关键词：太阳能-空气源热泵；供暖系统优化；研究
引言
对太阳能-空气源热泵系统优化后，太阳能-空气能复合系统能经济和环境效益进行详细分析，对以后太阳能-空气源热泵供暖系统的整体使用费用年值最低，粉尘减排量减少，对以后的使用有着重要的意义。
1、太阳能热水系统和空气源热泵概述
1.1太阳能热水系统
太阳能作为一种可再生能源近年来受到大家的广泛关注，其成本低，清洁环保，使用过程中不会产生污染物，并且取之不尽用之不竭，我国太阳能资源十分丰富，平均日辐射量可达到4kw／m2，年日照时数在2000h以上，目前我国应用太阳能最广泛的领域是太阳能热水系统，若将太阳能应用到住宅供暖中，不仅可以解决供电紧张，减少化石能源消耗，缓解能源危机给当今社会带来的压力，也会为环境保护，改善人类生存环境做出贡献，具有一定的社会效益和经济效益。但太阳能系统具有一定局限性，在太阳能集热器运行过程中，其制热量受到诸多因素的影响，如太阳辐射强度，环境温度，集热器进出口温度等。
1.2空气源热泵
空气是热泵系统的主要低品位热源之一，根据我国《建筑气候区划标准》，我国可分为7个气候区，其中Ⅲ区和Ⅴ区属于夏热冬冷地区，夏季闷热，冬季湿冷，其室外空气适合作为热泵的低位热源。空气源热泵机组又称为风冷热泵机组，是一种能从空气中获取低品位热能，经过电力做功，输出可用的高品位热能的设备，既可以夏季供冷，又可以冬季供热，可以一机两用，不需要冷却水系统，其工作原理是通过压缩机做功，使制冷剂工质产生物理相变，利用这一往复循环的相变过程不断地吸热和放热。
2、现阶段太阳能-空气源热泵存在的问题
热泵的制热量与建筑的热负荷一致的时候，温度称为平衡点温度，平衡点温度如果低的话，就要求配置的热泵容量就比较大一些，太阳能系统及电加热的容量如果越小，初投资就会变得低一些，但运行的费用会高一些，反之，平衡点温度如果过高，要求配置的热泵容量就会小一些，太阳能系统及电加热的容量也会较大一些，初投资就会高一些，但运行的费用会很低，所以，系统设计者在选择设备时就需要选择合适的温度平衡点才能使平衡点温度选择各设备的容量。空气源热泵也具有一定缺点，出水温度一定时，随着环境温度的下降，热泵的制热量逐步下降，环境温度一定时，随着出水温度的提高，热泵的制热量逐步下降。而且当空气侧换热器翅片表面温度低于0℃时，空气中的水蒸气会在翅片表面结霜，使得换热器的传热阻力增加，导致制热量减小，在空气源热泵机组在制热工况下工作时，需要进行除霜工作，因此，需要将空气源热泵系统也需要辅助热源。
3、太阳能-空气源热泵供暖系统优化方法
3.1优化变量及优化目标函数
在本系统中，太阳能集热器面积、蓄热水箱体积、热泵额定制热量与系统的初投资和运行费用紧密相关，而集热器的安装倾角与方位角对集热器的集热量有较大的影响。故本文选取的系统优化变量为太阳能集热器方位角SA（90°代表西向，0°代表南向，-90°代表东向），集热器倾角SS，集热器面积A，蓄热水箱体积VX，空气源热泵额定制热量Q。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆目标函数是最优化问题的目标，在本系统中，目标函数是费用方程，因此可以将目标函数定义为如下： 其中：x1，x2，x3，x4，x5分别代表目标函数的五个变量，即太阳能集热器方位角SA，集热器倾角SS，集热器面积A，蓄热水箱体积VX，空气源热泵额定制热量Q，X表示由这五个变量所组成的目标函数所有可能的解。本文通过对系统供暖过程的动态模拟，得出供暖期间运行能耗并计算出运行费用，考虑到资金的时间价值，提出以费用年值作为系统的优化目标，将系统初投资费用折算到单位年，对系统的经济性进行评价。费用年值包括投资年值和运行费用两部分，其计算公式如下：F=C+O式中：F为费用年值；C为投资年值；O为运行费用。C=P×i1-（1+i）-n式中：P为总投资；i为贷款利率；n为设备寿命。P=A×500+VX×1000+Q×1200+T式中：A为集热器面积，m2；VX，VH分别为蓄热水箱和供热水箱体积，m3；Q为空气源热泵额定制热量，kW；T为土建、自控、管道安装及其他费用。O=（P1+P2+PH+PD）×Y+W式中：P1、P2分别为水泵P1、P2耗电量；PH为热泵耗电量；PD为电辅热耗电量；Y为电价；W为维护管理费用。
3.2集热器面积计算
为太阳能资源较丰富地区,通过建筑屋面铺设太阳能真空管集热制取热水,按照日均热水用量考虑集热面积,建筑采暖采用地暖方式,供暖时设计的供回水温度为55/45℃,两者温差为10℃,根据能耗模拟结果计算全年建筑热水用量,全年的热水用量为3857.3t,供暖时间为121d,日均热水量约为32t,最大热负荷为177.5kW.根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》GB50346—2018中直接系统太阳能集热器总面积计算方法进行计算,公式: 式中:AC为直接系统太阳能集热器总面积,m2,QW为日均热水用量,kg,pw为水密度,kg/L,CW为水定压比热容,kJ/kg·C,tend为系统所用热水设计供水温度,to表示供水初始温度,℃,f为太阳能保证率,JT为集热器采光面上年平均日辐射量,毲cd为基于总面积集热器年平均集热效率,毲L为太阳能热水系统热损失率,按照上述参数进行计算。
3.3节能性分析
计算太阳能空气源热泵系统年节约费用以运行费用,费用计算结果.计算结果表明系统相比电锅炉年运行耗能最多,太阳能空气源热泵系统耗能最少,前者耗能量为后者3.35倍,两者相比年运行费用相差6.17万元,节约用电量为106379.3kW·h,折合为13.1t标煤,节能达70.1%;太阳能空气源热泵相比于单热泵系统年耗能节约2.4%,年节约用电费2.9万元,虽然太阳能集热器初投资增加了16.8万,系统经6年即可回收成本,由此可见,太阳能-空气源热泵系统年节能性最佳。
结束语
综上所述，太阳能-空气源热泵供暖技术，基于优化变量及优化目标函数，集热器面积计算，改善热泵的整体工况，显著提高热泵的性能。为太阳能-空气源热泵供暖系统奠定基础。
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作者简介：和富超，男，（1989.02-），山东济南，本科。研究方向：建筑暖通。
论文作者:和富超
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第17期
论文发表时间:2020/3/4
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