基于Trnsys的太阳能-热泵供暖系统集热器面积优化.pdf
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1、可再生能源32节能 ENERGY CONSERVATIONNO.10 2023基于Trnsys的太阳能-热泵供暖系统集热器面积优化曹东辉 吴称宇 刘冉冉 蔡振兴 戴振宇 贾国亮 郭玮玮(济南市市政工程设计研究院(集团)有限责任公司,山东 济南 250002)摘要:计算山东济南某典型农宅建筑的负荷,并采用Trnsys软件模拟该农宅冬季的供暖效果,着重考虑供暖系统集热器面积对空调负荷率和供暖效果等方面的影响。结果显示:集热面积比为11%15%的系统的供暖效果更好,且系统耗电量变化差距不大。根据费用年值法确定最优集热面积比,集热面积比为11.9%的供暖系统最经济。关键词:太阳能-热泵联合供暖系统;集
2、热面积比;费用年值中图分类号:TK519 文献标志码:A 文章编号:1004-7948(2023)10-0032-04 doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.009引言清洁能源的应用与推广逐渐增多,特别是在村镇供暖领域。煤改电的实施成为解决村镇煤炭燃烧取暖问题的有效途径1。太阳能与热泵联合供暖系统的运行效率较高2,具有节能环保的优势,能够保证村镇建筑的供暖效果,是近些年研究供暖改造的核心内容。集热器面积3影响太阳能与热泵联合供暖系统的经济性,其优化选择尤为重要。文中依据经济性评价、Trnsys软件模拟等方式,对太阳能与热泵联合供热系统的集热器面积进行优化。1
3、研究概况山东地区的供热项目是我国煤改电政策实施的着重地点。以山东济南某农宅建筑为例,利用Trnsys软件模拟其冬季采暖工况,研究山东地区农宅的供暖系统。该农宅的实际采暖面积为90 m2,围护结构较为简单,基本为非保温材料4。供暖季建筑物的日均热指标模拟结果如图1所示。采暖季的逐时最大热负荷为6.36 kW,折合热指标70.6 W/m2。2供暖系统的仿真模型北方地区冬天温度较低,空气源热泵在此工况下运行可能出现结霜、COP降低等多种问题5。但是该地区拥有较为丰富的太阳能资源,可以利用太阳能产生的热能作为空气源热泵的辅助热源,保证村镇建筑的供暖效果。2.1太阳能与热泵联合供暖系统太阳能与热泵联合供
4、暖系统结构如图2所示。由图2可知,太阳能集热系统可以提供用户1年的生活热水和初冬时分的采暖需求;空气源热泵系统既是太阳能热水系统的辅助热源,也是建筑物夏季制冷和冬季采暖的主要冷热源。太阳能和热泵联合供暖系统具有高效、节能等优点,采用该系统保障了村镇建筑的供暖以及全年对热水供应的需求。2.2联合供暖系统仿真模拟模型太阳能与热泵联合供暖系统仿真模拟模型如图3所示。图1供暖季建筑物的日均热指标模拟结果图2太阳能与热泵联合供暖系统结构作者简介:曹东辉(1983),男,硕士,高级工程师,研究方向为动力工程。收稿日期:2023-01-03引用本文:曹东辉,吴称宇,刘冉冉,等.基于Trnsysy的太阳能-热
5、泵供暖系统集热器面积优化 J.节能,2023,42(10):32-35.可再生能源33NO.10 2023节能 ENERGY CONSERVATION3供暖系统的数学模型3.1集热面积比为了研究该供暖系统性价比最高的集热面积,提出集热面积比概念。集热面积比y为6:y=A/F(1)式中:A太阳能集热器面积;F建筑物需要供暖的面积。通过经济性评价与Trnsys软件模拟对集热面积比为5%15%7的联合供暖系统进行优化选择。3.2空气源热泵系统的空调负荷率设计系统控制模式为:初冬及初春时,太阳能系统所提供的热量可以满足农宅的供暖要求,即选择太阳能系统作为建筑物的热源向室内提供热量;若室外温度较低,建筑
6、物的热负荷较大,仅采用太阳能系统无法使室内达到18 时,开启空气源热泵系统进行供暖工作。因为建筑物的热负荷随时间而发生变化,热泵机组的空调负荷率不同。第j天的集热系统供暖能量的富余量QFj为:QFj=QuFA-qj(2)式中:Qu太阳能集热器的有效集热量,W/m2;F建筑物需要供暖的面积,m2;qj第j日建筑的负荷,W。第j天的热泵的空调负荷率Cj为:Cj=0,QFj0QFj/QR,QFj0(3)式中:QR热泵的额定制热量,W/m2。3.3费用年值费用年值指在系统的寿命周期内将全部花费的资金按照基准折现率折算成每年的费用均值,将系统的初投资按照时间价值折合成寿命周期内每年的等额费用值,与年运行
7、费用相加得出该系统运行模式下的年费用均值8。动态费用年值法的计算公式为:ACj=j=1ni(1+i)mj(1+i)mj-1Cj+Ck(4)式中:Cj供暖设备j的初始投资额,元;i基准折现率,取2.096;mj供暖设备j的使用寿命,互补供暖系统的寿命取15年;n供暖设施种类数,取1。4基于Trnsys的集热面积优化4.1集热面积比对空调负荷率的影响太阳能集热器面积与热泵系统的空调负荷率成反比例关系。供暖过程中,若集热器面积偏大,则太阳能集热系统提供的热量会相应增加,热泵系统开启的次数随之减少,空调负荷率下降;集热器面积偏小时情况相反。初冬30天,5%15%集热面积比与空调负荷率关系如图4所示。随
8、着集热面积比的增加,空调负荷率降低。其中,集热面积比为5%时空调负荷率最高,为15%时空调负荷率最低。集热面积比为 11%15%时,随着集热面积比的增大,虽然空调负荷率有下降的趋势,但总体程度较缓,下降空间较小。这表明集热面积比从11%增加到15%时,虽然集热器面积增加,初投资增多,但对于热泵开启次数和承担的室内负荷的改变并不大。4.2集热面积比对供暖效果的影响该供暖系统的采暖对象为山东济南某典型农宅建筑,采用间断型供暖方式,每日运行时间为 6:008:00、11:0013:00、17:0022:00,其余时间自动启停,有特殊需要时可手动开启。太阳能集热系统仅在室外温度较高时承担全部的室内负荷
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