太阳能-水源热泵系统运行调控优化

2022-08-25刘长清吴荣华

流体机械 2022年7期

刘长清，吴荣华，展浩

（青岛大学机电工程学院，山东青岛 266000）

0 引言

建筑能耗作为我国能源消耗的主要组成部分，占我国能源总消耗量的30%以上，其中空调能耗占建筑能耗的70%以上［1］。太阳能作为清洁能源，如将其与水源/空气源热泵系统耦合，可大幅提高系统性能并减少运行费用［2-6］。

目前对太阳能-水源热泵系统的优化研究大多集中在主要设备参数［7-8］和热源负荷配比［9］问题上。此外，郭晓东等［10-11］对太阳能-水源热泵系统的适用条件及运行策略进行了分析和改进，使系统COP提高了3.5%～43.58%。文科等［12］提出一种新型太阳能-水源热泵系统，年平均COP可达4.21以上。王子龙等［13］设计了一种新型进口均流器应用于太阳能蓄热水箱，实验结果表明：均流器提高了蓄热水箱的分层效果和效率。王爱辉等［14］对太阳能蓄热水箱特性进行了研究，结果表明，水箱体积增大114%，热水工作范围减小54%，承担负荷减小25.2%。卜光峰等［15］对太阳能多级蓄热水箱做了优化改进，明显延长了理想供热进口水温工作时间。曲明璐等［16］对太阳能集热器循环中蓄热水箱容积及循环泵流量进行了模拟分析，结果表明：蓄热水箱容积为500 L时，其系统运行效率最高，集热器循环泵最佳流量为1.1 m3/h。

综上所述，现有研究中对太阳能-水源热泵系统运行调控的优化研究很少。因此以实际项目为例，利用TRNSYS软件建立仿真模型，以系统总效率、总能耗为评价指标，对系统运行调控中的热泵启停控制方法、水箱间循环启停温度、水箱间循环流量进行优化，有助于提高太阳能-水源热泵系统的经济效益。

1 热泵系统

本实例为青岛市某厂区供热项目，该项目供暖面积约为3 000 m2，供热末端采用地暖盘管。系统原理如图1所示。

图1 太阳能-水源热泵系统Fig.1 Solar-water source heat pump system

太阳能-水源热泵系统中，供热水箱与散热末端两侧相连，热泵机组两侧分别连接供热水箱和水源，蓄热水箱一侧连接太阳能集热器回路，另一侧与供热水箱相连。

根据供热设计规范及实地考察，该项目在每年11月15日至次年4月5日进行供热，热负荷为190 kW［17-20］。热泵的选型要求是在阴雨天太阳能集热器不能正常工作时，热泵单独工作仍能满足供热需求。该系统热泵为主要热源，太阳能为辅助热源，二者都正常工作时，热泵机组负荷占比80%，太阳能负荷占比20%。根据以上设计要求，系统主要设计参数如表1所示。

表1 系统主要设计参数Tab.1 Main design parameters of the system

2 数学模型

2.1 集热器数学模型

根据能量守恒定律：

式中 Qu—— 单位时间内集热器得到的有用能量，W；

S ——单位时间内太阳辐射总量，W；

Q1——单位时间内集热器热损失量，W。

Ap——集热器面积，m2；

I ——太阳辐照度，W/m2；

τ ——有效透过率；

α ——吸收率；

Ul——总热损失系数，W/（m2·℃）；

Tp——集热器吸热板平均温度，℃；

Ta——环境温度，℃。

2.2 蓄热水箱数学模型

根据能量守恒定律，可得：

式中 ms—— 单位时间内蓄热水箱内的循环水量，kg/s；

cp——水的比热容，kJ/（kg·℃）；

Ts——蓄热水箱内的平均水温，℃；

Qg—— 单位时间内集热器传递给蓄热水箱的热量，W；

Qs1——单位时间内蓄热水箱的热损失，W；

Qf—— 单位时间内蓄热水箱传递给供热水箱的热量，W；

F1—— 集热器控制参数，集热器工作时该值为1，否则该值为0；

Us1——蓄热水箱的热损失系数，W/m2；

As——水箱的内表面积，m2；

Fr—— 水箱间循环控制函数，水箱间循环工作时该值为1，否则该值为0；

mf—— 单位时间内由蓄热水箱进入供热水箱的循环水量，kg/s；

Tg——供热水箱内的平均水温，℃。

2.3 供热水箱数学模型

根据能量守恒定律可得：

式中 mg—— 单位时间内供热水箱内的循环水量，kg/s；

Qb—— 单位时间内热泵传递给供热水箱的热量，W；

Qm——单位时间内用户末端的散热量，W；

Qs2——单位时间内供热水箱的热损失，W；

Fb—— 热泵机组控制函数，热泵机组工作时该值为1，否则该值为0；

md—— 单位时间内由热泵进入供热水箱的循环水量，kg/s；

Tf—— 由热泵机组进入供热水箱的水温，℃。

2.4 水源热泵数学模型

水源热泵制热工况下的性能系数：

式中 Qwhp——水源热泵制热量，W；

Pwhp——水源热泵功率，W。

水源侧热泵制热工况下的吸热量：

水源热泵制热工况源侧出水温度、负荷侧出水温度：

式中 Ta,in，Ta,out——蒸发器侧进、出口水温，℃；

现代有轨电车为依靠司机瞭望驾驶，采用沿轨道行驶的电力牵引的低地板有轨电车车辆，并按地面公交模式组织运营的公共交通系统[1]。由于现代有轨电车在城市道路上行驶，车辆依靠司机瞭望运行，其运营组织形式更加灵活多样，因此有轨电车车站配线设计不但要满足运营功能的需求，更要结合道路条件进行设置，同时应充分发挥有轨电车网络化运营特征，满足网络的灵活调度管理需求。

Tb,in，Tb,out——冷凝器侧进、出口水温，℃；

mz，ml—— 蒸发器、冷凝器内冷媒质量流量，kg/s。

3 系统调控优化

3.1 热泵启停控制方法优化

系统采用3个控制器实现集热器循环、热泵循环及蓄热水箱与供热水箱间循环启停，系统各控制目标参数包括：集热器出口温度T1，out，蓄热水箱出口温度 T2，out，供热水箱出口温度 T3，out，末端回水温度T4，out，蓄热水箱内平均温度Ts。

集热器循环启停控制方法如下：T1,out-T2,out＞8 ℃时，开启集热器循环；T1,out-T2,out＜2 ℃时，关闭集热器循环；Ts=100 ℃时，关闭集热器循环。

水箱间循环启停控制方法如下：T3,out＜40 ℃时，开启水箱间循环；T3,out＞40 ℃时，关闭水箱间循环。

综合考虑供热稳定性和热泵机组启停次数，提出2种热泵启停控制方法：（1）T3,out＜42 ℃时，开启水源热泵；T3,out＞47 ℃时，关闭水源热泵。（2）T4,out＜32 ℃时，开启水源热泵；T4,out＞37 ℃时，关闭水源热泵。

针对2种热泵启停控制方法，进行了全供暖季运行模拟，计算了采用不同控制方法的系统月平均COP，图2示出了各供暖月不同控制方法所对应的月平均COP。

图2 不同热泵控制方法的月平均COPFig.2 Monthly average COP of different heat pump control methods

经分析可知，供暖季初期，即11和12月份，随着室外气温和地表水温降低，集热器热损失增大，水源热泵性能下降，系统COP下降，2种控制方法系统COP几乎相同。因为供暖季初期地表水温相对较高，热泵机组单独工作可使供热温度保持在43 ℃左右，热泵连续运行，热泵启停控制方法改变对系统COP无影响。1月份，2种方法对应的系统COP均有较大回升。因为，随着室外气温和地表水温进一步降低，供热温度出现较大波动，水箱间循环泵开启，集热器与热泵机组共同承担热负荷，系统COP升高。但值得注意的是，方法1对应的1月份系统COP大于方法2，因为方法1将供热水箱出口温度设为热泵启停参考温度，方法2将用户末端回水温度设为启停参考温度，方法2较方法1在控制响应速率上有一定迟滞性，导致供热水箱内平均水温较方法1低，水箱间循环启动时间过早，导致蓄热水箱内蓄热量利用过度，低于40 ℃的水由蓄热水箱进入供热水箱，热泵能耗增加，系统COP下降。供暖季后3个月，随着室外气温和地表水温回升，集热器蓄热量增加，热泵性能升高，系统COP增大，方法2的系统COP大于方法1。因为此时蓄热量充足，方法2的水箱间循环启动时间较早，蓄热量利用率较方法1高。经计算，方法1的全供暖季平均COP为3.12，方法2为3.16。

表2为2种热泵启停控制方法对应的系统总能耗。分析可知，将用户回水温度设为热泵启停参考温度的系统总能耗最低，较将供热水箱出口温度设为热泵启停参考温度的系统总能耗可减少2 608 kW·h。

表2 不同热泵启停方法的系统总能耗Tab.2 Total energy consumption of the system for different start/stop methods of heat pump

3.2 水箱间循环启停温度优化

由第3.1节可知，将用户回水温度设为热泵启停参考温度的系统能耗较低，则对该系统进行水箱间循环启停温度优化。由于供热初期热泵可独立满足供热需求，热泵单独承担热负荷，供热水箱出口温度基本可恒定在43 ℃左右，所以只模拟了1月初至供暖季结束，供热水温出现波动的时间内供热水温与蓄热水箱内水温的变化情况。

图3示出了水箱间循环启停温度为40 ℃时蓄热水箱内水温与供热水温的变化情况。分析可知，水箱间循环启停温度为40 ℃时供热水温较稳定，随着供热时间的增加，平均供热水温增加。但此时系统并不能充分利用蓄热水箱内的蓄热量，蓄热水箱内水温高低显示了集热器提供的蓄热量的利用率高低，水温较高则表示蓄热量利用率较低。到了供热末期，蓄热水箱内平均水温为84.41 ℃，蓄热量不能有效利用。

图3 启停温度40℃的蓄热与供热水温Fig.3 Water temperature of heat storage and heating at start/stop temperature of 40 ℃

图4示出了水箱间循环启停温度为42 ℃时蓄热水箱内水温与供热水温的变化情况。

图4 启停温度42 ℃的蓄热与供热水温Fig.4 Water temperature of heat storage and heating at start/stop temperature of 42 ℃

经分析可知，此时系统可较好利用蓄热水箱内的热量，供暖季末期蓄热平均水温为55.68 ℃。但在1月份至2月份，供热水温出现较大波动，最低可达38.29 ℃。因为水箱间循环启动温度较高，启动时间较早，导致蓄热水箱内蓄热量被过度利用，蓄热水箱内温度较低的水进入供热水箱，对供热水温产生不利影响。水箱间循环启停温度为42 ℃时，虽可较好利用蓄热水箱内的蓄热量，但会对寒冷月份的供热水温产生不利影响。因此，提出1种新控制方法，该方法采用分季控制，供暖季前3个月，将水箱间循环启停温度设为40 ℃，供暖季后3个月将水箱间循环启停温度设为42 ℃，优化后的蓄热水箱内水温与供热水温如图5所示。

图5 优化后的蓄热与供热水温Fig.5 Water temperature of heat storage and heating after optimization

由图5可知，供暖季前期和后期水箱间循环启停温度分别设为40 ℃和42 ℃可使全供暖季供热水温保持在40～47 ℃范围内。在最寒冷月份，仍可将供热水温保持在40 ℃以上且供暖季后期蓄热水箱内平均水温为52.75 ℃，较原方案可充分利用蓄热水箱内的蓄热量。对采用此控制方法的系统进行了全供暖季能耗统计，结果为18.343 3×104kW·h，与原方案相比，优化后的系统总能耗可减少1.997 5×104kW·h。

3.3 水箱间循环流量优化

水箱间循环流量的改变会影响蓄热水箱内蓄热量的利用率，随着循环流量的增大，蓄热水箱内的蓄热量的利用率增加，热泵承担的热负荷减少，系统总能耗降低。但随循环流量的增大，水箱间循环泵的功率逐渐增大，相应的总能耗也会增加。因此，存在循环流量最优值，使系统总能耗最低，即总运行费用最低。对水箱间循环流量为2，2.5，3，3.5，4，4.5 kg/s时的系统进行了模拟，以电费0.8元/（kW·h）进行了全供暖季运行费用对比，图6为上述各循环流量所对应的系统全供暖季运行费用。经分析可知，随着水箱间循环流量的增加，系统总运行费用呈现先降低后增加的趋势。因为随着水箱间循环流量的增加，蓄热水箱内蓄热量传递给供热水箱的速率加快，蓄热量利用率增加，热泵承担热负荷减小，系统运行费用降低，但随着流量继续增加，水泵功率增加，增加的水泵运行总能耗大于热泵减小的总能耗，导致系统总能耗增加，系统运行费用增加。对于该太阳能-水源热泵系统，存在最优水箱间循环流量取值范围，为3.5～4 kg/s。经计算，水箱间循环流量为3.5 kg/s时，系统总运行费用为14.520 6万元。