1、第8卷 第1期2 0 2 3年2月分布式能源D i s t r i b u t e dE n e r g yV o l.8N o.1F e b.2 0 2 3D O I:1 0.1 6 5 1 3/j.2 0 9 6-2 1 8 5.D E.2 3 0 8 1 0 1太阳能与空气源热泵联合按需分时供暖柔性节能控制策略闫秀英,于鹏飞,王登甲(西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院,陕西省 西安市7 1 0 0 4 8)摘要:结合分时室内热需求的不同,通过设计合理的控制策略对房间进行供暖,将为有辅助热泵的太阳能供暖系统(s o l a rh e a t i n gs y s t e m,S H S
2、)带来巨大的节能潜力。在当前西北地区人体差异化热需求研究的基础上,提出太阳能与空气源热泵(a i r s o u r c eh e a tp u m p,A S H P)联合按需分时供暖柔性节能控制策略,根据不同时段的室内热需求,设置一定的温度波动范围,优化热源出力顺序,使控制系统更具柔性。并通过T R N S Y S软件建立联合供暖系统的仿真模型,对3个太阳能资源等级不同地区的某住宅建筑进行不同控制策略下系统的运行研究。结果表明,与常用的“恒温策略”相比,所提出的控制策略可充分利用太阳能,在保证热舒适的前提下通过减少A S H P的工作时长,从而减少高达2 4%的系统总能耗;所提出的控制策略
3、在高辐照度地区应用更有效。关键词:太阳能供暖系统;柔性控制策略;空气源热泵;分时热需求;节能中图分类号:T K5 1;TU8 3 文献标志码:AF l e x i b l eE n e r g y-S a v i n gC o n t r o l S t r a t e g yo faS o l a r-A S H PI n t e g r a t e dH e a t i n gS y s t e mB a s e do nT i m e-S h a r i n gH e a tD e m a n dYANX i u y i n g,YUP e n g f e i,WANGD e n g j
4、 i a(S c h o o l o fB u i l d i n gS e r v i c e sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,X i a nU n i v e r s i t yo fA r c h i t e c t u r ea n dT e c h n o l o g y,X i a n7 1 0 0 4 8,S h a a n x iP r o v i n c e,C h i n a)A B S T R A C T:C o m b i n i n gt h ed i f f e r e n t i n d o o rh e a td
5、 e m a n d so f t i m e-s h a r i n g,d e s i g n i n gar e a s o n a b l ec o n t r o l s t r a t e g yw i l l b r i n gh u g ee n e r g ys a v i n gp o t e n t i a l t ot h es o l a rh e a t i n gs y s t e m(S H S)w i t ha u x i l i a r yh e a tp u m p.B a s e do nt h ee x i s t i n gr e s e a r c
6、 ho nt h eh u m a nb o d y sd i f f e r e n t i a lh e a td e m a n di nn o r t h w e s tC h i n a,t h i ss t u d yp r o p o s e saf l e x i b l ee n e r g y-s a v i n gc o n t r o l s t r a t e g yo f a c o m b i n e ds o l a r a n da i r s o u r c eh e a t p u m p(A S H P)h e a t i n gs y s t e mb
7、 a s e do n t i m e-s h a r i n gh e a td e m a n d.C o n s i d e r i n gt h ei n d o o rh e a td e m a n di nd i f f e r e n tt i m ep e r i o d s,t h ec o r r e s p o n d i n gr o o mt e m p e r a t u r ec o n t r o l r a n g e i ss e ta n dt h eo u t p u ts e q u e n c eo ft h eh e a ts o u r c e
8、i so p t i m i z e d.A sar e s u l t,t h ec o n t r o ls y s t e mb e c o m e sm o r e f l e x i b l e.T h e s i m u l a t i o nm o d e l o f t h e s y s t e mi s e s t a b l i s h e db yT R N S Y S,a n d t h eo p e r a t i o no ft h es y s t e mu n d e rd i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i
9、 e si ss t u d i e d.Ac a s es t u d yo far e s i d e n t i a lb u i l d i n gi nt h r e ea r e a sw i t hd i f f e r e n ts o l a re n e r g yr e s o u r c el e v e l si sc o n s i d e r e d.C o m p a r e d w i t ht h ec o mm o n l yu s e d“t h e r m o s t a t i c”c o n t r o ls t r a t e g y,t h e
10、p r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g ya l l o w st h ef u l lu t i l i z a t i o no ft h es o l a re n e r g ya n dar e d u c t i o ni nt h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o nb yu pt o2 4%t h r o u g hr e d u c i n gt h ew o r k i n gt i m eo f t h eA S HP.T h e r e s u l t sa l s os h o
11、 wt h a t t h ep r o p o s e dc o n t r o l s t r a t e g y i sm o r ee f f e c t i v e i na r e a sw i t hh i g hr a d i a t i o n i n t e n s i t y.K E Y WO R D S:s o l a r h e a t i n gs y s t e m;f l e x i b l e c o n t r o l s t r a t e g y;a i r s o u r c eh e a t p u m p;h e a t d e m a n d s
12、o f t i m e-s h a r i n g;e n e r g ys a v i n g基金项目:国家自然科学基金面上项目(5 2 0 7 8 4 0 8);西部绿色建筑国家重点实验室自主课题项目(L S Z Z 2 0 2 2 0 8)P r o j e c ts u p p o r t e db yN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a(5 2 0 7 8 4 0 8);I n d e p e n d e n tR e s e a r c ha n dD e v e l o p
13、 m e n tP r o j e c to fS t a t e K e y L a b o r a t o r y o f G r e e n B u i l d i n gi n W e s t e r n C h i n a(L S Z Z 2 0 2 2 0 8)0 引言 利 用 太 阳 能 与 空 气 源 热 泵(a i rs o u r c eh e a tp u m p,A S H P)技术为建筑供能,在保证供暖连续性的同时,也具有较大的经济效益和社会效 益1-2。而目前一些太阳能供暖工程往往是辅助热源的实2 分布式能源第8卷 第1期际投入比例较大,甚至占主导作用,太阳能未能充
14、分发挥其应有的供暖作用,其主要原因是系统的控制策 略 不 当、热 源 的 出 力 顺 序 优 化 不 合 理3。恒温控制、温差控制等方式常用于太阳能热水系统中,但难 以满足太阳 能 供 暖 系 统(s o l a rh e a t i n gs y s t e m,S H S)的节能需要4-5。对于S H S而言,要想进一步实现系统运行节能,应结合分时分区人体差异化热需求,允许室温在一定范围内波动,优化热源出力顺序,从而更大程度地实现S H S的节能运行。随着供暖控制技术的发展,有差别供暖相较于无差别供暖更能提升系统的节能性6。分时分区供暖技术近些年被广泛研究,在满足不同时间、不同空间人体差异
15、化热需求的前提下,对建筑物进行差异化供暖,能显著降低系统能耗。如文献7 对某高校的供热系统进行规划改造,根据建筑物的供暖需要或开放时段进行供热调控,可显著降低供热采暖能耗。文献8-1 0 充分考虑了人体热舒适的影响因素,提出了预计适应性平均热感觉模型;并通过大量的调查测试分析了不同满意度类型,确定了环境操作温度的上下限值。文献1 1 在实验室条件下对青年人进行了实验研究,得到室内舒适温度范围为2 12 2。如上所述,国内外学者对分时分区供暖热需求都做了一定研究,但大多都是结合地理特征、人员状态和设计规范等研究出室内舒适温度的取值范围,而如何在不同时间、不同空间、差异化人体热需求的前提下,结合室
16、内舒适温度设定范围,设计太阳能热泵供暖系统的控制策略,目前尚未见文献报道。当太阳能与热泵系统设计良好时,设计合适的控制策略可更好地利用太阳能,并有效防止过度浪费1 2。文献1 3 在研究太阳能与A S H P热水系统时,针对不同运行模式系统的运行特点提出新的运行策略,降低了系统耗电量。文献1 4 提出了一种热泵开/关控制方法,通过测量储罐内的温度,及时改变通过泵的水流量,使系统能耗及热泵工作时间显著减少。显示出功耗和运行时间的显著减少。文献1 5 提出了一种快速响应的热泵热水器,采用形状记忆合金阀门对2个水箱设置不同的优先级,从而降低了能耗。如上所述,这些控制策略虽然都取得了不错的效果,但需要系统有额外的部件或需要在操作期间记录实时数据,这会让系统的复杂性和成本增加。综上所述,对于太阳能与A S H P供暖系统的运行,不仅涉及到不同热源的出力顺序问题,并且应该结合居民的热舒适要求,允许室温在一定范围内波动,设计合理的控制策略。本研究在前人对分时分 区 热 舒 适 研 究 的 基 础 上,提 出 太 阳 能 与A S H P联合按需分时供暖柔性节能控制策略,在T R N S Y S中开发