SHW系統(tǒng)和SHPHW系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的性能模擬與分析

徐振， 田琦， 王永帥， 田健

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

目前，太陽(yáng)能熱利用技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)及太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)中，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)已成為技術(shù)上最為成熟，經(jīng)濟(jì)上最具競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)用上最為廣泛，產(chǎn)業(yè)化上發(fā)展最為迅速的太陽(yáng)能光熱利用技術(shù)[1].自Jordan等[2]首次將太陽(yáng)能集熱器與熱泵結(jié)合后，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)表現(xiàn)出既克服太陽(yáng)能低密度、不穩(wěn)定等缺陷，又能節(jié)省能源等優(yōu)勢(shì).在太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)的研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在實(shí)驗(yàn)和模擬等方面均進(jìn)行了大量的研究[3-12].馬洪亭等[13]搭建太陽(yáng)能-水源熱泵多能互補(bǔ)地板輻射供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)城市集中供暖系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出太陽(yáng)能保證率達(dá)24%以上，且該系統(tǒng)比傳統(tǒng)區(qū)域鍋爐房集中供暖系統(tǒng)節(jié)能30.55%.馮濤等[14]基于TRNSYS軟件建立太陽(yáng)能-地源熱泵-水源熱泵-空氣源熱泵多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)，對(duì)南京地區(qū)某科研樓示范項(xiàng)目進(jìn)行模擬，得到運(yùn)行約2 a即可回歸成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益.朱繼宏等[15]根據(jù)不同地區(qū)負(fù)荷特性，利用TRNSYS平臺(tái)對(duì)建筑適用性進(jìn)行了分析，得出嚴(yán)寒地區(qū)及寒冷地區(qū)太陽(yáng)能水源熱泵適用性較好，環(huán)境效益明顯.陳景等[16]以南京某別墅的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)供暖系統(tǒng)的水箱體積和太陽(yáng)能集熱面積比值(VAR)進(jìn)行研究，表明當(dāng)VAR取值在0.053～0.073之間時(shí)，系統(tǒng)的全年費(fèi)用達(dá)到最低，系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率在53.26%左右.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的內(nèi)容主要集中在太陽(yáng)能熱利用中集熱器性能提升，以及集熱器與熱泵機(jī)組耦合后的運(yùn)行特性上，而對(duì)上述提及的兩種熱水系統(tǒng)在同一地區(qū)的運(yùn)行性能比較方面研究較少，缺少在系統(tǒng)選擇上的理論支撐.因此，本文以太陽(yáng)能熱水(solar hot water，SHW)系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱泵熱水(solar heat pump hot water，SHPHW)系統(tǒng)為對(duì)象，研究其在同一環(huán)境下的運(yùn)行性能，以期為我國(guó)寒冷地區(qū)農(nóng)村清潔供暖(或生活熱水)系統(tǒng)選擇應(yīng)用上提供一定的指導(dǎo).

1 SHW系統(tǒng)和SHPHW系統(tǒng)布局

SHW系統(tǒng)和SHPHW系統(tǒng)的原理圖，如圖1，2所示.SHW系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能集熱器在白天接收太陽(yáng)輻射，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，并通過供熱水箱儲(chǔ)存起來作為生活熱水或供暖使用.供暖時(shí)，啟動(dòng)供暖側(cè)循環(huán)水泵，將水箱熱水送至用熱末端，當(dāng)供熱水箱內(nèi)的溫度低于供暖設(shè)定溫度(40 ℃)時(shí)啟動(dòng)水箱內(nèi)輔助電加熱器.

SHPHW系統(tǒng)不同于SHW系統(tǒng)的地方在于，其多配置了一套一體式水源熱泵機(jī)組(自帶循環(huán)水泵)和容積較小的蓄熱水箱.白天，集熱器經(jīng)太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化的熱能進(jìn)入較小的蓄熱水箱內(nèi)，提升水箱初始溫度，便于熱泵快速啟動(dòng)；而熱泵消耗少量的電能，在蒸發(fā)器側(cè)吸收蓄熱水箱的熱量經(jīng)制熱循環(huán)，并在冷凝器側(cè)將熱量釋放至供熱水箱內(nèi)儲(chǔ)存起來.

圖1 SHW系統(tǒng)原理圖 圖2 SHPHW系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of SHW system Fig.2 Schematic diagram of SHPHW system

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

SHW系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

Qj+Qaux=Qt，l.

(1)

式(1)中：Qj為太陽(yáng)能集熱器的得熱量，kJ；Qaux為電輔助加熱量，kJ；Qt，l為供熱水箱得熱量，kJ.

SHPHW系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

(2)

式(2)中：Qt，s為蓄熱水箱提供的熱量，kJ；Ph為水源熱泵機(jī)組運(yùn)行功率，kW；τ1，τ2分別為熱泵開啟和停運(yùn)的時(shí)間，s.

集熱器得熱量的計(jì)算公式為

(3)

式(3)中：I為太陽(yáng)輻照度，W·m-2；η為集熱器的瞬時(shí)效率；A為集熱器的采光面積，m2；τ3，τ4分別為太陽(yáng)輻射照射在集熱器開始和終止的時(shí)間，s；mf為集熱器的質(zhì)量流量，kg·s-1；Cp為水的定壓比熱容，kJ·(kg·s)-1；tf，1，tf，2分別為集熱器瞬時(shí)進(jìn)口和出口溫度， ℃.

水箱得熱量的計(jì)算公式為

Qt，i=mtCp(tt，2-tt，1)，i=l，s.

(4)

式(4)中：mt為水箱內(nèi)水的質(zhì)量，kg；tt，1，tt，2分別為水箱內(nèi)的初始和終止溫度， ℃.

輔助電加熱量計(jì)算公式為

(5)

式(5)中：Paux為輔助電加熱的功率，kW；τ5，τ6分別為輔助電加熱器開啟和停運(yùn)的時(shí)間，s.

3 TRNSYS模型及參數(shù)設(shè)置

以山西省太原市典型氣象年數(shù)據(jù)為氣象參數(shù)，在系統(tǒng)原理圖和數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，依托TRNSYS軟件，分別建立SHW系統(tǒng)模擬平臺(tái)和SHPHW系統(tǒng)模擬平臺(tái)，分別如圖3，4所示.通過模擬得到系統(tǒng)的全年運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)兩種系統(tǒng)進(jìn)行比較分析.

3.1 SHW系統(tǒng)

SHW系統(tǒng)選用Type2b(控制器)，Type3(循環(huán)水泵)，Type4a(水箱)，Type14h(時(shí)間相關(guān)函數(shù))，Type15(天氣數(shù)據(jù)處理器)，Type65c(繪圖儀)，Type71(真空管太陽(yáng)能集熱器)進(jìn)行模型建立和仿真模擬.SHW系統(tǒng)仿真模型由集熱面積為14.9 m2的真空管太陽(yáng)能集熱器，一臺(tái)功率為0.04 kW，額定流量為35 L·min-1的循環(huán)水泵和蓄水量為2 m3的供熱水箱(內(nèi)含功率為10 kW的輔助電加熱器)構(gòu)成太陽(yáng)能集熱循環(huán)系統(tǒng).為防止循環(huán)水泵頻繁啟停，以供熱水箱的出口溫度比太陽(yáng)能集熱器的出口溫度低1 ℃時(shí)關(guān)閉循環(huán)泵，溫差高3 ℃時(shí)開啟循環(huán)泵作為太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的控制策略.

3.2 SHPHW系統(tǒng)

SHPHW系統(tǒng)選用Type668(水源熱泵)進(jìn)行模型建立和仿真模擬.SHPHW系統(tǒng)的仿真模型由集熱面積為14.9 m2的真空管太陽(yáng)能集熱器，一臺(tái)功率為0.04 kW，額定流量為35 L·min-1的循環(huán)水泵和蓄水量為0.5 m3的蓄熱水箱構(gòu)成太陽(yáng)能集熱循環(huán)系統(tǒng)，由蓄水量為2 m3的供熱水箱(內(nèi)含功率為10 kW的輔助電加熱器)，額定制熱量為7.4 kW的熱泵機(jī)組，一臺(tái)相同參數(shù)的循環(huán)水泵構(gòu)成水源熱泵循環(huán)系統(tǒng).在熱泵蒸發(fā)器側(cè)設(shè)置相同參數(shù)的水泵，用以太陽(yáng)能集熱循環(huán)系統(tǒng)和水源熱泵循環(huán)系統(tǒng)之間的連接.

圖3 SHW系統(tǒng)仿真模型 圖4 SHPHW系統(tǒng)仿真模型Fig.3 SHW system simulation model Fig.4 SHPHW system simulation model

為保證熱泵機(jī)組的正常運(yùn)行溫度，以熱泵熱源側(cè)(0.5 m2的蓄熱水箱內(nèi))水溫低于10 ℃時(shí)熱泵停止運(yùn)行，高于15 ℃時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行作為熱泵機(jī)組的控制策略.太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵的控制策略與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)相同.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在山西省太原市建立了SHW和SHPHW兩套系統(tǒng)，并進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示.系統(tǒng)共包含十二組真空管集熱器，每組集熱器安裝25根真空管，管間距均為21.4 mm，兩個(gè)蓄水量為2 m3的供熱水箱(內(nèi)含功率為10 kW的輔助電加熱器)，一個(gè)蓄水量為0.5 m3的蓄熱水箱和一臺(tái)額定制熱量為7.4 kW一體式熱泵機(jī)組(自帶循環(huán)水泵).

(a) SHW系統(tǒng) (b) SHPHW系統(tǒng)圖5 兩套系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.5 Experimental setups of two systems

實(shí)驗(yàn)中所使用的單只真空管和XYG-6T型水源熱泵的主要參數(shù)，分別如表1，2所示.表1中：A為采光面積；pR為額定工作壓力；Vc為集熱器流體容量；l，b分別為外形尺寸的長(zhǎng)和寬.表2中：Qn為名義制熱量；PR為額定功率；m為R22制冷劑質(zhì)量；te，tc分別為蒸發(fā)溫度和冷凝溫度；ph/l為高/低壓側(cè)最大允許壓力；ps，pe分別為吸氣側(cè)、排氣側(cè)最大允許壓力；pu為機(jī)組水側(cè)最大允許壓力；l，b，h分別為外形尺寸的長(zhǎng)、寬和高.此外，XYG-6T型水源熱泵名義制熱量測(cè)試工況為室內(nèi)干球溫度和濕球溫度分別為20，15 ℃，蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)水溫度為20 ℃，機(jī)組正常制熱蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)水溫度范圍為10～35 ℃.

表1 單只真空管集熱器的主要參數(shù)Tab.1 Parameters of a single vacuum tube collector

表2 XYG-6T型水源熱泵的主要參數(shù)Tab.2 Water source heat pump parameters of XYG-6T type

在太陽(yáng)能集熱循環(huán)回路、熱泵連接水箱回路設(shè)置流量測(cè)點(diǎn)和進(jìn)出口溫度測(cè)點(diǎn)，水箱上中下部設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn).環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置太陽(yáng)能輻射儀，記錄系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的氣象數(shù)據(jù)變化，同時(shí)設(shè)置配電箱進(jìn)行系統(tǒng)用電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

圖6 SHW系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與模擬的曲線對(duì)比Fig.6 Curve comparison between SHW system experiment and simulation

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

選取10月27日兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與當(dāng)天的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，SHW系統(tǒng)和SHPHW系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與模擬曲線圖,分別如圖6，7所示.圖6,7中:t為水溫；Ph為熱泵功率.

(a) 水箱內(nèi)水溫 (b) 熱泵功率圖7 SHPHW系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與模擬的曲線對(duì)比Fig.7 Curve comparison between SHPHW system experiment and simulation

從圖6可知：實(shí)驗(yàn)與模擬的水箱內(nèi)實(shí)時(shí)水溫最大誤差為4.2%，平均誤差為1.8%.從圖7(a)可知：2 m3水箱內(nèi)實(shí)驗(yàn)與模擬溫度最大誤差為3.2%，平均誤差為1.8%；0.5 m3水箱內(nèi)實(shí)驗(yàn)與模擬溫度的最大誤差為12.5%，平均誤差為6.4%.從圖7(b)可知：熱泵的運(yùn)行功率最大誤差為6.1%，平均誤差為4.1%.兩種系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與模擬的曲線變化趨勢(shì)一致,誤差均在合理范圍內(nèi).因此，可以通過建立的TRNSYS模型對(duì)實(shí)際的系統(tǒng)進(jìn)行全年運(yùn)行模擬，以便后續(xù)分析.

4.3 集熱器得熱量

根據(jù)式(3)得出兩種系統(tǒng)全年運(yùn)行過程中集熱器每月得熱量(Qj)，如圖8所示.從圖8中可知：SHW系統(tǒng)和SHPHW系統(tǒng)的集熱器得熱量受氣候條件的影響呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在5月份的太陽(yáng)輻射量大，得熱量最多，分別為7.50，7.57 GJ；而12月份太陽(yáng)輻射量少，得熱量最小，分別為2.33，2.39 GJ.此外，SHPHW系統(tǒng)中由于熱泵運(yùn)行，使得太陽(yáng)能集熱循環(huán)系統(tǒng)整體運(yùn)行溫度更低，較SHW系統(tǒng)獲得更多的熱量.

為比較系統(tǒng)集熱器集熱優(yōu)勢(shì)，定義SHPHW系統(tǒng)較SHW系統(tǒng)每月多獲取的得熱量，其與SHW系統(tǒng)集熱器得熱量的比值為SHPHW系統(tǒng)集熱器增益率(δ)，如圖9所示.從圖9中可知：集熱器增益率呈現(xiàn)與當(dāng)?shù)卦缕骄鶞囟认喾吹淖兓厔?shì)，在最熱的7月份，集熱器增益率最小，為0.77%，而在12月份集熱器增益率最大，為2.60%.

綜上所述，SHPHW系統(tǒng)較SHW系統(tǒng)集熱器集熱優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)較為明顯的時(shí)期在冬季，而夏季這一優(yōu)勢(shì)相對(duì)較弱.

圖8 SHW系統(tǒng)及SHPHW系統(tǒng)集熱器月得熱量 圖9 系統(tǒng)集熱器增益率變化曲線 Fig.8 SHW system and SHPHW system Fig.9 Gain rate variation curve heat collector monthly heat gain of system collector

4.4 太陽(yáng)能保證率

太陽(yáng)能保證率是衡量太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，指太陽(yáng)能供熱水系統(tǒng)中由太陽(yáng)能供給的能量占系統(tǒng)總熱需求的百分比.其計(jì)算式為

(6)

式(6)中：RSF為太陽(yáng)能保證率.

SHW系統(tǒng)和SHPHW系統(tǒng)全年模擬過程中每月能源所占比例，如圖10所示.由圖10(a)可知:太陽(yáng)能保證率大于50%的月份為4月至9月，5月份達(dá)到最大值為70%.此時(shí)，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為有用能的熱量為7.5 GJ，輔助電加熱當(dāng)月僅需提供3.2 GJ；而其他月份因?yàn)樘?yáng)輻射量的減少，太陽(yáng)能保證率有所降低，在12月份時(shí)，達(dá)到最低值，當(dāng)月太陽(yáng)能保證率僅有25%，占當(dāng)月總的熱需求的1/4.總體而言，SHW系統(tǒng)全年太陽(yáng)能保證率為48%.

(a) SHW系統(tǒng) (b) SHPHW系統(tǒng)圖10 SHW系統(tǒng)和SHPHW系統(tǒng)每月能源所占比例Fig.10 Monthly energy share of SHW system and SHPHW system

從圖10(b)可知：熱泵的運(yùn)行提高了太陽(yáng)能保證率，顯著減少了輔助電加熱能源的占比.以7月份為例，SHPHW系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率為64%，輔助電加熱器僅提供14%的能量；相較于SHW系統(tǒng)，SHPHW系統(tǒng)當(dāng)月太陽(yáng)能保證率提高了4%，輔助電加熱器耗能減少了26%.總體而言，SHPHW系統(tǒng)全年太陽(yáng)能保證率為53%，較SHW系統(tǒng)總體提高5%.

4.5 系統(tǒng)年綜合性能系數(shù)

以年綜合性能系數(shù)作為系統(tǒng)運(yùn)行性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，定義其為系統(tǒng)全年得到的總熱量與系統(tǒng)消耗的總電能的比值，計(jì)算式為

(7)

式(7)中：CAPF為系統(tǒng)年綜合性能系數(shù)；Qa為系統(tǒng)年得熱量，kJ；Qr為系統(tǒng)消耗的總電能，kJ.

基于TRNSYS模擬的全年數(shù)據(jù)可知，SHW系統(tǒng)和SHPHW系統(tǒng)各組件的全年運(yùn)行能耗分別為18 011.5，15 064.3 kW·h，總熱需求均為30 676.4 kW·h，則經(jīng)計(jì)算兩個(gè)系統(tǒng)的年綜合性能系數(shù)分別為1.70，2.04.由此可知，在總熱需求一定情況下，年綜合性能系數(shù)越大，運(yùn)行能耗越低.

4.6 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

以投資回收年限法作為系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算式為

(8)

式(8)中：N為SHPHW系統(tǒng)的投資回收期，a；I為系統(tǒng)投資費(fèi)用，元；R為系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用，元.

文中采用投資回收年限法(包含初投資和運(yùn)行費(fèi)用)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià).對(duì)于SHW系統(tǒng)的初投資，其設(shè)備費(fèi)包含有真空管太陽(yáng)能集熱器、供熱水箱、循環(huán)水泵及其管路等附屬裝置，運(yùn)行費(fèi)用主要由循環(huán)水泵及水箱內(nèi)的輔助電加熱器消耗的電量決定；而對(duì)于SHPHW系統(tǒng)的初投資，相對(duì)SHW系統(tǒng)，其設(shè)備費(fèi)多了一套一體式水源熱泵機(jī)組及便于熱泵快速啟動(dòng)的小型蓄熱水箱，運(yùn)行費(fèi)中另包含有水源熱泵機(jī)組的耗電量.

根據(jù)目前的市場(chǎng)價(jià)格，0.5 m3的蓄熱水箱價(jià)格為1 060元，一體式水源熱泵機(jī)組的價(jià)格為7 500元，當(dāng)?shù)仉妰r(jià)為0.487元.由此，根據(jù)式(8)可計(jì)算得出，相對(duì)于SHW系統(tǒng)而言，SHPHW系統(tǒng)投資回收年限為6 a.

5 結(jié)論

以太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)(SHW系統(tǒng))和太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)(SHPHW系統(tǒng))為對(duì)象，研究其在同一環(huán)境下的運(yùn)行性能，得到如下3點(diǎn)主要結(jié)論.

1) 在寒冷地區(qū)，SHPHW系統(tǒng)和SHW系統(tǒng)集熱器的月平均得熱量整體相近.以集熱器增益率為指標(biāo)計(jì)算出的SHPHW系統(tǒng)曲線呈現(xiàn)與月平均溫度相反的變化趨勢(shì)，即冬季增益率較高而夏季較低，SHPHW系統(tǒng)集熱器年平均增益率為1.3%.

2) 相較于SHW系統(tǒng)，SHPHW系統(tǒng)可以有效提高全年太陽(yáng)能保證率，顯著減少了輔助電加熱能源的占比，其全年運(yùn)行能效提升16.36%，整體效果優(yōu)良.

3) 按照電價(jià)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，SHPHW系統(tǒng)相對(duì)SHW系統(tǒng)投資回收期為6 a.因此，在我國(guó)寒冷地區(qū)，保障農(nóng)村供暖及生活熱水使用方面應(yīng)優(yōu)先選用SHPHW系統(tǒng)，它具有一定的經(jīng)濟(jì)效益.