空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统研究

空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统研究

黄健

银川市供热燃气服务中心 宁夏银川 750000

摘要：以空气作为热泵的低位热源，取之不尽，用之不竭，但是其受季节、温度变化影响较大。在极端寒冷的天气下，热泵的制热量和制热系数衰减严重，限制了空气源热泵的推广。在实际工程中，空气源热泵可与其他供热设备联合使用，例如太阳能集热器、电加热器、燃煤锅炉、燃气锅炉等。其中，太阳能集热器初投资较高，受天气影响明显；电加热器运行费用过高，二次能源浪费严重；燃煤锅炉虽然初投资较低，但排放物污染大。

关键词：空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统

前言：天然气很难成为近期北方清洁取暖的主要热源方式。要实现北方供热清洁低碳发展，必须从长远上彻底改变现有的热源模式，转变为以低品位能源为主的能源结构：主要依靠低品位余热，同时再辅之终端以燃气为动力的调峰热源，从而形成全新的供热系统。这样才能实现我国北方地区供热热源系统的转型，使得我国有限的天然气资源发挥关键作用。

一、TRNSYS软件简介

TRNSYS(瞬态系统仿真程序)诞生于威斯康星大学麦迪逊分校太阳能实验室，在美国热能研究中心(TESS)，科技委和Transsolar的共同努力下，这一技术得到了进一步的改进。美国热能研究中心为暖通空调专业开发了各种系统模块，TRNSYS软件版本更新至17版，它主要由用于调用模块，搭建仿真平台的尝试构建用户终端程序的TRNEdit，用于建立模型的TRNbuild和用于优化模拟计算的TRNOPT由四部分组成。TRNSYS最大的优势在于模块化分析模式，换句话说，所有的传热传质过程都是由几个小系统组成的模块实现特定的功能。每个模块都由黑盒，Output部分组成。TRNSYS软件有200多个模块，每个模块都是用FORTRAN编写的，允许用户修改它，特定模块允许使用多个操作模块，用户可以根据仿真模型的复杂程度选择运行方式。当对特定系统进行仿真计算和分析时，系统应只调用所需功能的模块，设置适当的参数根据初始参数对应的输入，同时，给出了连接系统仿真所需模块的适当逻辑关系，然后对系统进行仿真计算和分析，TRNSYS软件允许用户编写新模块并将其添加到模块库中，它提供了更多系统模拟的可能性。基于模块分析，TRNSYS可以对各种系统进行动态仿真计算，如建筑每小时的能耗分析、热泵空调机组仿真计算、太阳能装置(太阳能或光伏)仿真计算、热电联产系统仿真计算、仿真计算等。以及标准模块中的控制单元和输出模块，确定了供暖房间和空调系统的负荷模型空气源热泵联合低温地面辐射供暖系统的仿真模。

2. 空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统研究

1.空气源热泵模型。空气源热泵技术基于逆卡诺循环原理，主要有四大部件，它们分别是：压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器。蒸发器内的低温液体冷却剂吸收外界空气的热量，压缩后排出高温高压蒸汽。经冷凝器冷却，再与被加热物质交换热量，释放热量，冷凝液就转化为了高压液体，流经节流阀后，高压液体压力降低转化为低温低压的液体，重新进入蒸发器，连续完成蒸发的热循环；压缩一冷凝一节流一再蒸发，连续完成传热，达到加热的目的。空气源热泵可以在相对较低的温度下从外部空气中吸收热量。空气源热泵的热效率通常在考虑实际运行中的电机效率，压缩机效率和热交换器效率等因素综合给出。在北方建筑供热中，空气源热泵的热效率COP一般在2到4的范围之内，功耗仅为直接电加热的四分之一到二分之一，具有很好的节能效果。近年来能够在低温空气中取热的双级压缩式热泵技术取得了长足的进步，空气源热泵的应用范围不断扩大，在各地都取得了成功的验证。空气源热泵的制热量是变化的，它受环境空气温度和出水温的影响。在不同出水温度和环境空气温度下的功率参数。在本模块中，使用以下经验来修正机组的进出口温度和加热性能系数。

2.搭建TRNSYS模拟系统。在TRNSYS软件中进行模块选取并建模，选取同类模型并分析。找出与研究相近的模型。如果没有相似的模型，则应使用现有的数学模型进行编制。对于空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统，主要需要空气源热泵模型、燃气锅炉模型，水泵模型等。从空气中选择热泵组件时，日本科学家对不同热泵组件从空气中进行的结霜实验结果表明，如果外部温度在12．8～5．8℃之间，相对湿度大于67％，则空气源热泵机组容易结霜。在此基础上，考虑了0．9的修正系数，用FORTRAN语言编制空气源热泵模块。该模型通过调整系统中各装置的运行参数和性能参数，可以模拟空气源热泵与燃气锅炉联合供热系统在全年工况下的运行情况，得到空气源热泵供热系统以及燃气锅炉的当前性能。并计算数据设备的运行参数和性能参数，如系统的功耗和热泵的供热能力。可以模拟空气源热泵和燃气锅炉耦合供热系统一整年的运行情况，获取空气源热泵和燃气锅炉供暖系统的当前功率及系统消耗、热泵供热量等数据，通过仿真，可以输出燃气锅炉的用气量、空气源热泵的用电量等。

3.经济性分析。当比较各系统方案经济性时，初投资和运行费用这两个指标只能反映出各系统方案经济性的一方面，要对各方案进行综合经济比较时可使用费用年值法。费用年值为单位年的运行费用与投资年值之和．采用费用年值对耦合供热系统进行评估，由于燃气锅炉的初投资只有空气源热泵的14％，且燃气锅炉在极端天气下具有稳定供热的作用。随着空气源热泵承担负荷的比例增加，耦合供热系统的初投资也呈线性增加。这种现象反映出空气源热泵的初投资远远高于燃气锅炉。另外，耦合供热系统的运行费用曲线随空气源热泵承担负荷比例的增加而有所下降，说明空气源热泵运行费用比燃气锅炉少。而费用年值作为系统经济性的主要指标，随着空气源热泵占比持续增加，先下降然后上升。这是由于空气源热泵容量的增加降低了用电量，降低了运行成本，降低的运行成本足以抵消设备投资的影响，因此费用年值随着空气源热泵容量的增加而降低；当空气源热泵的功率超过建筑物每小时的负荷而使空气源热泵的容量进一步增大时，则空气源热泵处于部分负荷运行状态，降低的运行成本还不足以抵消增加的空气源热泵投资成本，导致成本逐渐上升。若只考虑经济因素的话，本文所研究采暖建筑的空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统较优的热源配置方案，在空气源热泵承担设计热负荷比为60％时经济性最佳。在最佳供暖方案的目标下，空气源热泵与燃气锅炉耦合低温地板辐射供暖系统得分最高，燃气锅炉低温地板辐射供暖系统其次，空气源热泵低温地板辐射供暖系统得分最少。因此，从经济效益、环境效益、能源消耗三个指标综合来看，空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统是该青岛市居民小区冬季供暖的最优选择。空气源热泵与燃气锅炉联用的供热形式最好，而锅炉联用的供热形式稍差，空气源热泵的供热效果不理想。因此在实际工程应用中，其供热形式为空气源热泵与燃气锅炉相结合是可取的。燃气锅炉低温地板辐射供热系统最优，耦合供热系统和空气源热泵供热系统其次；在环保性方面，空气源热泵低温地板辐射供热系统最优，耦合供热系统和燃气锅炉供热系统其次；在节能性方面，空气源热泵与燃气锅炉耦合低温地板辐射供热系统最优，燃气锅炉供热系统和空气源热泵供热系统其次。

结束语：空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统，在空气源热泵承担设计负荷50％，费用年值最低，相对于单独使用燃气锅炉、空气源热泵供热系统，由此可见，空气源热泵与燃气锅炉耦合供热系统相较于单一热源供热系统具有良好的经济性，可克服空气源热泵在寒冷地区供热不稳定的问题，有助于空气源热泵的合理推广和应用。

参考文献：

1江亿．我国北方供暖能耗和低碳发展路线，中国建设报，2019—07一15(004)．

2朱义成，张璐，张延杰．刍议清洁取暖现状与发展一以山东省为例，U冷与空调，2019，33(01)：80-81+86．