基于TRNSYS的空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統研究

高屾 崔紅社 姜凱迪 姜鍍輝

摘 要：本文介紹了空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統的工作原理與特性功能。并基于青島市一實際項目，結合TRNSYS模擬軟件預測系統能耗并優化控制策略，研究耦合供熱系統的最佳配比。經研究得當空氣源熱泵在與燃氣鍋爐的耦合供熱系統中占比達60%時，費用年值最低。

關鍵詞：空氣源熱泵;TRNSYS;耦合供熱系統;優化分析

目前，煤炭仍是中國北方城市集中供熱的主要能源。 冬季供暖期燃煤大量燃燒產生的有害物對空氣造成了嚴重的污染，危害人的健康，是社會發展亟待解決的重大問題[1]?；诖朔N現狀，從2016年開始，我國開始組織安排了史無前例的“清潔取暖”工程。清潔供熱即指利用天然氣、電力、地熱能、生物質能、太陽能、工業余熱、潔凈煤（超低排放）、核能等清潔能源，通過一個高效的能源消耗系統，包括整個供熱過程，實現污染物排放的減少和能源消耗。

本文提出空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統，結合實際工程在TRNSYS平臺上建立空氣源熱泵和燃氣鍋爐耦合供暖系統的瞬態計算模型。 根據青島的氣象條件和價格體系，找到了耦合供暖系統運行成本最低時的熱源配置方案。充分發揮空氣源熱泵運行費用低污染小與燃氣鍋爐供熱穩定的優點，對相關項目的實施具有一定的指導意義。

一、空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統

空氣源熱泵利用空氣作為熱源，基于逆卡諾循環原理，通過少量電能驅動壓縮機，實現能量傳遞，具有成本低，操作方便，安全，清潔的優點。 它可以直接放在屋頂或室外，廣泛用于中國的中小型建筑。同時，季節和溫度變化對空氣源熱泵的性能影響較大[2]。 在低溫條件下，空氣源熱泵產生的熱量將嚴重衰減，這極大地限制了空氣源熱泵的使用[3]。因此在實際工程中，空氣源熱泵通常與地源熱泵，太陽能，水循環熱泵，燃氣鍋爐等結合使用。

其中燃氣鍋爐供暖溫度有保證且易于控制調節是居民小區采暖的首選。燃氣鍋爐效率高，環境污染小。與燃煤鍋爐相比，燃氣鍋爐具有絕對優勢。而冷凝式燃氣鍋爐更因其高效節能環保的特性，近些年來受到用戶追捧。

綜上所述，空氣源熱泵供暖有著高效、節能、安全、環保等優點，但其在低溫條件下表現不佳，制熱效率顯著降低。燃氣鍋爐可以補足空氣源熱泵在惡劣天氣下的劣勢，保障系統供熱的穩定性。二者結不僅有效地利用了廉價的清潔能源，而且還達到了減少環境污染的目的。合理分配熱源，除了使供暖系統經濟有效、環境友好外還可以節能降耗，一舉多得。

空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統原理圖如圖所示：

二、空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統優化

（一）搭建TRNSYS模擬系統

運用TRNSYS軟件對空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統進行模擬，搭建耦合供熱系統瞬態計算模型如圖所示，

圖中建筑熱負荷選用青島市某居民小區冬季供暖期DeST負荷模擬數據，其具體參數如下表所示

將建筑負荷數據通過數據讀取模塊Type9，導入TRNSYS中進行模擬。

末端處理設備部分選用TRNSYS中自帶的空氣源熱泵Type275、燃氣鍋爐Type751、水泵模塊Type3b等。根據DeST負荷模擬結果選擇具體的設備型號，并根據廠家提供的樣品參數修改模塊數據。具體設備選型如下：

（二）控制策略

確定合理的控制策略對于空氣源熱泵容量的選擇及其運行費用和節能效果影響極大。

根據青島市現行的峰谷電價、燃氣氣價。當氣源熱泵的運行成本低于燃氣鍋爐的運行成本時，空氣源熱泵優先提供熱量，而燃氣鍋爐則輔助供熱。 如果空氣源熱泵的運行成本高于燃氣鍋爐，則由燃氣鍋爐提供熱量。青島市峰谷電價見表5，燃氣氣價見表6。

在此基礎上，建立了運行費用平衡點的概念，即在45℃的出水溫度、1kW的單位熱功率下，如果空氣源熱泵的運行費用等于燃氣鍋爐的運行費用，則空氣源熱泵和燃氣鍋爐的運行費用平衡點為環境溫度。

平衡點過高會導致燃氣鍋爐運行費用增加;平衡點過低，則需選擇容量較大的空氣源熱泵，投資成本大幅度提高。且其長期在小負荷下運行，效率低耗能高，既不經濟又不節能.在實際工程中，對設計人員來說，合理選擇機組的平衡點是及其困難的事情

在TRNSYS模型中，利用控制器模塊找出運行費用的平衡點。

上圖反映了空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統，空氣源熱泵與燃氣鍋爐啟停的時間。運行時的電費高于燃氣費的時間段，即圖中紅線之上的部分，燃氣鍋爐供熱，空氣源熱泵關閉;運行時燃氣費高于電費的時段，空氣源熱泵供熱，燃氣鍋爐輔助。從上圖可以看出，空氣源熱泵運行費用高于燃氣費用的時段為電價高峰，實行谷價運行峰價停機。這種運行策略可以利用峰谷電價的優勢，在谷值期間增加空氣源熱泵的容量，在峰值期間減少空氣源熱泵的使用，達到降低運行成本的目的。

由上圖可知，基于青島市的氣象條件和價格體系，當環境溫度低于3℃時，高峰時段（8：30—11：30、16：00—21：00）空氣源熱泵運行費用高于燃氣鍋爐。當環境溫度高于3℃，空氣源熱泵供熱更加經濟節能。因此在供暖期間，用電高峰時段室外環境溫度低于3℃時，單獨運行燃氣鍋爐。其他情況下，采取以空氣源熱泵為主，燃氣鍋爐為輔的供熱方式。

（三）優化配比

通過比較年費用，選擇最優控制模式下的最優比例。年成本按下列公式計算：

單位年的運行費用與投資年值之和為費用年值?？諝庠礋岜玫某跬顿Y費用為800元/ kW，燃氣鍋爐的初投資費用111.4元/kW，管理人員工資為5000元/人（月）， 3人共計18萬元/ a，設備維護費取設備初投資費用的1%。運行費用由TRNSYS模擬輸出。

空氣源熱泵占比與單位面積費用年值、單位面積投資費用、單位面積運行費用的關系如圖所示。

由上圖可知，隨著空氣源熱泵承擔負荷的比例增加，耦合供熱系統的初投資也呈線性增加。若只考慮經濟因素的話，本文所研究采暖建筑的空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統較優的熱源配置方案，在空氣源熱泵承擔設計熱負荷比為60%時經濟性最佳。

三、結論

本文構建了空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統，提出了這種供熱系統的基本形式，闡明了在這種供熱系統下的運行模式及系統控制方式，依據耦合供熱系統中各熱源設備的瞬態計算模型，建立了耦合供熱系統的瞬態計算模型。以青島150000m2居民小區為研究對象，通過建筑負荷模擬，得到建筑全年逐時熱負荷。結合構建的空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統圖，在TRNSYS平臺上建立了聯合供熱系統的瞬態模擬仿真模型，在青島市現行物價體系下，以系統費用年值最低為優化目標，對耦合供熱系統的設備構成及配比進行了優化，得出主要結論如下：

（一）根據現有的峰谷電價與天然氣價格，如果空氣源熱泵的運行成本高于燃氣鍋爐，則建議燃氣鍋爐工作空氣源熱泵停止使用;如果空氣源熱泵的運行成本低于燃氣鍋爐的運行成本，則空氣源熱泵供熱燃氣鍋爐停止使用。經TRNSYS模擬可得，此種控制方式的動態平衡點存在于高峰電價時段，即空氣源熱泵谷價運行峰電停機。反映在室外溫度上為3℃，即室外溫度為3℃為臨界值：室外溫度高于或等于3℃，應采用空氣源加熱;如果室外溫度低于3℃;，則使用燃氣鍋爐制備熱水。

（二）空氣源熱泵與燃氣鍋爐耦合供熱系統，當空氣源熱泵容量占比為60%時，耦合供熱系統費用年值最低。

參考文獻：

[1] 杜文廣. 民用潔凈焦炭制備和煤氣組成調制關鍵技術研究[D].太原：太原理工大學，2017.

[2]? 李楠，田昕，王皆騰，等. 北京某農村住宅空氣源熱泵輔助太陽能供暖系統的運行性能[J].暖通空調，2017，47（04）：136-140.

[3] 劉琴. 基于空氣源熱泵的毛細管輻射供暖系統特性與供暖行為模式的適應性研究[D].北京建筑大學，2018.

[4]許可. 空氣源熱泵地板輻射供暖系統模擬計算研究[D].大連理工大學，2014.

[5]王紀朋. 青島地區空氣源熱泵聯合燃氣鍋爐供熱系統研究[D].青島理工大學，2016.

[6]? 倪龍，唐青松，李安民，等. 帶輔助熱源的地源熱泵設計負荷比分析[J].制冷學報，2010，31（05）：18-23.

[7]? 康智強，孫佳琳，孟芹，等. 沈陽地區地下水地源熱泵與鍋爐房聯合供熱的配比研究[J].暖通空調，2014，44（02）：62-64.

[8]? GB50736-2012，民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].