川西藏区空气源热泵运行优化研究

刘巧娟 魏鹏 刘优优

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

0 引言

由于川西藏区独特的低温、高湿气候特征，使空气源热泵在该地区应用时会出现制热量下降、结霜、机组不能启动或死机的情况[1]。故对空气源热泵运行方式进行优化是解决川西藏区空气源热泵运用的关键问题。

在运行优化方面，张晓林等[2]基于TRNSYS 软件分别建立了空气源热泵的变水流量和定水流量模型，通过模拟仿真结果表明变水流量节能率可达10.3%。杜彦[3]通过TRNSYS 软件对某建筑的空气源热泵直接地板辐射供暖系统的几种运行方式进行模拟，得出白天运行夜间停机的方式最佳。Oussama Ibrahim[4]建立空气源热泵系统的动态模拟模型，结论显示采用微型冷凝器增加了系统的COP，节省了能源。Kezhi Yu[5]运用TRNSYS 软件对一所大学的教学楼空调系统不同控制策略下进行模拟得出新的控制策略下系统的节能率可达15.27%。基于此本文提出蓄热运行的优化策略，使空气源热泵高效稳定的运行。

1 模型简介

1.1 建筑模型

建筑模型为两层独栋住宅建筑，砖混结构，无外保温，外墙传热系数2.5 W/(m2·K)，外窗向阳面采用单层玻璃窗，背阳面为双层玻璃窗，门窗的传热系数按寒冷地区建筑节能标准计算。上下共两层，总面积240 m2，一层层高3.5 m，二层层高3.0 m，塑钢双层玻璃窗，整栋建筑均用空气源热泵供暖，一层为起居室，二层为主卧室。换气次数0.5，体型系数0.3，窗墙面积比：北-0.25，东西-0.3，南-0.45[6]。

1.2 系统参数

本文建筑模型为两层独栋住宅建筑的空气源热泵系统，室外温度制热量修正系数取0.4。水箱体积为1 m3，供水温度为45 ℃，供回水温差为5 ℃[7]，系统各部件初始参数如表1 所示。

表1 空气源热泵系统设计参数

1.3 TRNSYS 模型

参考魏鹏[8]对川西藏区供暖现状的调研分析，本文建立独栋居民住宅空气源热泵热水机风机盘管供暖末端系统，利用典型年气象参数和中国气象数据网发布的2017 年供暖季的数据，基于分区域结霜图谱，采用K-means 法以结霜频率为指标将川西藏区35 个供暖县市聚为Ⅰ～Ⅳ4 类，Ⅰ类地区聚类中心为乡城，Ⅱ类地区聚类中心为石渠，Ⅲ类地区聚类中心为红原，Ⅳ类地区聚类中心为康定[9]。利用TRNSYS 软件建立完整的动态空气源热泵系统模型，对西藏区聚类中心的四个城市进行在供暖季的全天连续运行和白天运行夜晚停机即蓄热运行的方式进行模拟运用TRNSYS 软件首先搭建建筑负荷计算模型，气象参数取各城市的数据[10]，运行时先进行负荷统计再由在线输出模型输出负荷模拟及室外温度图，其负荷计算模型示意图如图1 所示。

图1 负荷计算模型图

以1 h 为时间步长模拟，运行时间为整个供暖季11 月15 日到次年3 月15 日，房间温度控制在19 ℃±1 ℃。以红原县为例进行详细模拟分析，首先获得红原县该栋居民建筑整个供暖季的负荷及室外温度逐时模拟值如图2 所示，可以看出负荷整体表现出的趋势是供暖中期大，初期和末期小，在9120 h 负荷达到最大，为-19.09 kW。

图2 供暖季负荷及室外温度模拟图

再取典型供暖日1 月15 日，得到该天的逐时负荷及室外温度模拟值如图3 所示，从图中可以看出在凌晨8 时负荷最大为-18.98 kW，在下午15 时负荷最小为-5.31 kW，日负荷变化近似呈现为横着的“S”型。

图3 典型供暖日负荷及室外温度变化曲线

2 系统模拟

2.1 空气源热泵数学模型

2.1.1 热泵机组数学模型[11]

空气源热泵制热工况下性能系数：

空气源热泵制热工况下源侧吸热量：

式中：COPa为空气源热泵能效比；QAHP为空气源热泵制热量，kW；PAHP为空气源热泵功率，kW。

空气源热泵制热工况下出口空气的温度、出水的温度：

式中：Qa为空气源热泵蒸发器从热源侧提取的热量，kW；Ta,in、Ta,out为蒸发器侧进、出口空气温度，℃；cp,air为空气的定压比热容，kJ/（kg·K）；Tl,in、Tl,out为冷凝器侧进、出口水温度，℃；为蒸发器、冷凝器侧载热介质质量流量，kg/s。

2.2.2 风机盘管数学模型

图4 为风机盘管示意图。为了便于数学模型的建立首先做如下假设：①干空气和空气中的水蒸气都当做理想气体，并忽略流体密度与热容的变化。②湿空气与盘管换热器外表面的冷凝水膜之间的热质交换达到平衡，则刘伊斯数看成常数1。③管内流体温度Tw只沿管长方向变化，沿半径方向的温度分布是均匀的。④等厚度矩形板翅片的性能可以通过定义等效环形翅片来近似[12]。

图4 风机盘管示意图

则流体的出口温度可由下式计算：

式中：Tfluid,in为流体进口温度为流体的质量流量为流体吸收的热量，kJ/h。

流体吸收的热量为：

流出盘管的空气的焓值：

源侧的吸热量为：

式中：hair,out为空气出口的焓值，kJ/kg；hair,in为空气进口的焓值，kJ/kg。

2.2 系统模型搭建

本模型为居民住宅建筑空气源热泵热水机风机盘管供暖末端系统，模型的搭建通过瞬态系统模拟软件TRNSYS 实现，所用部件模型主要有气象数据模型Type109、空气源热泵模型Type917、水泵模型Type3b，风机模型Type112b，风机盘管模型Type753e等，如图5 所示。

图5 空气源热泵系统运行模型示意图

系统主要由三个环路构成，外加输入与输出设置，控制部分主要是每天运行时间下热泵的启停控制，模拟时间为整个供暖季，蓄热和全天运行工况区别在于参数设置。

3 模拟结果与分析

3.1 室内温度模拟

通过空气源热泵系统运行时间的控制实现全天和蓄热两种运行工况，以0.125 h 为时间步长，设定室温为19 ℃±1 ℃，得到整个供暖季室内温度模拟如图6所示。

图6 供暖季室内温度模拟图

比较图6（a）和图6（b）可以看出，两种运行模式下建筑室内温度变化基本一致，一楼比二楼室温略高1 ℃，是由于二楼屋顶散热的原因。二楼室内温度绝大多数在设定室温范围内，但均有一定波动，这是由于在一个时间步长内，风机只能实现启或停一种模式，另外可以看出，采用蓄热工况室温波动只有几个时刻略大于全天工况，因此，可以得出蓄热运行不会对室温造成过大影响。

图7 典型供暖日室内温度变化曲线

取典型供暖日1 月15 日，以二楼为例模拟两种工况下空气源热泵的室内日温度变化情况，如图7 所示，可以看出蓄热运行工况下室温变化范围较大，在早上11:00 时温度最高为19.6 ℃，而在早上8:00 时温度最低达到16.6 ℃。这是由于蓄热工况下夜晚停机，白天从8:00 时开始运行，故在早上8:00 时室内温度最低。

3.2 能耗模拟

通过设置模型输出，得到空气源热泵蓄热、全天两种运行工况下的空气源热泵系统各能耗的对比图，如图8 所示。由图8 可以看出在蓄热运行工况下，水泵的能耗为234.83 kW·h，总能耗为11804.85 kW·h，全天运行工况下水泵的能耗为322.56 kW·h，总能耗为13956.91 kW·h。可见热泵机组能耗为系统的主要能耗，水泵能耗只占特别小的一部分，且蓄热运行工况下的各能耗都低于全天运行工况。

图8 蓄热、全天运行工况下各能耗对比图

图9 为空气源热泵蓄热、全天两种运行工况下的空气源热泵系统整个供暖季各月份的能耗柱状图，由图9 可以看出，供暖季的每个月份蓄热运行工况的总能耗总是小于全天运行工况的，且供暖季中期1 月份的总能耗最大，12 月份和2 月份次之，而供暖季前期和末期的总能耗最小。

图9 供暖季各月能耗柱状图

3.3 功率模拟

图10 给出空气源热泵系统在典型供暖日1 月15日全天和蓄热两种工况下的逐时总功率模拟图，图中功率为零时表示室内温度达到设定范围机组停机。可以看出在全天运行工况下机组启停频繁，而蓄热运行工况下机组几乎只在白天8:00-18:00 之间的时间内运行，夜晚一直停机。这是因为蓄热运行有一蓄热装置可以把白天机组的多余制热量储存起来在晚上停机时利用，这样既能节能又减少机组的启停次数，可以增加热泵机组的使用寿命。

图10 典型供暖日逐时总功率模拟图

而川西藏区的结霜频率时空分布特征为夜晚和凌晨结霜更严重，采用蓄热运行工况时热泵机组在轻结霜时段运行，这样很好的避开了结霜较严重的时段，使机组高效稳定的运行。

4 同一工况下不同城市的对比

前文以红原县为例进行了空气源热泵系统的模拟运行及详细的分析，同理对川西藏区聚类中心城市康定、石渠、乡城三个城市在相同条件下进行蓄热和全天两种运行工况下的模拟分析，得出这四个城市的总能耗、总供热量、COP、节能率的值进行汇总见表2。

表2 典型城市蓄热、全天运行工况下系统各参数汇总表

从表2 可以看出在每个城市蓄热运行工况下空气源热泵系统的总能耗都对全天运行工况下的低，其供热量蓄热运行工况也比全天工况小，空气源热泵系统COP 在蓄热运行工况下比全天运行高，节能率都在10%以上。

5 结论

本文搭建了空气源热泵在蓄热和全天两种运行模式下的TRNSYS 模型，通过模拟的结果得到了以下结论：

1）蓄热和全天两种运行工况下室内温度变化基本一致，一楼比二楼略高1 ℃，都有一定波动，蓄热运行工况波动较大但在室温的设置范围内，表明蓄热运行可以满足室内温度的热舒适性要求。

2）由供暖季各能耗的对比图以及每个月份的能耗柱状图可以看出，在蓄热运行工况下空气源热泵系统的能耗低，其COP 明显高于全天运行工况。这是由于蓄热运行工况有一蓄热装置可以把白天机组的多余制热量储存起来在晚上停机时利用，这样既节能又减少机组的启停次数。

3）川西藏区四个聚类中心城市在蓄热运行工况下的总能耗、总供热量都比全天运行工况的低，节能率按红原、康定、石渠、乡城依次为15.42%、16.30%、16.67%、12.86%，故蓄热运行方式在川西藏区是普遍适用的。

4）结合川西藏区的结霜频率时空分布特征，夜晚和凌晨结霜更严重，采用蓄热运行使热泵机组在轻结霜时段运行，启停次数少运行更稳定，故蓄热运行在川西藏区是一种很有效的运行优化方式。