摘要
为了缓解能源短缺的压力，尽力突破现有的能源消费格局，加快我国能源结构转型的速度，改善生态环境，推广清洁供暖技术是切实可行的方法之一。高原寒冷地区的冬季建筑供暖需求和生活热水供应需求较大，同时高原地区海拔高，大气层薄而清洁，空气干燥，透明度好，纬度低等地理条件，使其拥有充足的太阳能资源。选择拉萨地区作为高原寒冷地区的典型代表城市，结合该地区的冬季室外气候特征，开展对太阳能-空气源热泵两联供系统的运行效率性能模拟及设计参数优化研究，旨在利用可再生能源解决高寒地区居民供暖及生活热水需求问题，提高居民生活品质，为实际工程中系统的设计提供参考。 首先，以一幢位于拉萨地区的住宅楼建筑作为研究对象，利用TRNSYS软件对目标建筑的热负荷动态变化规律展开模拟研究，并结合该地区室外气象参数对模拟结果进行分析。以此为依据，结合生活热水供应耗热量对系统进行初步设计。同时针对系统的不同供热模式，选择使用温度控制方法，确定系统的运行控制方式。 其次，对系统中主要模块的数学模型进行详细阐述，构建太阳能-空气源热泵两联供系统仿真模型，对系统运行性能进行分析。结果表明，供暖期间生活热水供水温度稳定在60℃左右，建筑进行供暖时的水温基本稳定在50～55℃之间，供回水温差均在5～10℃上下浮动，变化趋势与建筑物热负荷变化趋势一致，基本可以满足需求，且效果较为理想。太阳能集热器有效集热量并不能完全满足供暖期供热量需求，因此为了保证系统稳定运行，设置空气源热泵作为补充热源。供暖期空气源热泵平均制热性能系数COP为2.81，运行状况较为理想。系统在供暖期平均制热性能系数COPsys为4.21，存在进一步优化空间。 再次，进一步研究系统设计参数对其性能的影响，通过搭建太阳能-空气源热泵两联供系统优化模型，利用GenOpt优化程序，以费用年值作为目标函数，太阳能集热器面积、太阳能集热器安装倾角以及蓄热水箱容积作为设计变量，选择粒子群算法和Hooke-Jeeves算法作为优化算法，分别对系统进行优化研究。基于优化结果和结合工程实际，最终确定系统的最优设计变量的取值为:太阳能集热器面积168m2、太阳能集热器安装倾角56°、蓄热水箱容积15m3。优化后供暖期系统平均太阳能保证率和制热性能系数COPsys分别提高了12.19％和10.08％，系统在保证经济性的前提下同时提升了系统的整体性能，验证了优化结果的合理性。 最后，利用TRNSYS分别对太阳能-空气源热泵、空气源热泵、太阳能-电辅助加热三种不同供热形式的系统进行模拟，结果表明太阳能-空气源热泵的制热性能系数COPsys比其他两种系统大，始终保持在3.8以上，太阳能-电辅助加热系统节能性最差。从系统全生命周期分析，在相同的使用年限下，太阳能-空气源热泵系统的费用年值是三者之中最低的，为41824.6元，每年比空气源热泵系统和太阳能-电辅助加热系统节约了9.6％和35.1％。一个供暖期太阳能-空气源热泵两联供系统传统能源替代量为16389.82kgce，能够减少CO2、SO2、粉尘的排放量分别为40482.86kg、327.80kg、163.90kg，明显优于其他两种系统。
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