戶用太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)性能模擬研究

張春枝，王 可，李 濤，周思童，毛前軍

(武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

我國(guó)建筑能耗中供暖、通風(fēng)、空調(diào)及生活熱水的能耗約占2/3以上，隨著城市化水平和人民生活質(zhì)量的提高，供暖和生活熱水能耗將進(jìn)一步增加[1].我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)，88%的居民已開始采取措施進(jìn)行取暖，其中以可再生能源為熱源的僅占5%[2]；制取生活熱水則主要以電熱水器和燃?xì)鉄崴鳛橹鳎嬖谝淮文苄У?、能源高質(zhì)低用等不足[3].在當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)下，住宅用能設(shè)備電氣化是降低碳排放的措施之一，使用和開發(fā)高能效的設(shè)備，是當(dāng)前形勢(shì)所需，本文研究的戶用太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供暖系統(tǒng)正是基于此目標(biāo).

太陽(yáng)能正逐步應(yīng)用于建筑供暖和生活熱水，但太陽(yáng)能的使用受氣候條件制約，具有不穩(wěn)定性[4].空氣源熱泵具有常年可使用等優(yōu)點(diǎn)，但其性能受室外環(huán)境溫濕度的影響，環(huán)境溫度越低能效越低[5].目前已有較多研究將二者結(jié)合，其中Lerch等[6]模擬計(jì)算了包括太陽(yáng)能集熱器與空氣源熱泵并聯(lián)、太陽(yáng)能集熱器作為空氣源熱泵的熱源等多種太陽(yáng)能空氣源熱泵系統(tǒng).結(jié)果表明太陽(yáng)能和空氣源結(jié)合的熱泵系統(tǒng)能效均高于傳統(tǒng)空氣源熱泵.太陽(yáng)能與空氣源熱泵結(jié)合的最常見形式為直膨式，是將太陽(yáng)能集熱器作為熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器[7].杜伯堯等[8]以平板熱管為核心部件，設(shè)計(jì)了一種新型太陽(yáng)能光伏/空氣集熱蒸發(fā)器并建立了光伏直膨式太陽(yáng)能/空氣能多能互補(bǔ)熱泵系統(tǒng)，但直膨式系統(tǒng)無(wú)法直接利用太陽(yáng)能制熱，且在夏熱冬冷地區(qū)冬季室外溫度偏低、濕度較大的情況下存在結(jié)霜嚴(yán)重影響系統(tǒng)能效比等問(wèn)題，系統(tǒng)無(wú)法推廣應(yīng)用.另一種結(jié)合的常見形式為并聯(lián)式，劉寅等[9-11]通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)的方法研究采用雙熱源蒸發(fā)器的太陽(yáng)能空氣源熱泵，將太陽(yáng)能集熱器制取的熱水通入蒸發(fā)器中.該系統(tǒng)在太陽(yáng)能資源非豐富區(qū)域無(wú)法利用太陽(yáng)能直接制熱，而是將白天蓄存的太陽(yáng)能熱水在夜間環(huán)境溫度較低時(shí)通入熱泵蒸發(fā)器以提高蒸發(fā)溫度，存在太陽(yáng)能的高質(zhì)低用問(wèn)題.

現(xiàn)有文獻(xiàn)中太陽(yáng)能與空氣源熱泵結(jié)合研究存在上述問(wèn)題，由此本文所提出的太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)直接利用太陽(yáng)能供給生活熱水,空氣源熱泵作為生活熱水系統(tǒng)的輔助裝置；同時(shí)依據(jù)夏熱冬冷地區(qū)氣候特點(diǎn)，空氣源熱泵的選型以夏季供冷為主，由于冬季供熱負(fù)荷較小，熱泵一般可滿足供熱，且避免集熱器匹配面積過(guò)大的問(wèn)題，所以不考慮太陽(yáng)能供暖和預(yù)熱的功能，著重于以空氣源熱泵補(bǔ)充太陽(yáng)能制取生活熱水，使得住宅盡可能地使用可再生能源滿足用能需求.為驗(yàn)證耦合供能系統(tǒng)的工程應(yīng)用可行性,通過(guò)調(diào)研確立夏熱冬冷地區(qū)典型住宅用能特征，建立典型住宅建筑三維模型，利用TRNSYS軟件搭建耦合供能系統(tǒng)的仿真模型，模擬系統(tǒng)在典型氣象年全年動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況，對(duì)全年系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如太陽(yáng)能集熱量、系統(tǒng)各部件耗能量和各循環(huán)涉及水溫等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理分析研究，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性.

1 住宅用能特征

1.1 典型住宅建筑

通過(guò)查詢房屋交易平臺(tái)的公開信息，以兩居室為調(diào)研目標(biāo)進(jìn)行總面積及各功能房間面積統(tǒng)計(jì).隨機(jī)抽樣武漢市300套兩居室戶型信息，其中245套戶型為兩臥一廳一廚一衛(wèi)一陽(yáng)臺(tái)，將其定為典型戶型.對(duì)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，將得到的各功能房間面積均值作為參考值.對(duì)照調(diào)研數(shù)據(jù)集，確立兩居室戶型空間分布，其中各功能房間面積為：客廳26.7 m2、主臥13.1 m2、次臥11.2 m2、廚房4.7 m2、衛(wèi)生間4.3 m2、陽(yáng)臺(tái)5.4 m2.以武漢市作為建筑所在地，選取氣象數(shù)據(jù)并依照相關(guān)規(guī)范對(duì)層高、窗墻比和圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)等進(jìn)行取值[12-13]，搭建建筑仿真模型.

1.2 住宅用能模式

為更好反映耦合用能系統(tǒng)在實(shí)際住宅工程應(yīng)用中的性能，以及為系統(tǒng)運(yùn)行確立更切合實(shí)際生活的控制目標(biāo)，本研究開展了對(duì)家庭空調(diào)及生活熱水使用情況的調(diào)研[14-15].按照用能及作息習(xí)慣，家庭成員可被分為上班人群、上學(xué)人群及居家老人三類.綜合文獻(xiàn)與實(shí)際調(diào)研確立了各類人員的用能模式如圖1所示.

圖1 人員用能模式圖

由圖可知，不同家庭成員在各房間在室時(shí)刻與時(shí)長(zhǎng)不同，以致空調(diào)與生活熱水的使用情況存在明顯差異.由此在兩居室的基礎(chǔ)上，組合不同家庭成員，得到“兩上班族一老人”與“兩上班族一學(xué)生”兩種家庭結(jié)構(gòu)，將各人員的用能模式輸入，得到兩種家庭用能模型，以此研究系統(tǒng)在不同用能模型上的運(yùn)行性能.

2 戶用太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏熱冬冷地區(qū)住宅內(nèi)供冷供暖需求通常采用“部分空間、部分時(shí)間”的間歇供能模式來(lái)滿足，既保障舒適性又有利于節(jié)能減排.在盡可能地利用太陽(yáng)能作為用能熱源的同時(shí)，空氣源熱泵作為生活熱水系統(tǒng)的輔助裝置，改善夏熱冬冷地區(qū)太陽(yáng)能資源不豐富與住宅太陽(yáng)能可利用空間限制的問(wèn)題.針對(duì)以上用能特征設(shè)計(jì)如圖2所示戶用太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng).

圖2 戶用太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)

太陽(yáng)能集熱器作為生活熱水水箱的第一熱源，在太陽(yáng)能滿足條件時(shí)啟動(dòng)水泵3，循環(huán)加熱水箱內(nèi)的水以供生活熱水；不足時(shí)啟動(dòng)空氣源熱泵制熱模式并啟動(dòng)水泵1，開啟制熱循環(huán)作為補(bǔ)充；當(dāng)空氣源熱泵在供冷工況或冬季需優(yōu)先滿足供熱需求時(shí)，以水箱內(nèi)置電輔助加熱器作為備用熱源.空氣源熱泵通過(guò)板式換熱器2及水泵2來(lái)優(yōu)先滿足末端的冷熱負(fù)荷，其次通過(guò)板式換熱器1及水泵1作為生活熱水的補(bǔ)充.

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)值計(jì)算

2.2.1 太陽(yáng)能集熱器數(shù)值模型

為了簡(jiǎn)化計(jì)算,本文選用了平板集熱器穩(wěn)態(tài)模型.模擬過(guò)程中的假設(shè)條件：(1)各部件對(duì)太陽(yáng)能集熱器熱容的影響可忽略不計(jì)；(2)太陽(yáng)能集熱器采光面無(wú)遮擋.

平板型太陽(yáng)能集熱器的能量平衡方程、總有效能量收集量和集熱效率的計(jì)算式[16]分別為

Qa=Ql+Qu+Qs

(1)

Qu=mCp(T11-T12)

(2)

(3)

式中:Qa為單位時(shí)間內(nèi)吸收的太陽(yáng)輻射能，W；Ql為單位時(shí)間內(nèi)能量損失,W；Qu為單位時(shí)間內(nèi)有用輸出能量，W；Qs為單位時(shí)間內(nèi)熱容的變化量，W；Cp為太陽(yáng)能集熱器內(nèi)工質(zhì)的定壓比熱容，取4.19 kJ/(kg·℃)；m為工質(zhì)的流量，kg/s；T11/T12為太陽(yáng)能集熱器中工質(zhì)的出/進(jìn)口溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；η為集熱效率；Aa為采光面積，m2；I為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，kW/m2；F′為太陽(yáng)能集熱器的效率因子，集熱器實(shí)際輸出的能量與假定整個(gè)吸熱板處于介質(zhì)平均溫度時(shí)輸出能量之比；τ為蓋板的太陽(yáng)光透過(guò)率；α為吸熱板的太陽(yáng)光透過(guò)率；UL為太陽(yáng)能集熱器的總熱損失系數(shù)，W/(m2·℃).

2.2.2 太陽(yáng)能集熱器集熱面積的計(jì)算

太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)中太陽(yáng)能貯熱系統(tǒng)為直接加熱式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng).集熱面積由系統(tǒng)負(fù)荷、集熱器類型、氣象參數(shù)、太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度等決定.依據(jù)文獻(xiàn)[17]，太陽(yáng)能集熱器集熱面積A的計(jì)算式為

(4)

式中：Qw為戶用日均用熱水量，3人×60 L/人=180 L，60 L/人為依據(jù)規(guī)范取中間值；ρw為水的密度；tend/to為貯熱水箱內(nèi)熱水的終止/初始設(shè)計(jì)溫度，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)與推薦取值分別為50/5 ℃；f為太陽(yáng)能保證率，按規(guī)范推薦取值45%；JT為太陽(yáng)能集熱器單位面積上的日平均太陽(yáng)輻射量，按標(biāo)準(zhǔn)附錄選取武漢市相應(yīng)數(shù)據(jù)為13 707.02 kJ/(m2)；ηcd為太陽(yáng)能集熱器年平均集熱效率，按標(biāo)準(zhǔn)附錄選取40%；ηL為貯熱水箱和管路系統(tǒng)的熱損失率，依據(jù)規(guī)范推薦范圍選取為20%.

將上述數(shù)值代入公式(4)計(jì)算可得：集熱器面積A=2.78 m2.

3 耦合供能系統(tǒng)模型

3.1 TRNSYS模型構(gòu)建

基于TRNSYS軟件，建立了如圖3所示夏熱冬冷地區(qū)兩居室住宅戶用太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)的仿真模型，各部件的型號(hào)選擇見表1.

圖3 戶用太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)TRNSYS仿真模擬圖

表1 TRNSYS仿真模型主要部件明細(xì)

3.2 耦合供能系統(tǒng)控制策略

空氣源熱泵供暖供冷控制：?jiǎn)⑼？刂粕?，在供?供暖季節(jié)，根據(jù)居家人員需求啟停；夜間4點(diǎn)以后為人員熟睡段，關(guān)閉臥室空調(diào).溫度控制上，由夏熱冬冷地區(qū)住宅用能模式的調(diào)研得：上學(xué)人群(青少年)冬夏在室溫度設(shè)定為24/22 ℃，上班人群(成年)設(shè)定為26/20 ℃，居家老人設(shè)定為28/18 ℃.研究表明，當(dāng)多類人群共處一室時(shí)，溫度控制傾向于年齡更低的人群，因此本文也依照此結(jié)論設(shè)定：當(dāng)多人同時(shí)在室時(shí)，溫度控制優(yōu)先級(jí)為上學(xué)人群>上班人群>居家老人.

生活熱水制熱控制：如圖4所示，首先判斷太陽(yáng)能集熱器出口水溫與貯熱水箱底部水溫溫差，若前者超過(guò)后者8 ℃，則啟動(dòng)集熱器側(cè)水泵并開啟太陽(yáng)能集熱循環(huán)，直至兩者溫差小于2 ℃.然后判斷水箱上部溫度是否大于47 ℃，若大于則停止循環(huán).否則判斷空氣源熱泵是否為供冷模式，非供冷模式時(shí)，啟動(dòng)空氣源熱泵制熱循環(huán)直至水箱上部溫度大于47 ℃；供冷模式時(shí)或開啟空氣源熱泵后有用水需求但水溫仍小于47 ℃時(shí)，則關(guān)閉空氣源熱泵，啟動(dòng)水箱內(nèi)電輔助加熱器直至水箱上部溫度超過(guò)47 ℃后關(guān)閉制熱系統(tǒng).

圖4 生活熱水制熱控制流程圖

生活熱水出水溫度控制：通過(guò)溫控閥監(jiān)控水箱頂部溫度，控制分流比例，當(dāng)使用生活熱水時(shí)，一部分自來(lái)水向貯熱水箱補(bǔ)水，貯熱水箱向用水端輸出與補(bǔ)水相同量的熱水到混水閥；與此同時(shí)，一部分自來(lái)水直接流向混水閥與水箱輸出的熱水混合以供使用.

4 仿真結(jié)果驗(yàn)證及分析

4.1 系統(tǒng)驗(yàn)證

本耦合供能系統(tǒng)中供生活熱水部分與文獻(xiàn)[18]中的太陽(yáng)能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相近、運(yùn)行邏輯相似，且文獻(xiàn)研究中包含夏熱冬冷地區(qū).因此本文以該文獻(xiàn)中的公開實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證本系統(tǒng)仿真模型運(yùn)行結(jié)果的準(zhǔn)確性，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)照結(jié)果如圖5所示.

圖5 太陽(yáng)能集熱效率與日照強(qiáng)度關(guān)系

從圖5可以看出：實(shí)際測(cè)試的集熱效率和模擬結(jié)果的集熱效率隨日照輻射總量的變化趨勢(shì)相同，且誤差范圍為4.0%～12.9%，平均誤差為7.3%，證明本研究所建立戶用太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)模型是準(zhǔn)確的.

4.2 系統(tǒng)能耗分析

在戶用太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)中需要用電的設(shè)備有：太陽(yáng)能集熱循環(huán)水泵、空氣源輔助制熱循環(huán)水泵、空氣源供冷供熱循環(huán)水泵、空氣源熱泵機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管及電輔熱設(shè)備，以時(shí)、月、年為積分時(shí)間分析各設(shè)備的能耗數(shù)據(jù).

如前述，本研究設(shè)定了兩居室中兩種家庭結(jié)構(gòu)并進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行逐時(shí)能耗對(duì)比，其中A家庭為兩名上班成員加一名上學(xué)成員，B家庭為兩名上班成員加一名居家老人成員.系統(tǒng)分季節(jié)逐時(shí)累計(jì)能耗模擬結(jié)果如圖6所示，睡眠非空調(diào)時(shí)間段供冷與供熱能耗均為0，此時(shí)一般為人睡眠后半段，由于人在深度睡眠階段對(duì)溫度敏感性降低，熱需求也隨之降低，關(guān)閉空調(diào)可節(jié)能.在夏季22∶00～23∶00空調(diào)能耗驟增，此時(shí)段，房間空調(diào)開啟臺(tái)數(shù)增多，故能耗最大.

圖6 兩種家庭結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)逐時(shí)累計(jì)耗電量

白天人員在室率較低能耗較少，夜間空調(diào)使用頻率更高，能耗也隨之增高，與文獻(xiàn)[19-20]的研究結(jié)果一致.一天中大多數(shù)時(shí)刻有學(xué)生的家庭A的能耗大于有老人的家庭B的能耗，這是因?yàn)榍嗌倌隉嵝枨蟾?，且在客廳這樣的公共空間時(shí)將溫度設(shè)定為自己偏好值的“利己行為”，使得公共空間空調(diào)能耗增加，從而有青少年的家庭的整體能耗增加.僅在12∶00～18∶00的時(shí)間段除外，因?yàn)榧彝僅在節(jié)假日有熱需求，雖然設(shè)置了學(xué)生寒暑假期，但考慮到實(shí)際情況，學(xué)生假期也設(shè)置為12點(diǎn)以前在室，而家庭B因老人在室一直有熱需求，因此該時(shí)間段能耗更大.

以A家庭的用能模型做進(jìn)一步研究分析，戶用太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)的各主要能耗設(shè)備逐月占比如圖7所示.空氣源熱泵的能耗占比最大，最大月份為十一月達(dá)92.34%，這是由于過(guò)渡季節(jié)無(wú)空調(diào)運(yùn)行能耗，僅生活熱水系統(tǒng)運(yùn)行而太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)能耗小，能耗集中在空氣源熱泵補(bǔ)熱運(yùn)行.電輔熱的月能耗最小為0.41 kW·h，最大為6.86 kW·h，累計(jì)為19.97 kW·h，月能耗占比在0.32%～4.11%間，年總能耗占比為0.94%，說(shuō)明空氣源熱泵作為生活熱水的補(bǔ)充熱源的耦合供能系統(tǒng)可滿足家庭用能需求，極少數(shù)情況下需要電輔熱運(yùn)行.

圖7 系統(tǒng)設(shè)備能耗逐月占比

4.3 集熱量及效率分析

圖8中曲線為集熱器所受太陽(yáng)能輻射量，全年各月太陽(yáng)能輻射量有明顯的差異，7月太陽(yáng)能輻射量最大，其值為456.90 MJ/m2，1月太陽(yáng)能輻射量最小，其值為255.19 MJ/m2.從集熱器吸收的有效集熱量柱狀圖可以看出太陽(yáng)能集熱器的集熱量最大值在8月為536.93 MJ，最小值在一月為266.29 MJ.

圖8 系統(tǒng)集熱量及武漢市太陽(yáng)能輻射量

武漢地處長(zhǎng)江流域，屬于太陽(yáng)能資源可利用區(qū)域.太陽(yáng)能集熱器吸收的有效集熱量一定程度上能滿足住宅家用生活熱水供應(yīng).而以模擬中設(shè)定的集熱器面積為2.78 m2計(jì)算可知，集熱器所受太陽(yáng)能輻射量遠(yuǎn)大于其實(shí)際集熱量，一方面是部分時(shí)間根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)已達(dá)到集熱循環(huán)關(guān)閉條件，系統(tǒng)暫停集熱；另一方面是平板集熱器的效率仍有提高空間.

由圖9可知，太陽(yáng)能集熱器集熱效率值集中在40%左右，其中三月達(dá)到最高為46.40%，在十二月最低為36.65%.太陽(yáng)能保證率為供給生活熱水所需熱量中太陽(yáng)能所占比率，表征系統(tǒng)利用太陽(yáng)能滿足用能需求的能力.夏熱冬冷地區(qū)氣候季節(jié)差異大，夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，氣溫及自來(lái)水溫偏高；而冬季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較小，氣溫及自來(lái)水溫低.由此太陽(yáng)能保證率相較集熱效率波動(dòng)較大和受季節(jié)影響的特點(diǎn)更為明顯：太陽(yáng)能保證率最大值出現(xiàn)在八月為96.22%，最小值出現(xiàn)在一月為28.22%，均值為60.53%，綜上，戶用太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)太陽(yáng)能利用率及保證率較高.

圖9 系統(tǒng)各性能系數(shù)及效率

空氣源熱泵的每月性能系數(shù)COP等于當(dāng)月制熱量與制冷量之和除以當(dāng)月熱泵總耗電量，其中，六月和九月的COP較高，分別為3.81和3.92，十二月至三月COP值約為2.50，其他月COP約為3.50，總體而言，夏季性能系數(shù)較大，過(guò)渡季其次，冬季最小.耦合供能系統(tǒng)能效比較大值集中在過(guò)渡季節(jié)：四、五、十月的系統(tǒng)能效比分別為7.29、9.08和6.99，這是由于過(guò)渡季節(jié)沒(méi)有供冷與供熱負(fù)荷，太陽(yáng)能輻射量較強(qiáng)、氣溫較高，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)運(yùn)行良好因此系統(tǒng)能效比高；冬季與夏季系統(tǒng)能效比則集中在2.7左右，系統(tǒng)全年能效比為4.22，由數(shù)據(jù)可知戶用太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)的效率和性能系數(shù)都處在正常范圍，該系統(tǒng)整體運(yùn)行是可靠且可持續(xù)的.

4.4 系統(tǒng)優(yōu)化分析

本研究在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首先調(diào)研建筑自身能耗情況，然后確定系統(tǒng)工作原理，結(jié)合當(dāng)?shù)靥?yáng)輻射等氣候情況調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，最終模擬得到系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率、系統(tǒng)能耗與能效比變化趨勢(shì)，從而反映其綜合性能.系統(tǒng)太陽(yáng)能保證率是反映耦合系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，除了太陽(yáng)能輻射量、建筑用能負(fù)荷、系統(tǒng)形式等因素，集熱器面積和貯熱水箱體積也是影響系統(tǒng)太陽(yáng)能保證率的重要因素.

考慮到住宅中太陽(yáng)能集熱器安裝空間的限制問(wèn)題，選取集熱器面積變化范圍為1～5 m2，由圖10可知，系統(tǒng)能效比與集熱器面積接近一次函數(shù)關(guān)系，增長(zhǎng)速率為0.78.太陽(yáng)能保證率和系統(tǒng)能耗與集熱器面積呈非線性關(guān)系，集熱器面積增大的幅度不變，保證率增大的程度逐漸變小，能耗下降的程度也逐漸變小.依照公式(4)，系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器面積設(shè)計(jì)計(jì)算值為2.78 m2，當(dāng)太陽(yáng)能集熱器面積大于3 m2后，集熱器面積每增大1 m2，系統(tǒng)最多可節(jié)能81 kW·h，而集熱器單位面積成本高于節(jié)能所帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益.因此推薦范圍為規(guī)范計(jì)算值所在的面積區(qū)間即2.7±0.3 m2.

圖10 不同集熱器面積下系統(tǒng)性能變化

僅改變供能系統(tǒng)貯熱水箱體積大小，系統(tǒng)各性能參數(shù)變化如圖11所示.水箱體積在小于0.15 m3范圍內(nèi)遞增時(shí)，系統(tǒng)的能耗大幅度降低，變化速率為546.05 kW·h/m3；太陽(yáng)能保證率及系統(tǒng)能效比增大明顯，增幅分別為11.58%和0.56.而當(dāng)水箱體積大于0.25 m3后，由于系統(tǒng)的用能負(fù)荷不變，系統(tǒng)太陽(yáng)能保證率和能效比均趨于定值，水箱體積增大但能耗反而上升.因此在兩居室用能模型中系統(tǒng)的貯熱水箱容積推薦范圍為0.20±0.05 m3.

圖11 不同水箱體積下系統(tǒng)性能變化

4.5 經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益

武漢市住宅用電與用水實(shí)行分檔累進(jìn)遞增的階梯價(jià)格，具體如表2所示.以耦合供能系統(tǒng)為例：系統(tǒng)年運(yùn)行耗電量的模擬結(jié)果為2 176.46 kW·h；三口之家年用水量為175.2 m3[21]；設(shè)備年維護(hù)費(fèi)為初始投資費(fèi)用×年維護(hù)費(fèi)率(2%)；三項(xiàng)累加得到系統(tǒng)的全年運(yùn)行費(fèi)用.計(jì)算結(jié)果見表3，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)投資回收期是根據(jù)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)相對(duì)于全空氣源熱泵系統(tǒng)的增投資和年節(jié)省費(fèi)兩個(gè)指標(biāo)計(jì)算得出的，結(jié)果顯示系統(tǒng)投資回收期均小于武漢地區(qū)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)15年的使用壽命[22]，增投資成本可回收，系統(tǒng)全生命周期經(jīng)濟(jì)性更優(yōu).

表2 武漢市住宅用電與水價(jià)格表

表3 供能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

通過(guò)折合碳排放量來(lái)分析太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)的環(huán)保效益.依照計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)[23]，系統(tǒng)全年運(yùn)行總碳排放計(jì)算式為

(5)

本系統(tǒng)暫不考慮建筑綠地碳匯系統(tǒng)年減碳量Cp；本研究計(jì)算某建筑全年碳排放量，故運(yùn)行年數(shù)y取1，略去建筑面積A.由上對(duì)原計(jì)算公式進(jìn)行簡(jiǎn)化得建筑運(yùn)營(yíng)階段年碳排放量計(jì)算公式為

(6)

式中：CYX為建筑運(yùn)行階段碳排放量，kgCO2；Ei為建筑第i類能源年消耗量，kW·h或m3；EFi為第i類能源的碳排放因子，kg/kW·h或kg/m3；i為建筑消耗終端能源類型；n為消耗的能源，共n種，消耗量如表4.

表4 建筑運(yùn)行階段能源消耗量與能源碳排放因子

計(jì)算得到太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)年碳排放量為3977.63 kg，空氣源熱泵供能系統(tǒng)年碳排放量為4598.83 kg.一戶三口之家全年最少可減少碳排放621.20 kg，以湖北省為例，湖北全省共有家庭戶1993.10萬(wàn)戶，其中約28.4%為三口之家[26]，即566.04萬(wàn)戶，則僅湖北省一年即可減少碳排放近351.62萬(wàn)t.

5 結(jié)論

針對(duì)上述基于TRNSYS的戶用太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)性能模擬研究可得出以下結(jié)論：

(1)戶用太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)的能耗隨用能需求的不同而不同，有學(xué)齡成員的家庭由于青少年的利己行為，在室時(shí)能耗更高，有居家老人的家庭在室耗能時(shí)間更長(zhǎng).電輔熱年總能耗占系統(tǒng)總能耗僅為0.94%，說(shuō)明太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)利用可再生能源即可滿足一般家庭用能需求；

(2)雖然夏熱冬冷地區(qū)氣候季節(jié)性變化大，但是太陽(yáng)能集熱器全年集熱效率穩(wěn)定在40%左右；年太陽(yáng)能保證率為60.53%.同時(shí)系統(tǒng)全年能效比為4.22，可以看出耦合供能系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用程度較高且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠.與全空氣源熱泵供能系統(tǒng)比較，系統(tǒng)成本回收期在設(shè)備生命回收期內(nèi)，且每年可減少碳排放12.9%.證明采用太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合供能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益更高的同時(shí)具有節(jié)能性與環(huán)保性；

(3)在可利用空間范圍內(nèi)，太陽(yáng)能集熱器面積的增大帶來(lái)系統(tǒng)能效比的增大和能耗的降低，而貯熱水箱體積在大于一定值后，對(duì)系統(tǒng)性能提升很小.以夏熱冬冷地區(qū)兩居室為例，空氣源熱泵依據(jù)供冷供熱負(fù)荷選型后，綜合經(jīng)濟(jì)性因素，匹配的太陽(yáng)能集熱器面積推薦范圍為2.7 ± 0.3 m2、貯熱水箱容積推薦范圍為0.20 ± 0.05 m3，本研究所得性能變化結(jié)論可為太陽(yáng)能-空氣源熱泵耦合系統(tǒng)在住宅建筑實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù).