基于TRNSYS的太阳能水源热泵系统优化研究

基于TRNSYS的太阳能水源热泵系统优化研究
曲世琳;王东旭;董家男;彭莉
【摘要】为提高太阳能水源热泵耦合系统性能,该文从设计及运行两方面对其进行优化研究.在建立太阳能水源热泵耦合系统应用模型的基础上,用瞬时系统模拟程序( Transient system simulation program,TRNSYS)软件搭建系统计算模型,以系统的设计参数如:太阳能集热器面积、储热水箱体积及集热器倾角等为变量,利用GENOPT软件对系统进行优化. 并以系统运行控制参数如:集热器供回水温差和供暖末端供回水温差为变量分析系统性能参数( Coefficient of performance,COP) ,分析系统节能潜力. 该文以北京某别墅为研究对象进行优化,结果表明系统COP升高、性能得到改善. 研究结果为太阳能热泵系统优化提供了一定的理论依据.%This paper optimizes a solar-assisted heat pump system on design and operation in order to improve its performance. We build a system model using transient system simulation program (TRNSYS),taking solar collector area,storage tank capacity and collector tilt as variables,and then optimize the design using GENOPT software. Meanwhile, we analyze the coefficient of performance ( COP) and energy-saving potential of the system by taking temperature difference between supply and return water of heat collectors and that of heating terminal equipments as variables. The object of this study is a villa in Beijing. The study results show that the COP is increased and the performance is im-proved,which provide theoretical foundation for optimization on the solar-assisted heat pump system.
【期刊名称】《南京理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2015(034)004
【总页数】6页(P494-499)
【关键词】太阳能;集热器;储热水箱;热泵;系统性能参数;瞬时系统模拟程序;系统优化;运行策略
【作者】曲世琳;王东旭;董家男;彭莉
【作者单位】北京科技大学机械工程学院,北京100083;北京科技大学机械工程学院,北京100083;北京科技大学机械工程学院,北京100083;北京科技大学机械工
程学院,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】TK513.5
随着我国能源问题日益突出,可再生能源在建筑应用中得到了迅速发展,太阳能因其
资源丰富引起人们的极大重视。

但太阳能能量密度低,辐射度受环境影响大,具有明
显的间歇性。

因此,太阳能在使用过程中,需要设置辅助热源来保证实际供暖效果[1]。

太阳能水源热泵系统解决了太阳能直接利用过程中的外界条件影响大、能量密度低等问题,充分发挥了太阳能及热泵的节能优势。

对太阳能热泵研究,最早可追溯到20世纪50年代,Jordan等人提出将太阳能集热
器与热泵结合起来,把太阳能加热系统作为热泵热源[2]。

Charter等人使用平板型
裸板太阳能集热器作为热泵蒸发器,并对其性能进行了研究,开启了直膨式太阳能热
泵供暖系统的研究[3]。

Hawlader等人对太阳能热泵系统性能进行了研究,得出太
阳能集热器、压缩机转速、太阳辐射度对系统性能影响很大及随着冷凝器温度升高,系统性能参数(Coefficient of performance,COP)和太阳能集热器效率下降的结论
[4]。

Badescu对太阳能热泵系统蓄热器进行研究,得出热泵的COP和(火用)效率随着蓄热器长度的增加而减少,月蓄热量随蓄热器长度增大而增大[5]。

从上世纪90年代后期,国内开始对太阳能热泵进行了理论和实验研究,取得了一定
的成果。

周钦涛以串联形式的太阳能—土壤源热泵系统为研究对象,利用瞬时系统
模拟程序(Transient system simulation program,TRNSYS)建立系统的仿真模拟
程序,并对系统进行优化[6]。

潘玉亮利用TRNSYS建立太阳能土壤源热泵供暖系统在北京地区应用的计算模型,运用优化分析软件,对系统的经济性进行了优化分析[7]。

曲世琳等人通过(火用)分析方法建立数学建模,并通过模拟计算对太阳能热泵系统进行了优化研究[8]。

旷玉辉等人在热力学分析的基础上,搭建了直膨式太阳能热泵供
热水系统实验台,结果表明该系统性能较稳定,且具有明显的节能效果[9]。

周恩泽等人设计建立了以热管式真空管集热器和水源热泵机组作为热源,以地板辐射采暖系
统为末端装置的供暖系统实验台。

实验结果表明,试验台的设计方案是可行的,主要
设备的工作性能达到了设计要求[10]。

曲世琳等人搭建了非直膨式太阳能-水源热
泵地板辐射供暖系统实验台,结果表明系统运行稳定,节能效果良好[11]。

专家学者在太阳能水源热泵建筑应用做了大量工作,但均集中在已有系统特性的研究,对系统整体优化所做研究相对较少。

本文以TRNSYS软件为平台,搭建太阳能水源热泵系统模型,以集热器面积、水箱体积及集热器倾角为变量,通过调用GENOPT 软件对系统从生命周期角度分析优化结果,在此基础上,提出合理的系统运行策略。

1.1 太阳能水源热泵系统
太阳能热泵是通过蒸发器从太阳中汲取能量,以满足室内热负荷的热泵系统。

热泵
将太阳集热器收集到的低温热媒变成高温热媒。

系统示意图如图1所示[12]。

1.2 系统评价模型
对太阳能水源热泵供暖系统进行评价常采用能量分析方法和(火用)分析方法两种方法,评价指标分别为系统COP和系统(火用)效率。

本文采用系统COP作为评价指
标对系统进行研究分析。

太阳能水源热泵系统的性能系数可用式(1)进行计算[9]: COP==
式中:QL为逐时热负荷,W;ψ为与围护结构面积和墙体传热系数相关的常数;f(τ)为
室内外温差随时间变化的函数;Fr、FD、F1、F2分别为热泵、电加热、P1泵和P2泵的控制函数;Wr、WD、W1、W2分别为热泵、电加热、P1泵和P2泵的功
率,W。

1.3 TRNSYS模型建立
TRNSYS为瞬时系统模拟程序,主要由:TRNSYS、Simulation Studio、TRNEdit、TRNBuild和TRNSed等组成。

通过调用不同程序实现系统模拟分析。

利用TRNSYS建图1所示系统的计算模型,简化图如图2所示,其中P1、P2、P3为水泵。

1.4 TRNSYS控制模型的建立
太阳能水源热泵耦合供暖系统的运行工况分为太阳能系统单独供能、太阳能系统与水源热泵联合供能和水源热泵单独供能。

为确保系统能够在较高的热效率下工作,
需要在模型中建立合理的控制系统,系统控制流程详见文献[13]。

本文通过Type2温差控制器实现对水泵及水箱的控制,包括集热循环控制、系统运行方式控制和供暖循环控制。

1.4.1 集热循环控制
集热循环的控制主要是对P1泵的控制,通过集热器供回水温差实现水泵启停的控制。

控制的TRNSYS实现如图3所示。

控制原理如下:将集热器出口和水箱最底层出口的温度分别连接到控制器的高温和低温,将温差控制器的输出函数连接到水泵,设定
温度上限和下限,当进出口温差高于上限时P1泵开启,低于下限时泵关闭。

1.4.2 系统运行方式控制
系统运行方式由水箱出口温度决定,水箱出口处三通根据水温选择流体通道,当水温
高于30℃,水流通过分流器流道1直接进入末端;当水温低于30℃时,水流通过流道2进入热泵蒸发器侧(详见图2模型图)。

控制的TRNSYS实现如图4所示。

控制原理如下:将水箱出口进入负荷的温度连接到控制的高温。

当水箱水温高于上限时,热水直接供给末端,否则进入热泵蒸发器侧。

1.4.3 供暖循环泵的控制
供暖循环控制包括P2泵和P3泵的控制,主要根据末端进出口温差来实现的。

当温度高于30 ℃,流体经过分流器通道1直接进入末端,开启直接供暖模式;当水温低于30 ℃时,水流通过流道2进入热泵蒸发器侧,启动P3泵,开启热泵供暖模式。

这里以P2控制为例简单介绍末端供暖控制,控制TRNSYS实现如图5所示。

原理如下:将温差控制器的输出函数设为水泵的控制信号。

设置温差控制器的上限温度和下限温度,当温差达到设定温差(10)时泵开启,水箱中水进入末端,当温差低于下限(2)时,供暖循环停止。

太阳能水源热泵系统的经济性取决于太阳能系统的造价、系统耗电量、运行年限等诸多因素。

本文通过优化算法找出较合理的设计,达到系统在运行年限内的最优经济性。

2.1 优化变量
太阳能水源热泵系统优化变量主要分为两类:一类是目标变量,如太阳能集热面积;另一类是伴随变量,指的是按确定的函数关系随目标变量的改变而改变的量。

合理地选取优化变量,对系统优化具有极大的帮助。

2.2 生命周期成本构成
生命周期成本(Life cycle cost,LCC)是指设备或系统从诞生到报废的整个期间需要的费用总和。

生命周期成本包括初投资成本、运行维护成本、废弃处理成本三部分,即:LCC=IC+OC+DC,式中:IC为初投资成本,包括系统设备费、安装费、材料费等;OC为运行维护成本,包括电费、水费、燃料费和维修保养费等;DC为废弃处理
成本,包括系统拆除处置、环保处理所需的费用。

太阳能集热器的面积是系统中的一个重要参数,它与系统太阳能保证率和项目投资经济性密切相关;太阳能集热器倾角决定着集热器能接受多少太阳辐射,而太阳辐射量直接决定了系统的运行费用;蓄热器容积的大小对集热量、换热效率影响很大,因此需要考虑蓄热器成本对系统经济性的影响。

在本系统优化计算模型中,选择太阳能集热器面积、集热器倾角及水箱体积为变量分析系统生命周期成本。

设集热器面积用(Am2)表示,水箱体积用(Vm3)表示,集热器倾角为SLOPE(°),设系统的运行年限为Y年,实际优化计算中忽略系统的运行维护费用,则太阳能水源热泵系统全生命周期成本用下式表示
LCC=(500A+1000V+0.8Qheating)×1.3+T+
Y×Price×(W1+W2+W3+D1+D2+Wr)
式中:LCC为全寿命周期成本;Qheating为水源热泵的制热量,此部分表示热泵机组费用;系数1.3为设备安装比例;T为土建费用;Price为电价;W1、W2、W3、D1、D2、Wr分别为水泵P1、P2、P3、电加热1、电加热2和水源热泵的耗电量。

2.3 GENOPT优化模块
在TRNSYS-GENOPT软件首先选择变量(太阳能集热器面积、水箱体积及太阳能集热器倾角)并设置变量的类型、初值、取值范围及步长等,而后选择优化函数的方程以及适当的优化算法。

通过不断变换需要优化的参数值满足目标函数的收敛使其达到极值。

本文选用的Hooke-Jeeves算法也称步长加速法,包括初始迭代、基本迭代和变步长迭代三部分。

太阳能水源热泵系统GENOPT优化流程如图6所示。

选取北京地区某别墅作为太阳能水源热泵系统设计优化研究对象,所选别墅建筑面积为330 m2,地上两层。

别墅围护结构热工参数和窗墙比如表1和表2。

北京市供暖季为每年11月15日至次年3月15日,室内设计温度取20 ℃,室外平均风速为
2.7 m/s,采用equest软件模拟,该居住建筑供暖期间逐时热负荷如图7所示。

3.1 设计优化
本文系统优化的目标函数是系统寿命周期成本,优化变量分别为太阳能集热器面积(AREA_COLL)、水箱容积(VOL_TANK)和集热器倾角(SLOPE_COLL)。

GENOPT 优化结果如图8所示。

图中横坐标表示计算步数,纵坐标表示各优化变量值及目标函数值。

当集热器面积为97.6 m2,倾角为57.75°,水箱体积为8.7 m3时,系统全生命周期成本最小。

3.2 运行策略优化
系统设计完成后,需要对系统运行策略进行优化。

选择供暖季COP为目标函数,以集热器供回水温差和供暖末端供回水温差为变量,对系统运行策略进行优化。

集热器供回水温差和供暖末端供回水温差一般在5～10 ℃左右变化,取供暖末端供回水温差值为5 ℃、6 ℃、7 ℃、8 ℃、9 ℃、10 ℃,集热器供回水温差为6 ℃、7 ℃、8 ℃、9 ℃、10 ℃、11 ℃,利用TRNSYS计算以得到最优的运行参数:当集热器供回水温差为7 ℃,供热温差为9 ℃时系统COP最高,为2.47。

在其它参数不变的情况下,改变集热器供回水温差,模拟系统COP随集热温差的变化,得到如图9所示结果,系统COP先随集热器供回水温差增大而增大,这是因为较小的集热器供回水温差导致水泵频繁启停,增大耗电量。

过了极点后,系统COP随温差增大而降低,因为过大的集热器供回水温差使得水箱补热量不足,太阳能未得到充分利用。

在其他参数一定的条件下,改变供暖末端供回水温差,模拟系统季节COP随供热温差的变化,得到图10所示结果,这是因为当供热温差过小,使得水泵频发启停,增大耗电量,当供热温差过大,使得水泵持续运行时间过长,耗电量增大,导致COP降低。

3.3 优化前后对比分析
优化前后系统的参数对比如表3所示。

为避免选择的典型日的偶然性因素,对系统在1.1～1.10日连续十天内的运行情况
模拟,得到系统COP变化如图11所示。

从图11可以看出,优化后大部分时间系统COP都高于优化前的,说明优化后系统的性能系数提高。

在热负荷相同的情况下,优化后COP提高会使得系统耗电量减少。

对整个供暖期运行情况进行模拟,得出优化前供暖期平均COP为2.31,优化后供暖期平均COP为2.47,供暖期系统总热负荷为27 898 kW,可以估算出整个供暖期电量大约节省了6.5%。

本文以北京某别墅为研究对象,通过TRNSYS建立系统模型并进行优化计算,分析优化结果,得出以下结论:
(1)通过连接TRNSYS内部各模块,搭建太阳能系统模型并进行优化运算,运算过程收敛性好,说明TRNSYS及GENOPT能较好的处理太阳能热泵系统优化问题,对系统优化设计具有极大的帮助。

(2)集热器供回水温差、供热温差对系统COP均有影响,但他们与COP不具备线性相关关系,在实际选择中应根据以往经验及优化结果慎重选择。

(3)从模拟结果看优化后,系统COP升高、性能得到改善,节省了大量电力资源。

由于实验条件限制,本文未能对模拟结果进行实验验证。

在以后研究过程中,会努力完善实验条件,验证模拟结果。

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