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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，，两种系统无差别；，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，～；而供热模式下：室外温度在-19～9℃，～。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，%。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。
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。
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。
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。
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。
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，/(kg·K)，其它数据均采用默认设置。