北方村镇公共建筑太阳能-空气源热泵耦合供热系统研究_李旭林.pdf
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1、可再生能源30节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023北方村镇公共建筑太阳能-空气源热泵耦合供热系统研究李旭林 侯鹏飞*谭明坤 郝萌(沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁 沈阳110168)摘要:针对北方村镇公共建筑在利用太阳能和空气源供暖时存在的空气源热泵低温运行效率低和太阳能辐射不稳定问题,提出适用于北方村镇公共建筑的供热系统。以严寒C区沈阳为例,通过DeST软件对目标建筑进行热负荷计算,借助Trnsys仿真平台对单一空气源热泵系统和耦合供热系统进行对比分析。结果显示:空气源模式基本仅在12月、次年1月和次年2月参与供暖,平均性能系数(COP)为2.16,比系统平均
2、COP(2.73)和太阳能热泵供热模式平均COP(3.52)低;耦合供热系统COP值是单一空气源热泵系统的1.22倍。与单一空气源热泵系统相比,耦合供热系统具有明显的优越性。关键词:村镇公共建筑;耦合系统;Trnsys中图分类号:TU833 文献标识码:A 文章编号:1004-7948(2023)05-0030-04 doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.008Research on solar-air source heat pump coupling heating system for public buildings in northern vill
3、ages and townsLI Xu-lin HOU Peng-fei TAN Ming-kun HAO MengAbstract:Aiming at the problems of low efficiency of air source heat pump at low temperature and unstable solar radiation when using solar energy and air source for heating public buildings in northern villages and towns,a heating system suit
4、able for public buildings in northern villages and towns is proposed.Taking Shenyang in severe cold area C as an example,the heat load of the target building is calculated by DeST software,and the single air source heat pump system and the coupled heating system are compared and analyzed by Trnsys s
5、imulation platform.The results show that the air source mode basically only participates in heating in December,January and February,and the average COP is 2.16,which is lower than the average COP(2.73)of the system and the average COP(3.52)of the solar heat pump heating mode.The COP value of the co
6、upled heating system is 1.22 times that of the single air source heat pump system.Compared with a single air source heat pump system,the coupled heating system has obvious advantages.Key words:public buildings in villages and towns;coupling system;Trnsys引言目前,燃煤仍是北方地区的主要供暖方式为实现碳达峰带来巨大压力。因此,有关部门鼓励有条件的
7、地区推广清洁能源供暖1。常规太阳能系统的集热温度可利用范围小,限制了太阳能的使用。将太阳能与热泵结合即可利用太阳能低温热水,显著提高太阳能集热效率。因此,针对北方大部分村镇公共建筑利用太阳能和空气源热泵供暖存在的问题,通过大量文献调研2-6,提出一种新型的太阳能-空气源热泵耦合供热系统。1供热系统设计1.1系统原理太阳光照具有间歇性,在我国北方地区冬季太阳能供热系统难以满足供热需求;空气源热泵系统在低温度环境下运行的效率低,实际供热效果较差。为了提高太阳能与空气源的能源利用率,文中提出太阳能-空气源热泵耦合供热系统。该耦合系统主要包括太阳能集热模块、热泵机组模块、蓄热模块和末端模块共4个部分,
8、可以实现两种供热模式,即太阳能热泵供热模式和空气源热泵供热模式。作者简介:李旭林(1981),男,博士在读,副教授,研究方向为可再生能源利用。通信作者:侯鹏飞(1995),男,硕士在读,研究方向为村镇建筑清洁供暖。基金项目:“十三五”国家重点研发计划(项目编号:2018YFD1100705-02)收稿日期:2022-09-05引用本文:李旭林,侯鹏飞,谭明坤,等.北方村镇公共建筑太阳能-空气源热泵耦合供热系统研究 J.节能,2023,42(5):30-33.可再生能源31NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION该耦合供热系统既能够作为太阳能热泵系统运行,将不满足直接供热
9、需求的较低温太阳能集热循环介质运送至热泵中,作为太阳能热泵的热源;又可作为空气源热泵系统运行,吸收空气和太阳能的热量,针对不同的外界天气条件,实行不同的工作模式,弥补了单一热源供暖的不足,实现优势互补,具有较高的环境和经济效益。1.2系统运行模式耦合供热系统原理如图1所示。(1)太阳能热泵供热模式。末端用户有供热需求且缓冲水箱满足太阳能热泵供热模式开启温度时,将太阳能集热部分的缓冲水箱中的热水作为热源,通过热泵机组传递热量至蓄热水箱中,进而为室内供热。(2)空气源热泵供热模式。在不利于太阳能热泵模式的天气条件下,供热量难以满足供暖热求,需要开启空气源热泵供热模式,吸收空气中的热量,为水箱供热,
10、直至满足供热温度要求时关闭,此时蓄热水箱得热量全部源于室外空气。2数学模型2.1太阳能集热器的数学模型集热器面积Ac为:Ac=86 400QJfJTcd(1-L)(1)式中:Ac短期蓄热直接系统集热器总面积,m2;QJ设计热负荷,W;f太阳能保证率;JT集热器采光面12月平均日太阳辐射量,J/(m2 d);cd集热器平均集热效率;L管路及贮热装置热损失率7。2.2热泵的数学模型热泵的数学模型采用外部文件内插法计算。热泵制热工况下性能系数COPa为:COPa=QAHPPAHP(2)热泵制热工况下源侧吸热量QA为:QA=QAHP-PAHP(3)式中:QAHP热泵制热量,kW;PAHP热泵功率,kW
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