雅典市太阳能辅助热泵供暖系统与其他常用供暖系统的能源及经济评估研究外文翻译资料

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雅典市太阳能辅助热泵供暖系统与其他常用供暖系统的能源及经济评估研究

Christos Tzivanidis, Evangelos Bellos, Georgios Mitsopoulos, Kimon A. Antonopoulos, Asimakis Delis

雅典国家技术大学, 热力工程系, Zografou, Heroon Polytechniou 9, 15780, 希腊, 雅典

摘要：

本文对各类供热系统的多种能源和经济性进行了比较和研究。研究对象为位于雅典（希腊）面积为100平方米的绝热建筑物，本文研究了三个不同的供暖系统，以确定最合适的供热技术。本文研究的基本思路是将太阳能热泵供暖系统和空气源热泵加热系统及带有辅助电加热太阳能集热驱动器的风机盘管加热系统进行比较。研究结果显示，由于热源温度较空气源热泵高，因此用热水供给热泵可提高性能系数（C.O.P.）。能量仿真工具是模拟复杂瞬态系统行为的商业软件TRNSYS。由于这些是影响太阳能供热系统性能的主要参数，因此本文提出了集热器收集面积和储罐体积的多种匹配组合。由灵敏度分析证明，25平方米的平板集热器（FPC）与1立方米的储罐相连足够供给热泵，而40平方米的太阳能平板集热器与1.25立方米储罐相连可使太阳能覆盖率超过70％。为保持高标准的热舒适条件，本研究的每个系统均设计严谨。本文最后一部分为综合投资和运营成本对已研究技术的经济性评估分析。

1 概述

为达到更高的热舒适度标准的新生活方式，这样的趋势导致我们的社会存在越来越多的能源消耗。 建筑行业消耗着全球能源的三分之一，这代表着巨大的能耗^[1-3]。 近年来，化石燃料成本和电价的加快上涨导致了每年建筑空间采暖的高昂成本。 因此，应用新型创新方式来降低运营成本，创造更低成本的供暖系统，这对于大多数社会来说是至关重要的。 使用其他方式的替代能源，如太阳能、地热能和废热，是有希望部分或完全满足建筑物能源需求的能量来源。其中太阳能利用是一种高效简便的方式，可满足大部分建筑物空间采暖的负荷。

在冬季辐射水平高，加热负荷高的国家，太阳能采暖技术是非常规采暖系统中最为合适的技术。 在希腊，太阳辐射潜力从马其顿的1400千瓦时/平方米到克里特岛的1800千瓦时/平方米^[4]，雅典的中值为1600千瓦时/平方米^[5]。此外，克里特岛的特定加热能源需求约为25千瓦时/平方米，雅典为37千瓦时/平方米，马其顿为58千瓦时/平方米^[6]。 很明显，雅典是希腊具有巨大太阳能特定供暖需求潜力的的城市，因此太阳能采暖的最适合雅典城市建筑供暖需求的技术。

命名
A_col 采集面积，m² eta;c太阳能集热器效率
COP 系数的性能 rho;密度，kg/m³
c_p 比热容，kJ/kg K (tau;alpha;)透光率吸光度积
C₀ 资本成本，euro;
C₁ 可变成本，euro; 下标和上标
f 太阳能覆盖 air空气
F_R 散热系数 aux 辅助
H 水平面上的日常太阳辐射，kW h/m² col太阳能集热器
k 导热系数，W/m K heat加热
N 项目时间 in室内
T 温度，℃ solar 太阳能
P_el 耗电量，kW h source热源
Q 能量，kW h u 有用的
R 折扣因子
U 热透过率，W/(m² K) 缩写
U_L 热损失系数，W/(m² K) COP系数性能
V 罐体积，m³ FPC平板收集器

希腊符号
beta; 收集器的倾角，°

在参考文献中，许多研究都提出了太阳能辅助热泵系统的供暖和家用热水的建议^[7-11]。目前国内外已经应用了各种能量工具如ESP-r，Insel和EnergyPlus来对其进行研究 ^[12]，但TRNSYS应用于大多数研究当中^[13-15]。 Buker和Riffat ^[16]在最近的详细文献综述中指出，许多参数影响着太阳能辅助热泵系统的性能。具体而言，他们得出结论，许多因素如太阳能集热器类型，热泵制冷剂，环境条件，系统尺寸和负载特性等都对系统性能有所影响。将太阳能热泵与其他加热系统相比较是非常有趣的研究。孙等人^[17]，将太阳能辅助热泵加热系统与空气源热泵进行了比较，得出结论，太阳能辅助热泵加热系统在任意天气条件下表现更好。尤其是杨等人^[19] 在寒冷气候的研究中^[18]，计算了太阳能热泵的C.O.P.值超过4，在如此寒冷气候的研究中，这具有十分深刻的价值。重要的是，空气源热泵的平均C.O.P.值约为3 ^[20]，在任何情况下都低于太阳能热泵。许多研究人员研究了用于驱动热泵的太阳能和环境源的复合热源，Chargui和Sammouda ^[21]使用了TRNSYS模拟住宅房屋中的双源热泵，并得出结论，较高的热水温度可以改善系统的性能，并且可以使COP值大于6。Lerch等人^[22]将典型的空气源热泵与创新的太阳能热泵相比较，新系统通过使用两个蒸发器串联使用太阳能，比典型的空气源系统消耗的电力少30％。Buker和Riffat ^[23]研究了一种用于热泵运行的新型太阳能屋顶，最后他们发现这种投资是可行的，投资回收期约为3年。

此外，有研究将太阳能热泵与地源热泵相比较，以预测哪种技术性能更好。Busato等人^[24]利用TRNSYS将地源热泵和太阳能热泵系统进行了比较，他们认为多源热泵系统是最理想的解决方案。对这些复合热源，Januscaron;evicius和Streckiene^[25]进行了调查。他们调查了一个建筑物的太阳能辅助地源热泵系统，该建筑物面积为180平方米， TRNSYS参数设置为一年18千瓦时/平方米的低比热负荷。他们得出结论，该系统的C.O.P.值超过4，收集面积为7.4平方米。由于有许多研究对太阳能热泵供热系统技术进行了广泛的讨论，许多研究已经对其运行进行了优化。如Ahmad等人 ^[26]优化了太阳能辅助热泵的控制系统，以降低电力成本。最终结果证明，开/关策略优于线性多变量模型。曲等人^[27]比较了太阳能热泵加热系统中的显存和潜藏，并证明了具有相变材料（PCM）的潜储存可提高约50％的系统效率。

在本文的研究工作中，将太阳能热泵系统与空气源加热系统和具有辅助电加热器的简单太阳能驱动风机盘管系统进行了比较。这些技术的比较在研究中不常见，因此这项研究具有重要意义。更具体的解释，本文不仅比较了太阳能辅助热泵加热系统的与传统的红外线加热系统，还与另一种可再生的加热方式进行了比较，这些能源和经济上的研究具有很重要的意义。 此外，该研究对象涉及的雅典建筑面积为100平方米，本文对三大系统在资金和经济上进行了比较，以便进行多方研究。这个希腊城市具有很高的太阳辐射潜力，并且还具有很大的供暖需求，这两个因素使得太阳能供暖系统的适用成为可能。

本文的主要思想是将空气源热泵与由太阳能集热器驱动的水源热泵进行比较。太阳能集热器增加了水源热泵的热源水温，使水源热泵具有更高的性能。此外，还分析了由辅助电加热器耦合的太阳能集热器驱动的简单的风机盘管系统，以此进行了多方比较。 对这三种技术在能源和经济方面进行了比较，其热舒适条件保持在相似的水平。在本文研究的条件下，1月份为加热负载较高的一个月，此时可进行安全的系统优化设计。研究表明，室内温度曲线于1月份的冬季和特定日期呈现低温度和低太阳辐射，此时太阳能热泵系统面临供热困难。

2 研究背景

本章节介绍了所研究的商业建筑物的重要参数及数学方程，这是本文以下分析所必需的。 本文所研究的建筑物供暖负荷在所有实验条件的情况下都是相同的，以便对不同的供暖系统进行实际的比较。TRNSYS是一个非常强大的仿真分析工具，其中所使用的雅典的天气数据取自Meteonorm。

2.1 研究对象

经研究，研究对象建筑面积为100平方米，本段详述其特点。建筑物模拟中通常存在着许多参数典型值的选择。表1给出了建筑物的主要尺寸和主要载荷。特别指出，建筑物的四个外墙沿四个方向定向，其形状为一个正方形。假设设备功率约为1​​.5kW，操作时间内10人坐在所研究的建筑物内，并具有1kW的照明。研究对象窗户为双层窗户，内部阴影为70％，其被放置在东，南，西三个方向。所实验研究期间的建筑营业时间为上午8:00至下午18:00。墙壁结构对加热负荷有很大的影响，因此对其进行分析性描述。所有外墙和屋顶均绝热良好，以此减少加热负荷。具体来说，该建筑物由四个外部相同的墙壁和一个没有内墙的屋顶组成。外墙组成包括以下5层：1.5厘米石膏，12厘米砖，10厘米绝热层，12厘米砖和1.5厘米石膏。屋顶结构由24厘米水泥，16厘米绝热和1.5厘米石膏（内侧）组成。每个窗户的热透射率（U值）为1.4 W/m² K，屋顶0.233 W/m² K，外壁为0.338 W/m² K。这些很低的热透射率值构建了一个低温负载的绝热建筑，研究对象每月载荷由TRNSYS 16计算得出，它们在表2中给出。为了得到高质量的热舒适条件，期望的温度设定为22℃。对于这个温度水平，建筑物的最大供暖负荷约为5.1千瓦，冬季特定加热负荷为35.8千瓦时/平方米。建筑物的最后一个重要数据是结构材料的热性能，表3包括所用材料的热导率，比热容和密度值。

表1 建筑外围护结构的参数

表2 研究对象每月供暖负荷

表3 建筑结构材料热性能

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