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摘要:在只考虑环境因素和天气的情况下提出了太阳能热泵热水系统调度策略，以提高对太阳能的利用。首先在空气源热泵加热系统动态方程的基础上，给出了空气源热泵制热量的预测方法，然后从能量的角度给出调度策略的运行步骤，在求得热泵制热量的基础上，对当前热水所含的热量与目标热水所含热量进行比较，求取热泵开启的时间，实现对热泵的智能控制。通过在实际工程中的应用比较，证明该节能运行策略在保证相同供热量的前提下,能够推迟热泵的开启，缩短热泵的运行时间，太阳能利用率得到进一步提高。
关键词:太阳能; 热泵; 节能; 利用率
随着社会经济的快速发展，传统能源枯竭和环境污染严重的问题日益凸显，太阳能作为无污染的绿色能源受到了社会的普遍关注。利用太阳能系统产生热水的技术应运而生并得到了快速的发展。目前太阳能热泵热水系统技术相对成熟。在实际的工程应用中，太阳能的热利用为系统节约了能量，但由于其不稳定特性和目前太阳能热泵系统的调度策略不完善，还不能有效地推算热泵的开启时间。因此，在太阳能热泵热水系统中太阳能利用还有很大的开发潜力。
1系统工作原理
本文中系统为并联式太阳能空气源热泵热水系统，此系统主要包括太阳能子系统和热泵子系统。太阳能子系统由集热器、集热循环泵、管路系统、控制器等组成;热泵子系统主要由热泵循环泵、压缩机、套管式换热器、膨胀阀及复合蒸发器组成。其工作原理如图1所示，太阳能和空气源热泵并行提供热量，二者之间既相对独立，又能够实现优势互补。在光照充足的情况下可以运行太阳能子系统加热水箱中的水，热泵系统关闭;在阴雨天气的情况下，开启热泵子系统产生热量加热;在光照不足的情况下，需要太阳能子系统和热泵子系统联合加热，弥补因天气情况由太阳能作为单一热源无法连续提供热量的不足。
图1太阳能热泵系统原理示意
2调度策略分析
2.1系统制热量分析
在光照不足的情况下，如果要将一定量的热水加热到所需要的温度，需要太阳能子系统和热泵子系统配合运行。在用户用水的时间te、用水的温度Te、用水量V确定的情况下，水中的初始能量值为Qc，在太阳能热泵系统制热的过程中，目标热水中所具有的能量值为Qz，热泵产生的热能为Qp，太阳能转化的热量为Qs。如果当天的制热任务完成，则有如下关系。
由公式(1)可以看出，当日的目标制热量等于太阳能子系统制热量和热泵子系统制热量之和。由于目标制热量是确定值，因此，若要在原来的基础上节能优化，就要增大Qs，减小Qp。提高太阳能的利用率η，尽量减少热泵的产热量，减少热泵机组的运行时间。这需要对何时开启热泵机组做出准确的判断，热泵机组开启得过早会浪费掉部分吸收的太阳能，开启得过晚则制热任务不能完成。
2.2热泵制热功率的求取
热泵系统通过压缩做工的方式吸收空气中的能量，从而使得热泵工质的温度升高，热泵工质通过传热将热量传递到热泵中的水，使得热泵中的水温度由Ti加热到To，温度为To的水输送到水箱，使水箱的温度Tw升高，从而达到加热目标。对于图1所示的系统，其热力传递的动态过程方程可以描述为以下形式:
式中:To、Ti、Tw分别为热泵供水温度、回水温度、水箱内部平均温度，K;mw为循环水量，kg/s;Cw为规定的水的单位质量热容，J/(kg·K);Ci和Co分别为回水温度为Ti和供水温度为To的总热容，J/K;Po为热泵的输出功率，W。
对于热泵系统而言，其加热热水所输出的功率与其输入功率(热泵压缩机功率)和热泵的性能系数相关，通常可表达为如下形式:
(3)求取热泵开启的时刻tk
根据步骤(1)与步骤(2)得到的两个能量值，可以得出若要达到目标热水的要求，热水系统需要向外界摄取的能量值即为空气源热泵机组的制热量，便可以得到仅用空气源热泵机组加热所需的运行时间Δt和动作时刻tk。计算方法见式(9)、式(10)和式(11)。
式中:Q2为目标热水所含能量值，kJ;Q1为该时刻下水箱热水具有的能量值，kJ;tr为不同水箱温度下空气源热泵机组的运行时间，h;Pr为不同水箱温度和不同环境温度下空气源热泵机组的瞬时制热功率，kW;Δt为空气源热泵机组的投入时间，h;Te为用户设定的用水起始时刻。
(4)根据动作时刻判断启停空气源热泵
利用步骤(2)和(3)所得空气源热泵机组的动作时刻tk与当前时刻ti进行比较，如果tk大于ti，则检测空气源热泵是否开启，若已经开启则停止运行;如果tk小于等于ti，则直接开启空气源热泵机组加热。
通过上述步骤可以有效地求出热泵的启停时间，其中步骤(2)、(3)、(4)每隔一段需要运行一次。
2.4实例分析
为了分析上述控制策略的节能性，这里以某食堂的太阳能热泵热水系统为例，进行热水加热分析。用水要求为每天 17 时提供满水箱60 ℃ 的热水。该系统的主要设备部件如表 1所示。
系统默认的运行策略，由于不能自动推算出开启热泵的时间，需要人为地设定热泵的开启时间。要达到食堂用水需求，热泵需要加热 4 h，即下午 13 时开启热泵。取 9 月份的测试数据进行分析，19 日的数据是运行默认策略得到的，22 日的数据是运行调度策略得到的。其中温度到达60 ℃后，关闭热泵。图 3 为两天的太阳辐照度情况，图 4 为两天的环境温度情况。
图 4 两日环境温度情况
根据恒温水箱的温度变化情况得到两者的温度变化曲线，如图 5 所示，图中数据每隔 30 min记录一次。其中 19 日水箱温度曲线为使用了默认控制策略后水箱的温度变化情况，22 日水箱温度曲线为使用了系统调度控制策略后水箱的温度变化情况。相应的热泵运行状态如图 6 所示。
图 6 两日热泵运行状态变化情况
由图 5 可知，两天的起始温度一致接近16℃，终止温度为 60℃。在其间 19 日水箱温度值基本比 22 日要高，这说明 19 日的天气条件相比 22 日要稍好。根据 19 日水箱温度曲线可见，在 7:30 到 13:00 之间，曲线上升较为平缓，即曲线斜率较小，因为此时的水箱热水完全由太阳能提供热量，并没有使用到热泵加热。而当 13:00之后，由于在默认控制策略中设置了启动热泵时间为 13 时，因此该时水箱温度迅速上升，大约经过 1．5h 之后温度达到用户需求，此时根据约定停止了集热循环及热泵辅助加热，而水箱温度也将处于 60℃基本不变。而 22 日的水箱温度曲线出现了两个陡坡，分别为13:00到14:00、15:00 到15:30，这两个曲线高斜率引起的原因并不相同，从图 5 中可见，在 13:00 到 14:00 之间并没有开启热泵，因此引起该现象的原因为太阳能辐照量出现了一个尖峰，使得水箱温度迅速上升。而15:00 到 15:30 的曲线高斜率则由热泵加热引起。使用调度策略时热泵的运行时间比默认策略减少 1 h，太阳能利用率显著提高。
从以上的运行结果可知采用调度控制策略具有更加良好的控制性能，它能够自动延迟热泵的开启，尽量多地吸收太阳能，并将其转化为水箱的热能。减少热泵的运行时间从图 3 和图 4 中也可知即使 18 日的外界环境条件更好，太阳能辐照量更多，但是由于并未采用调度控制策略，此时热泵的运行时间反而更多，消耗的能量也就越多。同时根据 19 日采集得到的太阳能辐照量，通过进一步的计算可知，当天的太阳能完全可以在不利用热泵循环加热的情况下将水温上升到用户所需温度，如果当天采用节能控制策略的控制器，完全可以实现辅助能源的零投入，这不仅可提升太阳能的利用率，还可大大减少不必要的能源消耗。
3结语
通过太阳能热泵热水系统智能控制策略，完成建筑室内冬季供暖、夏季制冷、一年四季生活热水供应，具有较高的系统综合利用性能。考虑到我国广大地区的室外气候条件及太阳能资源情况，认为通过不断提高太阳能热泵热水系统的可靠性和经济性，完全满足寒冷地区建筑供暖、制冷、热水要求，这对我国寻求能源和环境两大社支问题的出路具有深远的意义。
参考文献
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论文作者:任鸿远1,李文丽2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年3月下
论文发表时间:2017/7/13
标签：热泵论文; 太阳能论文; 水箱论文; 温度论文; 系统论文; 热水论文; 子系统论文; 《建筑学研究前沿》2017年3月下论文;