串、并聯(lián)式太陽能空氣源熱泵供熱系統(tǒng)性能數(shù)值研究與對比

李海林 李紹勇 韓喜蓮 吳宗禮

串、并聯(lián)式太陽能空氣源熱泵供熱系統(tǒng)性能數(shù)值研究與對比

李海林 李紹勇 韓喜蓮 吳宗禮

（蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院 蘭州 730050）

為解決北方地區(qū)冬季采暖和空氣污染等問題，太陽能與熱泵等新型節(jié)能減排技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注與應(yīng)用。鑒于此，提出了串、并聯(lián)式太陽能空氣源熱泵供熱系統(tǒng)（Heating System of Solar Assisted Air Source Heat Pump, HSSAASHP）設(shè)計方案及其運行模式。以蘭州地區(qū)某辦公樓作為供熱對象，基于TRNSYS（Transient System Simulation Program）對其串、并聯(lián)式HSSAASHP分別進行了組態(tài)和運行狀況進行了數(shù)值模擬及性能分析。結(jié)果表明：串、并聯(lián)式HSSAASHP在理論上都是可行的，且前者在節(jié)能方面表現(xiàn)優(yōu)于后者。此外，基于粒子群算法（Particle Swarm Algorithm, PSA）來優(yōu)化串聯(lián)式HSSAASHP的部分關(guān)鍵參數(shù)，進一步降低其運行成本，從而獲得節(jié)能、降耗和減排的綜合效益。

太陽能；空氣源熱泵；混合供熱系統(tǒng)；粒子群算法；節(jié)能減排

0 引言

太陽能可視為永不枯竭的清潔能源，也是最重要的可再生能源。在建筑能耗中，生活熱水、供熱采暖和制冷等能耗約占45%[1]，是建筑節(jié)能的重點領(lǐng)域，而其中民用建筑的用熱需求，如供暖熱水及生活熱水的制備，其溫度值較低，恰好對應(yīng)了太陽能能流密度低的特點。因此，在建筑的熱需求方面利用太陽能這種廉價、豐富且持久的可再生能源與不同形式系統(tǒng)進行整合，來解決建筑能耗問題，就能夠大幅降低當(dāng)今社會對常規(guī)能源的依賴[2]，從而獲得良好的節(jié)能減排效益。

傳統(tǒng)太陽能熱水系統(tǒng)以電輔助加熱器來克服太陽能熱利用的不穩(wěn)定性，而太陽能熱泵混合系統(tǒng)是將熱泵作為太陽能供熱系統(tǒng)的一部分，從而進一步降低對電力資源的依賴；同時也可克服太陽能熱利用的不穩(wěn)定性。且理論上，將電輔助替換為熱泵輔助，使得太陽能熱泵混合系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定與高效[3]。太陽能熱泵系統(tǒng)根據(jù)太陽能集熱器與熱泵蒸發(fā)器的結(jié)合方式，可分為直膨式和非直膨式兩大類，而非直膨式又可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)式[4]，分別是指太陽能與水源熱泵、太陽能與空氣源熱泵和太陽能與雙源（空氣源和水源）熱泵的組合方式。

目前國內(nèi)外學(xué)者對于太陽能與熱泵混合系統(tǒng)或是新型熱泵系統(tǒng)已做了許多理論分析與實驗研究。其中，Bagarella G等人[5]研究了混合式熱泵并行系統(tǒng)和選擇系統(tǒng)的差別；截止溫度該怎么選擇，不同的截止溫度對系統(tǒng)有何影響；是否并行系統(tǒng)就比選擇系統(tǒng)更節(jié)能。結(jié)果表明，當(dāng)選用額定功率為10.8kW的大容量熱泵時，兩種系統(tǒng)無差別；當(dāng)選用額定功率為3.9kW的小容量熱泵時，模擬結(jié)果顯示截止溫度為-1℃時有最小能耗，且并行系統(tǒng)比選擇系統(tǒng)的節(jié)能效果高5%。Deng W S等人[6]進行了改進的直膨式太陽能熱泵熱水器與傳統(tǒng)太陽能熱泵熱水器的加熱時間與性能系數(shù)（Coefficient of Performance, COP）的研究與比較；并討論了制冷劑流量分配，蒸發(fā)器與集熱器的面積分配，太陽輻射及室外空氣溫度對改進型系統(tǒng)的影響。將改進型與傳統(tǒng)型系統(tǒng)相比較，前者在低太陽輻射下有更好的性能；改進型系統(tǒng)可同時吸收太陽能與空氣能，為系統(tǒng)運行保持更高的蒸發(fā)溫度和具有更好的COP與加熱能力。但是，環(huán)境溫度在低太陽輻射條件下對改進型系統(tǒng)影響大，環(huán)境溫度的降低會惡化該系統(tǒng)性能。Amir A S等人[7]對安裝于加拿大某住宅的兩級變?nèi)萘靠諝庠礋岜眠M行了夏季與冬季對照試驗，并進行了TRNSYS模擬。結(jié)果顯示在供冷模式下：室外溫度在16～33℃間，COP在4.7～5.7之間變化；而供熱模式下：室外溫度在-19～9℃，COP在1.79～5.0之間變化。朱霞等人[8]對熱泵在前，集熱器在后的串聯(lián)式系統(tǒng)，即HP(Heat Pump)+SC(Solar Collector)與集熱器在前，熱泵在后的串聯(lián)式系統(tǒng)SC+HP進行了研究與對比。主要結(jié)論是太陽能熱泵系統(tǒng)中的SC與HP串聯(lián)結(jié)合的先后順序?qū)ο到y(tǒng)中的熱泵性能有較大影響。在南京冬季典型晴天下，當(dāng)集熱器的面積一定時，隨著太陽輻射強度的增加，HP+SC系統(tǒng)中熱泵的性能優(yōu)于SC+HP系統(tǒng)中熱泵的性能，熱泵COP最大可提高6.65%。由此可見，太陽能與熱泵的組合方式將能夠充分發(fā)揮節(jié)能減排的潛力。

為了解決民用建筑物冬季采暖和室外空氣污染等問題，本文將太陽能與空氣源熱泵組合為聯(lián)合供熱系統(tǒng)，提出A、B、C和D四種運行模式；且受到文獻[4]與[8]的研究思路啟發(fā)，將系統(tǒng)中的SC與HP冷凝器進行適當(dāng)?shù)慕M合，該HSSAASHP分為串聯(lián)式和并聯(lián)式，如圖1所示。借助TRNSYS軟件，分別對兩系統(tǒng)進行組態(tài)和仿真運行，并對比其供熱性能與耗電表現(xiàn)。對于節(jié)能表現(xiàn)更佳的串聯(lián)式HSSAASHP，以系統(tǒng)運行成本為目標(biāo)函數(shù)，進一步運用粒子群算法（Particle Swarm Algorithm, PSO）對SC面積和安裝角度、蓄熱水箱體積和HP額定功率等關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化，從而降低其運行成本，彰顯綠色節(jié)能與降耗減排的設(shè)計理念和目的。

1 HSSAASHP組成及其運行模式

基于蘭州地區(qū)太陽能輻射量的優(yōu)勢與氣候條件，對該市某辦公樓的HSSAASHP進行了設(shè)計。其主要設(shè)備包括太陽能集熱單元、空氣源熱泵單元、蓄熱水箱、循環(huán)水泵和溫度測量、控制元件等主要設(shè)備，其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 串、并聯(lián)式HSSAASHP系統(tǒng)運行工藝圖

通過太陽能集熱單元與空氣源熱泵單元，HSSAASHP能夠分別獲取可再生綠色能源-太陽能與空氣能，來共同加熱采暖供水，保證所需的供水溫度達標(biāo)，滿足該辦公樓所需的熱負荷，并降低整個聯(lián)合供熱系統(tǒng)的運行能耗。

1.1 HSSAASHP運行模式

根據(jù)氣象條件的變化，該HSSAASHP分為冬季采暖模式，包括A、B和C三種方式，以及夏季與過渡季節(jié)制備熱水模式D。當(dāng)冬季采暖模式運行時，預(yù)先手動開啟截止閥SV-1和SV-2和關(guān)閉截止閥SV-3。當(dāng)夏季與過渡季節(jié)制備熱水模式運行時，預(yù)先手動開啟截止閥SV-3和關(guān)閉截止閥SV-1和SV-2。

供熱模式A：當(dāng)太陽輻射充足，SC出水溫度out≥40℃時，溫度控制器TC發(fā)出指令，使得電磁二通閥EMV-1和EMV-4得電開啟，EMV-2、EMV-3和EMV-5失電關(guān)閉，且熱泵STOP。SC出水直接流經(jīng)管路BD進入蓄熱水箱后，通過分水器流經(jīng)辦公樓的采暖子系統(tǒng)釋放熱量，返回集水器再次進入SC加熱，循環(huán)往復(fù)。

供熱模式B：當(dāng)太陽輻射不足，SC出水溫度out＜35℃時，溫度控制器TC發(fā)出指令，使得熱泵START和EMV-5關(guān)閉。同時，依據(jù)out大小，溫度控制器TC發(fā)出指令，對其余4個電磁二通閥開啟或關(guān)閉。

若out低，則EMV-1和EMV-3得電開啟，而EMV-2和EMV-4失電關(guān)閉。供熱回水流向為A—SC—B—C—ASHP冷凝器—D—蓄熱水箱，先后由SC與ASHP加熱，即串聯(lián)式；若out較高，則EMV-1、EMV-2和EMV-4得電開啟，而EMV-3失電關(guān)閉。供熱回水流向分別為A—SC—B—D—蓄熱水箱和A—C—ASHP冷凝器—D—蓄熱水箱，分別由SC與ASHP加熱后，在蓄熱水箱匯合，即并聯(lián)式。

供熱模式C：當(dāng)無太陽輻射時，溫度控制器TC發(fā)出指令，使得EMV-2得電開啟，EMV-1、EMV-3、EMV-4和EMV-5失電關(guān)閉，且熱泵START。供熱回水流向為A—C—ASHP冷凝器—D—蓄熱水箱。

制備熱水模式D：為充分發(fā)揮系統(tǒng)效益，SC在夏季與過渡季節(jié)單獨運行，為辦公樓及其附近居民區(qū)用戶提供生活熱水。溫度控制器TC發(fā)出指令，使得熱泵STOP 和EMV-1、EMV-4得電開啟，而EMV-2、EMV-3失電關(guān)閉。SC出水流經(jīng)管路BD進入蓄熱水箱，溫度測量變送器TT2檢測蓄熱水箱的溫度tank，并將其值傳送于溫度控制器TC。若tank＜tank,set=50℃，TC發(fā)出指令，使得EMV-5失電關(guān)閉，則蓄熱水箱出水流經(jīng)管路EFA，通過SC側(cè)水泵循環(huán)進入SC，吸熱溫升，然后流經(jīng)管路BD進入蓄熱水箱，出水再流經(jīng)管路EFA進入SC，循環(huán)往復(fù)，直至tank≥tank,set。TC發(fā)出指令，使得EMV-5得電開啟，向樓宇用戶及附近居民區(qū)供應(yīng)熱水。隨著熱水的不斷供應(yīng)，蓄熱水箱的液面會逐漸下降。當(dāng)降至設(shè)定值時，浮球式進水閥FV自動開啟，為蓄熱水箱補水，直至液面恢復(fù)設(shè)定值， FV自動關(guān)閉。

1.2 串、并聯(lián)式HSSAASHP的切換

本文引入一個切換溫度switch概念來實現(xiàn)HSSAASHP串、并聯(lián)式的轉(zhuǎn)換，根據(jù)switch大小，串、并聯(lián)式進行自動切換的條件式如下：

這樣，在冬季采暖期間，HSSAASHP依據(jù)switch可自動地進行串、并聯(lián)式的切換，在本質(zhì)上是將供熱模式B做了進一步劃分。

1.3 基于TRNSYS的HSSAASHP組態(tài)

為了建立一個共同的比較基礎(chǔ)，兩系統(tǒng)均采用蘭州地區(qū)氣象數(shù)據(jù)，同類模塊采用相同設(shè)計數(shù)據(jù)，保證相同的供熱時間表與供熱溫度等。

此外，兩系統(tǒng)采用相同工作時間曲線，即一天當(dāng)中的6時至18時，以此來模擬某辦公室低溫地暖輻射供熱，雖然該時間曲線并不完全符合實際情況，但足以滿足本文的不同系統(tǒng)的效益比較。

1.3.1 并聯(lián)式HSSAASHP組態(tài)

并聯(lián)式HSSAASHP中關(guān)鍵是SC單元的循環(huán)控制，ASHP與ASHP側(cè)水泵的啟停控制。前者是通過SC單元進出口溫差對SC側(cè)水泵的啟?？刂苼韺崿F(xiàn)，組態(tài)原理如圖2所示。

圖2 SC單元循環(huán)控制連接圖

對于SC單元側(cè)循環(huán)水泵的控制：當(dāng)SC單元進出口溫差大于8℃時，該水泵START，直至進出口溫差小于2℃時，水泵STOP。

ASHP與ASHP側(cè)水泵的啟?？刂苿t由設(shè)定供水溫度40℃與實時水箱頂層溫度的差值變化來實現(xiàn)，二者的啟停是同步的，組態(tài)原理如圖3所示。

圖3 ASHP控制連接圖

為保證供水溫度保持在35℃至45℃之間，計算器模塊對輸出控制函數(shù)T與負荷函數(shù)time進行計算，輸出的ASHP控制信號如下：

式（2）中INT為取整函數(shù)，即只有當(dāng)溫度控制函數(shù)輸出與負荷函數(shù)輸出同時為1時，計算器輸出函數(shù)值1，ASHP與ASHP側(cè)水泵同時START，否則，計算器輸出函數(shù)值0，ASHP與ASHP側(cè)水泵同時STOP。

1.3.2 串聯(lián)式HSSAASHP組態(tài)

串聯(lián)式HSSAASHP中與并聯(lián)式不同的在于ASHP側(cè)水泵的控制。組態(tài)原理如圖4所示。

圖4 串聯(lián)式HSSAASHP的ASHP側(cè)水泵控制連接圖

圖4中計算器模塊對SC側(cè)循環(huán)水泵控制器的輸出函數(shù)與負荷函數(shù)進行計算，輸出的ASHP側(cè)水泵控制信號如下：

式（3）中INT為取整函數(shù)，NOT為邏輯非函數(shù)，即當(dāng)SC單元側(cè)水泵STOP，輸出函數(shù)0，同時負荷曲線函數(shù)輸出為1時，計算器輸出函數(shù)值1，ASHP側(cè)水泵START，否則，ASHP側(cè)水泵STOP。

這里需要說明的系統(tǒng)關(guān)鍵模塊如下：

（1）Type1b模擬平板太陽能集熱器的熱性能，集熱器面積統(tǒng)一設(shè)置為4m2，流體比熱設(shè)置為4.19kJ/(kg·K)，其它數(shù)據(jù)均采用默認設(shè)置。

（2）Type4c模擬可內(nèi)置輔助加熱器的分層水箱，設(shè)置6個等大小的節(jié)點，以此來模擬蓄熱水箱內(nèi)部由上而下水溫逐漸降低的溫度分層現(xiàn)象。水箱上部溫度高，用于取水，下部溫度低，用于換熱。這樣的方式將進一步提高系統(tǒng)的換熱能力。

（3）Type2b微分控制器用來實現(xiàn)對2個循環(huán)水泵和ASHP的START/STOP控制，控制函數(shù)的輸出0或1取決于差值函數(shù)(H-L)與兩個死區(qū)溫差Upper dead band dT與Lower dead band dT的比較?？刂坪瘮?shù)的新值取決于上一時間步驟中輸入控制函數(shù)的值?？刂破魍ǔ⑤敵鲂盘柡瘮?shù)連接至輸入信號函數(shù)提供滯后效應(yīng)。

（4）Type11b調(diào)溫閥將加熱的液體與較冷的供水混合，避免流向負荷的水溫高于設(shè)定溫度。

（5）Type14b建立一條與時間相關(guān)的強制函數(shù)，并具有重復(fù)模式。該函數(shù)由一組離散的數(shù)據(jù)點組成，每個數(shù)據(jù)點對應(yīng)函數(shù)在一個周期內(nèi)的不同時刻的值。設(shè)置=24，以此模擬每天24h負荷側(cè)供水流量。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

在蘭州地區(qū)氣象數(shù)據(jù)條件下，選取供熱季節(jié)典型日1月22日，數(shù)值模擬串、并聯(lián)式HSSAASHP的蓄熱水箱頂層溫度變化，ASHP和兩個循環(huán)水泵START/STOP狀況，分析相應(yīng)的運行能耗。

圖5所示為該典型日的室外溫度與太陽能輻射強度的實時變化，可見9時至18時為太陽輻射時間，13時至16時處于峰值，而室外溫度的變化相較太陽輻射的變化略有滯后。

圖5 供熱期間典型日室外溫度與太陽輻射強度逐時變化圖

在1月22日氣象條件下，串、并聯(lián)式HSSAASHP蓄熱水箱頂層溫度變化及ASHP啟停狀況分別如圖6，圖7所示。

分析圖6和圖7可知，在供熱時間段內(nèi)，串聯(lián)式系統(tǒng)中的ASHP啟停次數(shù)頻繁，致使水箱頂部溫度波動劇烈。而并聯(lián)系統(tǒng)的ASHP啟停僅為3次，水箱頂部溫度變化也更加平緩。這是由于在太陽能與熱泵聯(lián)合供熱模式下，并聯(lián)式系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)形式上表現(xiàn)出的天然優(yōu)勢，即SC單元與ASHP分別加熱部分供熱回水，蓄熱水箱發(fā)揮了其混合儲熱作用，儲存了部分熱量為下一時段的先混合后供熱做好了準(zhǔn)備，使得ASHP不用頻繁啟停。

圖6 串聯(lián)式HSSAASHP中蓄熱水箱頂部溫度變化與ASHP啟、停和運行狀況

圖7 并聯(lián)式HSSAASHP中蓄熱水箱頂部溫度變化與ASHP啟、停和運行狀況

圖8 串、并聯(lián)式HSSAASHP的SC側(cè)水泵啟、停信及其運行狀況

如圖8所示為兩系統(tǒng)SC側(cè)水泵啟停信號，對照該典型日太陽輻射強度變化情況，兩系統(tǒng)的集熱器收集太陽能時間，均在當(dāng)日太陽輻射較好的9時至17時，串聯(lián)式系統(tǒng)有微弱優(yōu)勢，差別不大。

圖9 串、并聯(lián)式HSSAASHP的ASHP側(cè)水泵啟、停及其運行狀況

圖9所示是兩系統(tǒng)ASHP側(cè)水泵啟停信號，串聯(lián)式系統(tǒng)中ASHP側(cè)水泵運行時間僅為4h，而并聯(lián)式系統(tǒng)則有7h左右。這是由于串聯(lián)系統(tǒng)中ASHP側(cè)水泵只有在熱泵單獨供熱模式下運行從而節(jié)約電能，相較之下，并聯(lián)式系統(tǒng)中ASHP側(cè)水泵則要在熱泵單獨供熱模式及太陽能熱泵聯(lián)合供熱模式下運行。從圖中也可看出串聯(lián)系統(tǒng)在6時至9時與17時至18時由熱泵單獨供熱，對比該典型日太陽輻射強度的實時情況，說明在無太陽輻射情況下由熱泵獨立承擔(dān)供熱負荷。

兩種系統(tǒng)運行下的主要性能參數(shù)，包括太陽能保證率和ASHP的COP值等，及耗電表現(xiàn)如表1所示。

表1 典型日兩系統(tǒng)運行狀況的主要參數(shù)

從表1的兩系統(tǒng)相關(guān)性能參數(shù)的比較可見，串聯(lián)式系統(tǒng)與并聯(lián)式系統(tǒng)各有優(yōu)勢，串聯(lián)式系統(tǒng)中SC單元對水流進行預(yù)加熱使熱泵冷凝器入口溫度有所升高，理論上會影響熱泵性能，結(jié)果也表明串聯(lián)式系統(tǒng)中熱泵COP在3.75～4.74，而并聯(lián)式系統(tǒng)則為4.19～4.77。但在供熱季節(jié)典型日的系統(tǒng)運行能耗方面，SC側(cè)水泵耗能串聯(lián)式系統(tǒng)略高于并聯(lián)式系統(tǒng)，ASHP側(cè)水泵耗能串聯(lián)式系統(tǒng)為并聯(lián)式系統(tǒng)的二分之一，ASHP耗能串聯(lián)式系統(tǒng)同樣小于并聯(lián)式系統(tǒng)，致使串聯(lián)式系統(tǒng)相較并聯(lián)式系統(tǒng)節(jié)能2719kJ，同時多收集2465kJ太陽能，太陽能保證率因此也略高一些。

3 基于粒子群算法的串聯(lián)式系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

通過以上分析對比，串聯(lián)式HSSAASHP在節(jié)約運行能耗方面更有優(yōu)勢。而HSSAASHP的經(jīng)濟性不僅要考慮運行能耗，同時還取決與各個主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)、布局方式及運行維護費用等因素。因此本文利用粒子群算法對串聯(lián)系統(tǒng)的SC角度和面積，集熱水箱體積，熱泵額定功率等關(guān)鍵參數(shù)進一步優(yōu)化，使HSSAASHP的經(jīng)濟性更具優(yōu)勢。

粒子群算法是受鳥類覓食啟發(fā)而提出的一種進化算法[9,10]，該算法分為帶慣性權(quán)值的粒子群算法與帶收縮因子的粒子群算法。兩種方法在測試函數(shù)中表現(xiàn)出各自優(yōu)勢，但慣性權(quán)值方法中的一般設(shè)置慣性權(quán)值遞減，致使尋優(yōu)后期探索新區(qū)域能力下降，而收縮因子方法則不存在此不足。因此本文選擇帶收縮因子的粒子群算法，以串聯(lián)式HSSAASHP運行成本COST為目標(biāo)函數(shù)，關(guān)鍵參數(shù)SC面積、SC安裝傾角、蓄熱水箱體積和ASHP額定功率作為輸入變量，忽略維護費用，構(gòu)建的min表達式如下：

式中，SC為SC集熱面積，m2；tank為蓄熱水箱體積，m3；ASHP為ASHP額定功率，kW；1、2、3為SC單位面積價格，元/m2、蓄熱水箱單位體積價格，元/m3、ASHP單位容量價格，元/kW；system為系統(tǒng)使用年限，年；1、2、3為SC側(cè)水泵耗電量，kWh、ASHP側(cè)水泵耗電量，kWh、ASHP耗電量，kWh；4為當(dāng)?shù)仉妰r，元/kWh。

基于上式和粒子群算法，構(gòu)建的優(yōu)化串聯(lián)式HSSAASHP關(guān)鍵參數(shù)的算法流程，如圖10所示。

圖10 基于PSA串聯(lián)式HSSAASHP關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化流程圖

在供熱季節(jié)本年11月至次年3月內(nèi)，編程運行圖10所示的關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化算法流程，獲取的串聯(lián)式HSSAASHP優(yōu)化前后的關(guān)鍵參數(shù)及運行成本如表2所示。

表2 串聯(lián)式HSSAASHP優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

由表2數(shù)據(jù)可見，對于串聯(lián)式HSSAASHP而言，理論上SC面積越大，節(jié)能效益越顯著；而SC面積的增加也需要更大的蓄熱水箱tank來匹配。表中數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化后SC面積減小，SC安裝角度增大，蓄熱水箱體積tank基本不變，熱泵額定功率降低，使得費用減少1600余元。總之，SC面積與tank需要合理匹配；也說明SC、蓄熱水箱與熱泵的初始成本會極大影響串聯(lián)式HSSAASHP運行成本的優(yōu)化結(jié)果。

采用優(yōu)化后的數(shù)據(jù)，再次數(shù)值模擬串聯(lián)式HSSAASHP在典型日蓄熱水箱頂層溫度變化及ASHP啟停狀況，如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后串聯(lián)式HSSAASHP中蓄熱水箱頂部溫度變化與ASHP啟、停及其運行狀況

圖11與優(yōu)化前的圖6相比較，可知優(yōu)化后的串聯(lián)式系統(tǒng)熱泵啟停次數(shù)減少了，水箱頂部溫度波動較平緩。但是由于優(yōu)化后ASHP額定功率減小，即ASHP型號規(guī)格下降，導(dǎo)致COP由原來的3.75～4.74變化為3.75～4.24，下限值降低了。

4 結(jié)論

（1）本文基于TRNSYS建立太陽能空氣源熱泵聯(lián)合供熱串聯(lián)系統(tǒng)與并聯(lián)系統(tǒng)，對比分析得出，串聯(lián)式HSSAASHP中熱泵COP為3.75～4.74，相較并聯(lián)式HSSAASHP的4.19～4.77有略微差距，但在耗能方面，僅模擬典型日一天即節(jié)能2719kJ，且串聯(lián)式有更高的太陽能保證率。

（2）串、并聯(lián)式HSSAASHP在太陽能熱泵聯(lián)合運行模式下，表現(xiàn)出各自優(yōu)勢，因此本文引入可在特定狀況下切換兩種系統(tǒng)形式的切換溫度switch，將有利于系統(tǒng)效益的發(fā)揮。今后將會對串、并聯(lián)式自動切換的HSSAASHP運行效果進一步探索。

（3）針對節(jié)能方面更佳的串聯(lián)式HSSAASHP，利用粒子群算法優(yōu)化其SC面積，SC安裝角度，蓄熱水箱體積及ASHP額定功率等關(guān)鍵參數(shù)，使系統(tǒng)運行成本降低1600余元，同時從優(yōu)化結(jié)果得出太陽能熱泵系統(tǒng)雖然較之傳統(tǒng)太陽能系統(tǒng)節(jié)能效益顯著，僅在1月即可節(jié)約近632.5kWh電能，但SC與ASHP的初始成本制約了系統(tǒng)應(yīng)用的普及與其節(jié)能效益的進一步放大。

[1] 鄭瑞澄.太陽能熱利用與建筑一體化[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014:5-6.

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Numerical Study and Comparison on the Performance of the Series-type and Parallel-type Heating Systems of Solar Assisted Air Source Heat Pump

Li Hailin Li Shaoyong Han Xilian Wu Zongli

( School of civil engineering, Lanzhou university of technology, Lanzhou, 730050 )

In order to solve the problems of winter heating and outdoor air pollution in North China, some new energy-saving and emission reduction technologies, such as solar energy and heat pump, are getting more and more attention and application. In view of this, this paper proposes a design scheme and the related running modes of the series-type and parallel-type heating systems of solar assisted air-source heat pump. Considering an office building in Lanzhou area as the heating object, based on TRNSYS software, the configuration, the corresponding operational situations and performance analysis of these two heating systems are carried out, respectively. The results indicate that both systems are feasible in theory, and the former is superior to the latter in energy saving. In addition, some key parameters of the series-type HSSAASHP are optimized by means of particle swarm algorithm (PSA) to further reduce its operating cost. Thus, the comprehensive benefits of energy saving, consumption reduction and emission reduction can be achieved.

solar energy; air source heat pump; hybrid heating system; particle swarm algorithm; energy-saving and emission reduction

TU83

A

1671-6612（2019）04-425-08

甘肅省自然科學(xué)基金（編號：1508RJZA109）

李海林（1993-），男，碩士研究生，E-mail：544292308@qq.com

2018-08-02