王滿鵬
摘要:太陽能具有綠色無污染、可持續(xù)性強的特性,因此,太陽能在建筑供暖中的應(yīng)用受到了工程技術(shù)人員普遍的關(guān)注。筆者選取蘭州地區(qū)典型年氣象資料,利用數(shù)值分析軟件 TRNSYS 對一房屋開展了太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的動態(tài)模擬及輻射采暖系統(tǒng)的優(yōu)化,研究了整個供暖時段房屋的太陽能輻射狀況、集熱保證率、空氣源熱泵集熱效率。得出供暖時段房屋熱負荷與其它因素之間的相互影響情況,確定了住宅太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。研究成果為我國西部地區(qū)太陽能資源在建筑供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞:太陽能;空氣源熱泵;熱負荷;室內(nèi)溫度
中圖分類號:TK51文獻標志碼:A
0 引言
能源是促進社會進步的關(guān)鍵,而且為人民生活水平的提高保駕護航。我國雖地大物博,但人均資源占有量低,是名副其實的“能源劣勢國”。隨著經(jīng)濟持續(xù)增長,居民對舒適度和居住面積的要求不斷提高,能源使用現(xiàn)狀與建筑能耗不協(xié)調(diào)之間的矛盾逐步加劇。在社會發(fā)展、能源及環(huán)境保護的多向需求下,利用新能源代替常規(guī)高污染能源是現(xiàn)代建筑的主要趨向。我國西部地區(qū)太陽能資源豐富,市場需求巨大,但缺乏能夠?qū)崿F(xiàn)與建筑一體化的太陽能產(chǎn)品,因而太陽能的推廣應(yīng)用不夠理想,特別是太陽能輔助空氣源熱泵的應(yīng)用處于探索階段[1]。
20世紀50年代,國外學(xué)者首先對空氣源熱泵開展了研究,發(fā)現(xiàn)太陽能熱泵相比其他太陽能設(shè)施優(yōu)越性更明顯,從而首創(chuàng)性提出了太陽能熱泵綜合系統(tǒng),該系統(tǒng)大大提高了集熱器和熱泵的效率[ 2] 。Anderson 等[3]基于熱負荷原理構(gòu)建了一套較高效率的太陽能熱泵體系。我國開展太陽能熱泵系統(tǒng)的研究比發(fā)達國家遲,趙軍等[4]通過理論分析和現(xiàn)場試驗,研發(fā)的太陽能集熱系統(tǒng)在全年各個時段能供應(yīng)熱水滿足居民的日常生活。李舒宏等[5]針對不同室內(nèi)環(huán)境的空氣源熱泵供水溫度變化情況開展了探討。李海林等[6]提出了太陽能空氣源熱泵供熱系統(tǒng)的設(shè)計方案,并以蘭州地區(qū)某辦公樓為對象,利用 TRNSYS 軟件進行了組態(tài)和運行狀況的數(shù)值模擬及性能分析。魏毅立等[7]按照能源逐級利用原則,設(shè)計了太陽能-空氣源熱泵供暖體系,改善了太陽能供暖系統(tǒng)供暖質(zhì)量低的問題。
歐美學(xué)者對建筑節(jié)能進行了廣泛研究,在節(jié)能技術(shù)、經(jīng)濟性方面積累了豐富的成果,借鑒歐美的成功經(jīng)驗提出適合蘭州地區(qū)氣象條件和經(jīng)濟發(fā)展水平的建筑節(jié)能技術(shù)非常必要。蘭州地區(qū)太陽能資源豐富,但是相關(guān)研究較少。筆者對蘭州市安裝有太陽能輔助空氣源熱泵的一房屋利用 TRNSYS 數(shù)值軟件開展了供暖系統(tǒng)的計算,所得結(jié)果為太陽能資源的利用提供借鑒。
1 住宅系統(tǒng)的TRNSYS模擬
1.1 住宅系統(tǒng)模型及氣象資料
模擬房屋分區(qū)如圖1 所示,氣象資料選取蘭州地區(qū)典型年冬冷月氣象資料,時間為1 月1 日~31日。
1.2 模擬結(jié)果分析
空氣源熱泵與太陽能組合是一種新型供暖方式,利用蘭州地區(qū)豐富的太陽能資源,有效降低化學(xué)能源消耗;且集熱系統(tǒng)易于操作、便于維修。利用TRNSYS軟件對模擬房屋不采暖時的溫度進行探討,得到主要實驗房的溫度變化情況,如圖2所示。
由圖2知,四個主要實驗房間室內(nèi)溫度都維持在—6.53℃~14.64℃,但是每個房間溫度有較大的差別。其中溫度最低的是201房間,溫度最高的是202房間,結(jié)合圖1中房間的具體布置位置情況,可以發(fā)現(xiàn)溫度的不同和房間朝向、外圍護墻體數(shù)量、房間面積等有關(guān)。同時可以發(fā)現(xiàn)房間內(nèi)的最低溫度要高于室外溫度,這也證明了良好的圍護結(jié)構(gòu)能夠提升室內(nèi)溫度。
圖3給出了104房間和202房間在最低大氣溫度季節(jié)中室內(nèi)溫度和室外溫度的變化情況(Tamb曲線代表室外溫度的變化)。結(jié)合圖1可以知道104房間和202房間的面積、朝向完全一致,但是104房間的溫度要高于 202房間,這是由于202房間比104房間多一屋頂,散熱量大,導(dǎo)致室內(nèi)溫度較低。
2太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的動態(tài)模擬2.1 建立系統(tǒng)仿真模型
借助TRNSYS數(shù)值模擬軟件對太陽能輔助空氣源熱泵地板供暖系統(tǒng)建模,用到TRNSYS軟件自帶的前置計算模塊有:集熱器計算模塊、氣象數(shù)據(jù)資料計算模塊、控制器計算模塊、水泵計算模塊、儲熱水箱計算模塊、換熱器計算模塊、建筑模型計算模塊、空氣源熱泵計算模塊;后處理模塊有:方程編輯器模塊、繪圖儀模塊。在建筑模型計算模塊中設(shè)置地暖盤管,地板設(shè)置為輻射采暖體系。
2.2 模擬結(jié)果分析
利用在線繪圖儀后處理模塊將相關(guān)模擬計算所得數(shù)據(jù)輸入到統(tǒng)計數(shù)據(jù)軟件Excel中,再利用數(shù)據(jù)處理軟件Origin分析數(shù)據(jù)并繪圖。以不同時間室內(nèi)溫度反映采暖期熱負荷的變化情況,具體1月室內(nèi)熱負荷隨溫度變化情況如圖4所示。
由圖4得室內(nèi)主要房間需要的采暖負荷與室外溫度成反比,以客廳101室、老人臥室104、臥室201和臥室202為典型房間研究采暖房間的供暖負荷需求。101室由于外圍護面積大,且有四個外窗,室外進入房間的冷空氣多,耗散熱量大,室內(nèi)溫度保持穩(wěn)定需要的熱量高,熱負荷曲線在圖4的最上面。其他三個房間面積小,所需供暖負荷位于Q101的下方。104房間和202房間的房屋結(jié)構(gòu)和外圍護結(jié)構(gòu)基本相同,但202房間比104房間多一屋頂,因此202房間所需供暖負荷大于104房間。
圖5給出了太陽能保證率(f為太陽能保證率)隨著最冷月室外溫度變化的趨勢。從圖5可知各個時間內(nèi)太陽能保證率與室外溫度不具有相關(guān)性,太陽能保證率固定在0.5左右。
圖6為室外溫度和空氣源熱泵機組出口處的熱水溫度之間的相關(guān)規(guī)律,由圖6得集熱器出水溫度主要受天氣陰晴影響。蘭州地區(qū)太陽光照時間長,白天集熱器出水溫度能平均保持到65℃,該溫度符合地板輻射采暖系統(tǒng)對供水溫度的閥值要求;冬季超過8h光照情況下出水溫度都可以達到55℃,但缺點在于夜間集熱效率驟降,需對管路和水箱保溫,避免凍結(jié)。
3 太陽能輔助空氣源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)的模擬優(yōu)化
根據(jù)前述借助的TRNSYS數(shù)值模擬軟件所得結(jié)果,開展太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的參數(shù)分析,根據(jù)分析結(jié)果對熱泵系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化。通過參數(shù)模擬優(yōu)化對影響太陽能保證率、水箱體積的要素開展探討。
3.1 基本參數(shù)設(shè)置
利用前述計算所得基本參數(shù)開展優(yōu)化,所用基本參數(shù)有:7塊并聯(lián)連接面積合計為14㎡的平板集熱器,揚程為5m、流量為1.008㎡3/h的集熱循環(huán)泵,體積為1.4㎡拼裝型水箱。參照建筑動態(tài)負荷分時段、分種類供暖,反映實驗房屋熱狀況隨時間的變化過程。
3.2 平板集熱器面積的優(yōu)化模擬
在采暖溫度固定的條件下,改變集熱器面積可以調(diào)整太陽能保證率。太陽能保證率隨集熱器面積的關(guān)系如圖7所示。
由圖7得,在太陽能集熱器面積逐步增大過程中對應(yīng)的太陽能保證率也在增大;當集熱器面積達到14㎡后,采用增加集熱器面積提高太陽能保證率的效果不明顯。例如當集熱器面積從14㎡增加到16㎡時太陽能保證率增加了0.12;而當集熱器面積從16㎡增加到18㎡時,太陽能保證率只增加了0.05。本次設(shè)計的太陽能輔助空氣源熱泵,太陽能集熱器面積選擇14㎡,對系統(tǒng)來說較為經(jīng)濟合理。
3.3 蓄熱水箱體積優(yōu)化模擬
太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)中集熱器面積是固定的,當選用不同的蓄熱水箱體積時水箱中的水溫會有變化。在具體優(yōu)化模擬中設(shè)置平板集熱器面積和集熱流量不變,其中集熱器面積為14㎡、流量為1.008㎡/h。
1月份蓄熱水箱內(nèi)熱水平均溫度變化與水箱體積的關(guān)系如圖8所示。
從圖8可以看出,水箱中水溫上升速度和水箱體積大小直接相關(guān)。0.3㎡3的水箱水溫升到60℃所需時間最短,且在1月份大部分時間能達到設(shè)定的最低溫度;0.6㎡的水箱升溫過程與0.3㎡的相差不大。0.3㎡3和0.6㎡3水箱的體積偏小,在使用熱水過程中由于儲水體積限制,會造成供熱不穩(wěn)定現(xiàn)象。2.0m3水箱的升溫速度不但慢、成本也較高,在蘭州地區(qū)選擇1.4㎡的水箱能滿足大部分家庭生活用水的需求。供暖期,個別房間沒人或房間溫度需求較低,通過分室分流控制室溫,使辦公或居家環(huán)境更舒適,滿足個人需要以此來降低采暖實際負荷。
4 結(jié)論
借助TRNSYS數(shù)值模擬軟件,對一安裝有太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的房屋開展了數(shù)值模擬并對相關(guān)數(shù)據(jù)展開了探討,得出的主要結(jié)論有:
(1) 分別研究了不采暖和采暖兩種情況下模擬實驗房屋的室內(nèi)溫度及室內(nèi)逐時熱負荷隨室外溫度的變化情況;
(2) 通過對整個采暖期太陽能輻射、太陽能保證率、太陽能集熱器效率隨室外溫度的變化情況開展了研究和分析,得出整個采暖期建筑用熱負荷的變化情況及相關(guān)因素之間的關(guān)系;
(3)對住宅太陽能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)做了優(yōu)化模擬,確定了系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。與常用單一熱源采暖系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)結(jié)合蘭州氣候特點最大化利用了太陽光照資源,在節(jié)能減排方面意義重大。
參考文獻:
[1]宮自強,季福坤. 我國太陽能應(yīng)用的可行性分析[J]. 華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2000(1) :31-34.
[2] Jordan R C,Threlkeld J L. Design and economics of solar en?ergy heat pump system[J]. Heat Piping Air Cond,1954(26):122-130.
[3] Anderson J V,Mitchell J W,Beckman W A. A design meth?od forparallelsolarheatpumpsystems [J].SolarEnergy,1980:155-163.
[4]趙軍,馬一太,鄭宗和,等. 太陽能熱泵供熱水系統(tǒng)的實驗研究[J]. 太陽能學(xué)報,1993,14( 4):306-310.
[5]李舒宏,武文彬,張小松,等. 太陽能熱泵熱水裝置試驗研究與應(yīng)用分析[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005(1) :82-85.
[6]李海林,李紹勇,韓喜蓮,等. 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[J]. 制冷與空調(diào)(四川),2019,33(4):425-432.
[7]魏毅立,王洪明. 獨立式太陽能-空氣源熱泵熱風(fēng)供暖系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 熱能動力工程,2018(7):128-134.