.2m3、功率为9.1kW情况下该空气源热泵辅助热水系统具有最低的生命周期成本；②生命周期成本最低情况下，空气源热泵辅助热水系统的水箱的容积和集热器的面积的比值约为72.7L/㎡，系统的热泵功率和集热器的面积的比值约为59.1W/㎡，热水泵系统工作时的最佳的倾角约为当地纬度再减6°；③经优化后系统能够最大限度的优先对太阳能进行利用，合理的设置辅热水系统的工作参数，有效降低工作时的耗电量，系统全年的耗电量能够比优化前降低约8.92%。

参考文献：

[1]旷玉辉，王如竹，许煜雄.直膨式太阳能热泵供热水系统的性能研究[J].工程热物理学报，2004，25（5）：737-740.

[2]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：重庆大学，2011.

[3]刘丽军.太阳能辅助空气源热泵在生活热水工程中的应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

[4]姚盼，袁艳平，孙亮亮，等.基于交互试验的热水系统太阳能保证率影响因素研究[J].太阳能报，2017，38（2）：400-408.