一种新型复合热泵供热系统研究

黄晨茜 胡秋月 朱新博

中国建筑第二工程局有限公司 北京 100060

目前，我国的光伏光热建筑一体化技术还处于起步阶段，国内市场也很广阔，为新技术的生长提供了充足的空间[1]。太阳能热泵复合供热系统利用太阳能发电来为热泵系统提供电能，以达到节能的目的。我国有大量学者对此做了相关研究分析[2-3]，欧美及日本等国家也对“零能耗建筑”做了研究，如何利用清洁能源解决供热、制冷能耗问题是全世界普遍存在的难题[4]。本文将提出一种新型复合热泵供热系统，利用光伏发电、光热板集热结合热泵系统为建筑物不间断提供生活热水和采暖的需求，同时达到零能耗的目标[5]。

1 复合热泵供热系统的模拟

1.1 复合热泵供热系统的建立

本文提出一种新型复合热泵近零能耗供热系统，如图1所示。该系统仅利用太阳能这种清洁能源就可实现零能耗目标，满足家庭采暖及生活热水的需求。复合热泵供热系统由六大模块组成，分别是光伏发电模块、光热集热模块、循环热泵系统模块、集热水箱模块、一次换热水箱模块、二次换热水箱模块。

图1 复合热泵供热系统研究

本文所述复合热泵供热系统可分为以下3种实施情形：

1）光伏发电板负责提供系统中用电设备的用电需求，如水泵、压缩机等，蓄电池用来存储多余电量，以备夜晚/阴雨天气太阳能保证率低时的情形使用。

2）光热集热板将集热模板中的水循环加热，再通过水泵及水-水换热器将热能传递到一次换热水箱内存储。当一次换热水箱上的测温器检测到水温达到生活用热水（50～60 ℃）的要求时，与供生活热水管道连接的温控阀开启，提供生活用热水；当同时有采暖需求时，与集热水箱连接的测温阀开启，利用换热盘管加热供暖用水，温度达到供暖温度（35～45 ℃）要求时，供暖循环开启。

3）当一次换热水箱温度达不到生活用热水的要求时，循环热泵系统模块开启，对来自一次换热水箱的热水进行二次加热，直至达到生活用热水的要求，为用户提供满足水温要求的生活热水；当温度达不到供暖需求时，关闭一次换热水箱与集热水箱的热交换，开启二次换热水箱与集热水箱的热交换，为用户提供满足水温要求的供暖用水。

1.2 建立系统模拟基础建筑模型

依托位于郑州地区的云智小镇项目，利用DeST-h建筑能耗模拟软件，模拟建立1栋建筑面积为202 m2，采暖面积为173 m2的2层别墅，在具体气象参数下模拟出该建筑物一年所需的生活用热水及采暖能耗情况。图2为利用DeST-h建立的日照立体图。

图2 日照立体图

1.3 光热集热器上总太阳辐照量计算

光热集热器具有一个最佳倾角，来保证光热集热器能够最高效地运行，光热集热器上总太阳辐照量由太阳集热面板上的直接辐射辐照量和散射辐射辐照量，以及地平面上的散射辐射辐照量组成[6]。

1.4 建立复合热泵供热系统TRNSYS模型

利用TRNSYS系统模拟软件，建立如图3所示的复合热泵供热系统TRNSYS模型，将前文利用DeST-h模拟出的建筑能耗数据导入TRNSYS模型中，在得出系统模拟运行参数后，进行复合热泵供热系统可行性分析。

图3 复合热泵供热系统TRNSYS模型

设定模拟条件：系统每天消耗水温为15 ℃的冷水量为1 kg，作为生活用热水消耗量。能耗设定时可忽略系统中4个循环水泵，因其能耗与热泵相比可忽略不计。每月预设系统热损失率为10%～20%。本模型采用气象数据生成软件Meteonorm生成TMY2典型气象年参数数据[7]。

2 复合热泵供热系统模块分析

根据郑州地区的气象特点以及全年气象变化参数来制定模型全年运行控制策略，热泵系统每月夜间最佳运行时长如表1所示。

表1 热泵系统每月夜间最佳运行时长

参考青岛理工大学提出的并联式太阳能热泵热水系统运行最佳的控制策略[8]，针对郑州地区的地域特点以及本文提出的复合热泵供热系统，总结出适合本模型的最佳模型控制策略：集热水箱的设计温度为45 ℃；补充水箱水量时间为23：00～24：00；光热集热系统利用温差控制原理进行蓄热，时间控制在6：00～18：00。

TRNSYS模型经过多次试运行调整，最终设定：由80 m2的光热集热板组成的光热集热系统，以及由17.3 kW的单晶硅太阳能电池组成的光伏并网系统。调试完成后，运行TRNSYS模型可以得到每日集热器的总集热量、热泵系统的供热量、热泵系统的能耗等参数。

由图4可以得到复合热泵供热系统在郑州地区逐月的供热量[9]，包括光热板集热装置的集热量与光伏发电板发电为热泵系统供能所得到的供热量。据统计：建立的别墅模型一年总耗能为2.72×104kW·h（相当于9.792×107kJ），复合热泵系统模型一年总集热量为11.365×107kJ。总体来看，6、7、8月的光热集热量在当月总集热量的占比偏高，1、2、12月的光热集热量在当月总集热量的占比偏低，究其原因是夏季太阳能保证率高，导致光热集热量占比高。

图4 各月总集热量情况

由图5可知，每月系统集热量可以满足建筑物的能耗需求。供热曲线和能耗曲线在4月至9月始终维持在较低的水平，分析原因可知：复合热泵系统TRNSYS模型根据实际需求进行供能调整，会对夏季多余的发电量进行储存、再利用。

图5 建筑物能耗与系统供热量对比

图6显示了复合热泵系统模型逐月COP值（制热性能系数）的变化情况。冬季的热泵循环性能系数值保持在相对较低的水平，最低月平均COP值为4.65，夏季热泵的能效比可以保持在较高的水平，最高月平均COP值为7.46，月平均COP值变化曲线呈现出先由低到高，后由高到低的变化趋势，并在7月份达到最大值，供热系统的供热性能保持在较高的水平。建立的系统模型除了可以满足日常供暖需求外，每日还有剩余电能可以回收再利用，特别是5—9月，每日可以回收利用大量电能。根据汇总的每月系统发电量，与每月系统模型总能耗进行比对，绘制出系统发电量与建筑物总能耗对比图（图7）。

图6 系统模型逐月COP变化曲线

图7 系统发电量与建筑物总能耗

由图7可知，系统模型每日发电量在1、12月基本可以满足系统能耗，剩余电量不多。从1月起，光伏系统发电量总体呈现出由低到高的变化趋势，在7月达到最大值，然后呈现出由高到低的变化趋势。而建筑物采暖能耗呈现出由高到低，再由低到高的变化趋势，总体趋势较为平缓。据统计，系统模型一年总发电量富余5.04×107kJ。2019年，我国在《关于2018年光伏发电有关事项的通知》的基础上[10]，将分布式光伏项目替换为户用光伏项目，按照0.18元/kW·h的补贴标准来计算，采用本系统的模型建筑物在满足自身供暖需求的基础上，一年预计可获政策补贴2 520元。

利用建筑能耗模拟软件，虚拟建立的位于郑州地区的建筑面积为202 m2，采暖面积为173 m2的2层别墅，按照6.48元/m2（采暖季的郑州采暖热价）计算，该建筑物的采暖费用约为1 121元/a。生活用电计费标准按照0.56元/kW·h计算，假设每人每天采暖耗电量约为5 kW·h，采暖用电费用约为1 022元/a。使用本文提出的复合热泵供热系统，202 m2的建筑物一年预计节省2 143元，光伏发电并网可获益2 520元，合计4 663元。若本系统得以推广使用，社会效益和经济效益明显。

3 结语

依托郑州云智小镇别墅群项目打造出一种“零能耗建筑”，通过DeST-h建立了郑州地区建筑面积为202 m2的别墅模型，模拟出一年的建筑总能耗为2.72×104kW·h（相当于9.792×107kJ）；创新性地提出一种新型复合热泵供热系统，通过TRNSYS模拟出建筑物在该系统辅助下的总集热量为11.365×107kJ；通过日供热量与日集热量的对比，验证了“零能耗建筑”的可行性，打造的“零能耗建筑”系统在仅利用太阳能资源的情况下，除了为建筑物持续提供温度为35～45 ℃的采暖用热水和45～65 ℃的生活用热水外，还能将剩余电能进行并网获益，一年预计节省2 143元，光伏发电并网获益2 520元，合计4 663元。另外，也将建立光伏/光热复合热泵供热系统测试平台，在郑州地区进行一年以上的试验研究及分析，最后对理论数据进行试验验证，分析试验结果是否能够满足建筑物零能耗的目标，以期为我国建筑节能领域“零能耗建筑”的发展提供强有力的数据支持。

[1] 郝雨楠,高阳阳,李昊鹏,等.国内外光伏建筑一体化的现状及未来发展趋势研究[J].门窗,2019(7):19-22.

[2] 旷玉辉,王如竹,于立强.太阳能热泵供热系统的实验研究[J].太阳能学报,2002,23(4):408-413.

[3] 王岗,全贞花,赵耀华,等.太阳能-热泵复合供能系统[J].化工学报,2017,68(5):2132-2139.

[4] 黄晨茜.光伏/光热复合热泵近零能耗供热系统研究[D].郑州:中原工学院,2018.

[5] 沈玉富.基于TRNSYS的太阳能/空气源热泵数值模拟研究[J].机电信息,2015(1):80-83.

[6] 赵文君.并联式太阳能热泵热水系统模拟与实验研究[D].青岛:青岛理工大学,2011.

[7] 王岗,全贞花,赵耀华,等.太阳能-热泵复合供能系统[J].化工学报,2017,68(5):2132-2139.

[8] 计欣.太阳能辅助空气源热泵集中供热水系统在大型企业职工浴室中的应用[J].建筑施工,2014,36(7):876-878.

[9] YANG T T,ATHIENITIS A K.Experimental investigation of a two-inlet air-based building integrated photovoltaic/thermal(BIPV/T) system[J].Applied energy,2015,159:70-79.

[10] 魏蔚,季杰,罗成龙,等.复合太阳能炕系统运行模式的实验研究[J].太阳能学报,2017,38(3):806-812.