【论文精选】太阳能光伏光热空气源热泵供能系统优化模拟

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作 者： 张梦，郝学军，佟峥

第一作者单位：北京建筑大学  环境与能源工程学院

摘自《煤气与热力》2022年9月刊

参考文献示例

张梦，郝学军，佟峥 ， 太阳能光伏光热空气源热泵供能系统优化模拟 ［J］.    煤气与热力， 2022，42（9） ：A17-A21.

1     概述

为充分发挥太阳能光伏光热空气源热泵系统的优势，关键参数的优化选取成为关键 ^{［ 1-3 ］} 。目前，针对太阳能光伏光热空气源热泵系统的优化研究方法主要分为实验、模拟 ^{［ 4-6 ］} 。 Tian 等人 ^{［ 7 ］} 建立了平板式和槽式集热器的太阳能供暖系统，采用 TRNSYS-GenOpt 软件对多个关键参数进行优化，得到了最佳的集热面积、蓄热装置容积、集热器方位角等。祝彩霞等人 ^{［ 8 ］} 建立太阳能与空气源热泵并联供暖系统的容量匹配及运行优化模型，以系统生命周期成本最小为优化目标，以集热器面积、热泵容量、蓄热水箱容积、热泵启停温度为优化变量，采用遗传算法进行同步优化计算。曾乃晖等人 ^{［ 9 ］} 通过 TRNSYS 建模，调用 GENOPT 软件，以系统生命周期成本最小为优化目标，以集热器面积等为优化变量，对空气源热泵辅助太阳能热水系统进行优化。

以上大多数研究仅得到了部分关键参数间的最优配比，或在优化过程中仅考虑了系统的经济性，对系统产能最大时的配置研究比较少。本文将 2022 北京冬奥会延庆赛区某集装箱房作为研究对象，采用 TRNSYS 软件建立太阳能空气源热泵供能系统（以下简称供能系统）仿真模型，以多个关键参数（光伏光热组件倾角、光伏光热组件方位角、蓄热水箱容积、集热循环泵额定质量流量、热源循环泵额定质量流量、供暖循环泵额定质量流量）为优化变量，以光伏光热组件发电量最大为目标函数，采用 Coordinate Search 算法 ^{［ 10 ］} 对各优化变量进行优化，评价优化结果。

2    工程概况与供能系统

2.1   工程概况

延庆赛区某集装箱房模型见图 1 。供暖期为当年 11 月 15 日至次年 3 月 15 日，起始时间为当年第 7 632 h ，为使时间连续，供暖期不以自然年分割，而是持续到次年，结束时间为第 10 511 h 。供暖期逐时室外温度见图 2 。

图 1    延庆赛区某集装箱房模型

图 2    供暖期逐时室外温度

集装箱房长×宽×高为 6 m × 3 m × 3 m ，由海运集装箱改装而成。屋面和墙体采用两侧 5 mm 厚铝质蜂窝板夹 75 mm 厚 A 级防火岩棉。地面由下至上依次为 75 mm 厚 A 级防火岩棉、 18 mm 厚水泥压力板、 1 mm 厚反射膜、 15 mm 厚水泥砂浆层及 12 mm 厚复合木地板。埋地盘管敷设在水泥砂浆层内，外直径为 10 mm ，内直径为 8 mm 。外门（朝南）采用断桥铝，面积为 3.90 m ² 。外窗（朝北）采用 Low-e 玻璃，面积为 2.41 m ² 。集装箱房围护结构传热系数见表 1 。

表 1    集装箱房围护结构传热系数

供暖室内设计温度为 20 ℃，房间换气次数取 0.7 h ^-1 。照明装置电功率密度取 7 W/m ² ，光热转换率取 75% 。设备电功率密度取 5 W/m ² ，设备发热率为 100% 。室内人数为 1 人。照明装置与设备处于常开状态，人员长期存在。采用 DEST 软件模拟计算集装箱房热负荷。

2.2   供能系统

供能系统流程见图 3 。供能系统装置参数见表 2 。方位角 0 °表示光伏光热组件朝正南， 90 °表示朝正西， -90 °表示朝正东。空气源热泵与太阳能光伏光热系统采用并联方式分别向蓄热水箱供热，待蓄热水箱用户侧出水温度达到要求时，开启供暖循环泵向集装箱房供暖。光伏发电需满足系统自用，不考虑外部供电。

图 3    供能系统流程

表 2    供能系统装置参数

当室内温度大于等于 20 ℃时，关闭供暖循环泵；当室内温度小于 20 ℃时，开启供暖循环泵。当光伏光热组件出水温度高于进水温度 3 ℃及以上时，开启集热循环泵；出水温度等于进水温度时，关闭集热循环泵。当集装箱房供水温度小于等于 45 ℃时，开启空气源热泵；当供水温度大于等于 55 ℃时，关闭空气源热泵。

3    仿真模型

采用 TRNSYS 软件建立供能系统仿真模型。主要模块有气象数据模块 Type15-2 、建筑模块 Type56 、太阳能光伏光热模块 Type50d 、水泵模块 Type3b 、水箱模块 Type4d 、空气源热泵模块 Type941 、控制器模块 Type2b 、温度控制器模块 Type108 等。为方便计算，进行以下设定：循环介质为单相、均一、常物性、不可压缩流体。管内充满循环介质，循环泵工况保持稳定。循环介质输送过程中无能量损失。仿真系统见图 4 。

图 4    仿真系统（软件截图）

4    优化方案设计及评价指标

4.1   优化方法

通过 TRNSYS 软件的 TRNOPT 部件调用 GENOPT 软件中的 Coordinate Search 算法进行优化计算。在进行优化计算时，先选择优化变量并设置变量的初始值、变化范围等，然后选择目标函数及优化算法。通过不断变换变量值，直至算法收敛达到最优，完成优化。

4.2   优化变量

考虑建筑面积、安装地点等实际因素，选取光伏光热组件倾角、光伏光热组件方位角、蓄热水箱容积、集热循环泵额定质量流量、热源循环泵额定质量流量、供暖循环泵额定质量流量作为优化变量。根据 GB 50364 — 2018 《民用建筑太阳能热水系统应用技术标准》、 GB 50495 — 2019 《太阳能供热采暖工程技术标准》相关规定，确定优化变量的变化范围。优化变量初始值及变化范围见表 3 。

表 3    优化变量初始值及变化范围

4.3   目标函数

集装箱房安装地点气候寒冷，基础设施比较差。为充分发挥可再生能源潜力，满足电、热的自我供应，以光伏光热组件发电量最大为目标函数。经过试算，以光伏光热组件发电量最大为目标函数时，仍可以满足供暖需求。

4.4   评价指标

对于以传统能源为热源时的运行效率，由于 2022 北京冬奥会秉持低碳环保的办会理念，因此本文的传统能源为电能。对于热水系统，当以电为能源时， GB/T 50801 — 2013 表 4.3.5 给出的以传统能源为热源时的运行效率为 0.31 。该运行效率综合考虑了火电系统的发电效率和电热水器的加热效率。

5    优化结果及分析

①优化变量

模拟时间为整个供暖期，优化前后的优化变量见表 4 。

表 4    优化前后的优化变量

②室内温度

优化前后室内温度随时间的变化分别见图 5 、 6 。由图 5 、 6 可知，优化没有导致室内温度的大幅波动，且满足要求。

图 5    优化前室内温度随时间的变化

图 6    优化后室内温度随时间的变化

③评价指标

光伏光热组件发电量由优化前的 2 875 kW · h ，增至优化后的 3 115 kW · h ，发电量提高 8.35% 。优化前后，光伏光热组件发电量均可满足系统自用需求，不需要外界供电。系统热电综合性能系数由优化前的 13.51% ，增至 13.91% 。优化后，不仅供能系统的发电量有所增大，系统综合性能也有所提升。

光伏光热组件光电转换率由优化前的 27.03% ，增至 28.32% 。

系统标准煤替代量由优化前的 640.7 kg ，增至优化后的 793.7 kg 。二氧化碳减排量由优化前的 1 582.5 kg ，增至优化后的 1 960.4 kg ，减排量提高 23.88% 。

6    结论

①优化没有导致室内温度的大幅波动，且满足要求。

②光伏光热组件发电量由优化前的 2 875 kW · h ，增至优化后的 3 115 kW · h ，发电量提高 8.35% 。优化前后，光伏光热组件发电量均可满足系统自用需求，不需要外界供电。系统热电综合性能系数由优化前的 13.51% ，增至 13.91% 。

③光伏光热组件光电转换率由优化前的 27.03% ，增至 28.32% 。

④系统标准煤替代量由优化前的 640.7 kg ，增至优化后的 793.7 kg 。二氧化碳减排量由优化前的 1 582.5 kg ，增至优化后的 1 960.4 kg ，减排量提高 23.88% 。

参考文献：

［  1  ］ MA K R ， WANG Z C ， LI X F ， et al. Structural optimization of collector/evaporator of direct-expansion solar/air-assisted heat pump ［ J ］ . Alexandria Engineering Journal ， 2021 （ 1 ）： 387-392.

［  2  ］魏泽辉，高世杰，闫素英，等 .  基于极差分析与费用年值法的太阳能 - 空气源热泵互补供热系统的正交优化［ J ］ .  可再生能源， 2019 （ 8 ）： 1146-1151.

［  3  ］王宇波，全贞花，靖赫然，等 .  多能互补协同蓄能系统热力学分析与运行优化［ J ］ .  化工学报， 2021 （ 5 ）： 2474-2483 ， 2906.

［  4  ］刘迟，李保国，罗权权 .  基于 TRNSYS 的太阳能谷电蓄能供热采暖系统性能研究［ J ］ .  新能源进展， 2020 （ 5 ）： 434-439.

［  5  ］张楗雄，曹小林，代微，等 .  太阳集热器与空气源热泵联合供热系统研究［ J ］ .  太阳能学报， 2020 （ 1 ）： 29-34.

［  6  ］许卫龙，郭春梅，王宇，等 .  夏热冬暖地区太阳能 - 空气源热泵复合热水系统试验研究［ J ］ .  流体机械， 2018 （ 3 ）： 62-67.

［  7  ］ TIAN Z ， PERERS B ， FURBO S ， et al. Thermo-economic optimization of a hybrid solar district heating plant with flat plate collectors  and  parabolic trough collectors in series ［ J ］ . Energy Conversion and Management ， 2018 ， 165 ： 92-101.

［  8  ］祝彩霞，孙婷婷，刘艳峰，等 .  太阳能与空气源热泵联合供暖系统容量匹配及运行优化［ J ］ .  太阳能学报， 2021 （ 8 ）： 215-222.

［  9  ］曾乃晖，袁艳平，孙亮亮，等 .  基于 TRNSYS 的空气源热泵辅助太阳能热水系统优化研究［ J ］ .  太阳能学报， 2018 （ 5 ）： 1245-1254.

［ 10 ］ ADRIAN E ， PETER K. Constructing lattice points for numerical integration by a reduced fast successive coordinate search algorithm ［ J ］ . Journal of Computational and Applied Mathematics ， 2018 ， 351 ： 77-100.

［ 11 ］葛晓慧，徐亮，张雪松，等 .  平板型光伏 - 太阳能热泵热水系统性能模拟分析［ J ］ .  分布式能源， 2016 （ 3 ）： 29-36.

（本文责任编辑：贺明健）

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