Research on Operation Optimization of Heating System Based on Electric Storage Coupled Solar Energy and Air Source Heat Pump

For heating systems based on electricity storage coupled with solar energy and an air source heat pump(ECSA),choosing the appropriate combination of heat sources according to local conditions is the key to improving economic efficiency.In this paper,four cities in three climatic regions in China were selected,namely Nanjing in the hot summer and cold winter region,Tianjin in the cold region,Shenyang and Harbin in the severe cold winter region.The levelized cost of heat(LCOH)was used as the economic evaluation index,and the energy consumption and emissions of different pollutants were analyzed.TRNSYS software was used to simulate and analyze the system performance.The Hooke-Jeeves optimization algorithm and GenOpt software were used to optimize the system parameters.The results showed that ECSA systemhad an excellent operation effect in cold region and hot summer and cold winter region.Compared with ECS system,the systemenergy consumption,and the emission of different pollutants of ECSA system can be reduced by a maximum of 1.37 times.In cold region,the initial investment in an air source heat pump is higher due to the lower ambient temperature,resulting in an increase in the LOCH value of ECSA system.After the LOCH value of ECSA system in each region was optimized,the heating cost of the system was reduced,but also resulted in an increase in energy consumption and the emission of different pollutant gases.

Modeling and Optimization of Solar Collector Design for the Improvement of Solar-Air Source Heat Pump Building Heating System

To enhance system stability,solar collectors have been integrated with air-source heat pumps.This integration facilitates the concurrent utilization of solar and air as energy sources for the system,leading to an improvement in the system’s heat generation coefficient,overall efficiency,and stability.In this study,we focus on a residential building located in Lhasa as the target for heating purposes.Initially,we simulate and analyze a solar-air source heat pump combined heating system.Subsequently,while ensuring the system meets user requirements,we examine the influence of solar collector installation angles and collector area on the performance of the solar-air source heat pump dual heating system.Through this analysis,we determine the optimal installation angle and collector area to optimize system performance.

Experimental Investigation on System with Combination of Ground-Source Heat Pump and Solar Collector

This paper presents the heating performance and energy distribution of a system with the combination of ground-source heat pump and solar collector or a solar-assisted ground-source heat pump system (SAGSHPS) by calculation and experiment.The results show that the average absolute error is less than 0.6 ℃ and the relative error is less than 5% under the pulse load when the analytical solution to the 2-D solid cylindrical source model is used for the SAGSHPS.The coefficient of performance (COP) of the SAGSHPS is 2.95-4.70.The average fluid temperature in the borehole heat exchanger can increase by 3 ℃ with the assistance of solar collector,which will improve the COP of the heat pump by approximately 10% from the experimental data.The energy contributions to the total heating load of soil,electricity and solar are 56.30%,36.87% and 6.83%,respectively.

Photovoltaic-thermal solar-assisted heat pump systems for building applications:Integration and design methods

The photovoltaic-thermal collector is one of the most interesting technology for solar energy conversion,com-bining electric and thermal energy production in a single device.Vapour-compression heat pump is already considered the most suitable clean technology for buildings thermal energy needs.The combination of these two technologies in an integrated“photovoltaic-thermal solar-assisted heat pump”(PVT-SAHP)system allows reaching a high fraction of the building thermal needs covered by renewable energy sources and to improve the performances of both the photovoltaic-thermal collector and the heat pump.The first is cooled down increasing its energy conversion efficiency,while providing low-temperature thermal energy to the second,which benefits from a higher evaporation temperature.The review study presents the state-of-art of photovoltaic-thermal solar-assisted heat pump systems intended to cover thermal energy needs in buildings,with a particular focus on the integration methodologies,the possible configurations,the use of different sources and the design of sub-system components.These issues are addressed by much scientific research,to improve the reliability and applicability of this technology,as an option for the building decarbonization.This study aims to present PVT-SAHP systems in an organic and critical way to propose a useful tool for future research developments.More in detail,the work highlights the fact that the integration of photovoltaic-thermal collectors as evaporator of the heat pump in direct-expansion systems allows the highest heat recovery and performances.However,the distinction of the two circuits lead to more reliable,flexible and robust systems,especially when combined with a second heat source,being able to cover both heating and cooling needs.The implementation of real-time control strategy,as well as the continuous development of the compressor and refrigerant industries is positively influencing this technology,which is receiving more and more attention from scientific research as a suitable solution for nearly zero energy buildings.

基于ANFIS的太阳能-空气源热泵供暖系统温度控制研究

针对太阳能-空气源热泵供暖系统运行环境复杂多变,模糊控制器的设计高度依赖人工经验的问题,提出一种基于自适应神经模糊推理系统(ANFIS)改进的模糊控制方法。该方法利用ANFIS在复杂系统建模中的优势,结合供暖系统温度响应特性和实际运行数据,建立联合供暖系统变工况ANFIS模型,生成与系统性能适配的模糊规则库并传递给模糊控制器执行。Matlab/Simulink仿真对比试验表明,与单一的模糊控制相比,该方法的控制精度提高了17.65%,调节时间缩短了36.4%,具有更高的控制精度和响应速度。

太阳能光热光电技术在高校宿舍的对比研究

针对夏热冬冷地区某高校宿舍用能特征,基于太阳能的两种利用方式分别设计了太阳能光热供能系统和太阳能光电供能系统。利用TRNSYS仿真软件模拟两种供能系统的运行特性,对比了两种系统的组件性能、经济性及减排量。结果表明:除假期时间外,太阳能集热单元的集热效率保持在40%左右,年太阳能保证率可达58%;并网光伏发电单元全年发电量为311 394 kW·h,发电量自用率达到70.5%。太阳能光电供能系统的年能耗费用较光热供能系统节省11万元,费用年值减少4.9万元,年碳排放量降低166 t。对光伏安装面积进行优化后可知,光伏安装面积每增加52 m^(2),光伏供能系统费用年值减少2111元。研究结果可为高校宿舍建筑选择适宜的太阳能利用形式提供参考和依据。

基于Dymola的太阳能-热泵双水箱复合供暖系统参数优化设计

为降低西北地区居民使用太阳能复合供暖系统的经济成本和碳排放量,并提高太阳能利用率,设计一种太阳能-热泵双水箱复合供暖系统,并优化其重要参数。利用Dymola平台,搭建太阳能-热泵双水箱复合供暖系统模型,目标函数是系统全生命周期成本,选取太阳能集热器面积、集热器安装倾角、水箱容量和热泵功率作为优化变量,采用遗传算法同步优化系统所选变量,并对系统的环保性进行分析。以宁夏地区为案例进行优化计算,结果表明,所创建的数学模型准确性较好,比较模拟数据与实验数据,二者平均误差均在±8%以内。在系统15年寿命周期内,优化后系统性能系数提高10.3%,水箱平均温度提高至54.71℃,系统生命周期成本减少5.3%,节能率为24.4%,节能效果显著。系统的SO_(2)、CO_(2)、NOx及烟尘的减排量分别为0.82、26.6、0.41、7.48t,该系统可以显著降低环境影响,与传统燃煤锅炉相比减排效果显著。

基于正交试验法的太阳能复合热水系统优化

为降低生活热水能耗,实现空气源热泵辅助太阳能供热水系统的高效节能运行,选取济南市某高校学生宿舍空气源热泵辅助太阳能供热水系统作为研究对象,利用瞬时系统模拟软件搭建了系统仿真模型,并采用无交互作用的正交试验法,分别以全年系统性能系数和太阳能保证率为优化目标,优化了太阳能集热器面积、集热器倾角、热泵制热功率及水箱容积,并分析其结果的经济性和节能性。结果表明:当以系统性能系数为优化目标时,最优组合中集热器面积为390 m^(2)、集热器倾角为42°、热泵制热功率为50 kW、水箱容积为23.94 m3,而动态费用年值为7.38万元,较天然气系统年节省标煤为17.12 tce;当以太阳能保证率为优化目标时,最优组合中集热器面积为342 m^(2)、集热器倾角为44°、热泵制热功率为35.5 kW、水箱容积为20.58 m3,而动态费用年值为6.56万元,较天然气系统年节省标煤为16.63 tce。

超低温空气源热泵与太阳能供热系统在寒冷地区的优化应用

为了加强对环境的保护,推动可持续发展社会的建设,超低温空气源热泵联合太阳能供热系统被研发出来。该联合系统的应用极大地缓解了当前能源紧张的问题,同时对降低环境污染、提高能源利用率、降低供暖成本也有着积极的作用。基于此,围绕超低温空气热源泵与太阳能供热系统展开论述,对当前超低温空气源热泵与太阳能联合供热系统结构进行分析,剖析其中所存在的问题,同时针对问题提出超低温空气源热泵与太阳能供热系统的优化方案,将其应用于北方寒冷地区的一建筑当中,并对应用效果进行分析。

新能源汽车空调热泵技术应用探讨

新能源汽车与国家节能减排的指导战略一致,在能源日益紧张的今天,即可解决民众出行对交通工具的需求,同时可减少车辆运行中对资源的消耗,也不会出现严重的环境污染问题,所以在未来有较大的发展潜力。制冷与制热是汽车空调的主要功能,传统燃油车的制冷制热技术已可非常成熟地利用燃油资源。然而,以往燃油车因技术的限制,虽然可进行制冷与制热的操作,但是存在较大的问题,比如能源利用率低,与我国能源战略的初衷相悖。新能源汽车具有无污染、零排放等优点,新能源汽车空调热泵技术的运用,可显著提高新能源汽车的综合性能,所以该技术在新能源汽车领域备受关注。本文对新能源热泵空调系统的工作模式及热泵空调技术应用状况进行探讨分析,梳理空调热泵的应用内容,探讨其在未来面临的发展机遇及面临的挑战。

多源分布式换能系统构建理论方法研究与应用

“双碳”背景下分布式换能系统以其在低碳环保方面的显著优势逐渐在集中供热领域得到应用。本文针对分布式换能系统中热泵、太阳能集热器、板式换热器和燃料电池等关键单元提出了单元能耗评价方法,并通过EES软件对各单元进行了热力学建模以定量评价不同单元在不同工况下的经济性,进而提出分布式换能系统的构建方法以获得流程经济性最优化。以此为依据搭建了最优化流程,并以北京地区某小区为例分析了该系统的供暖季性能,最后进行了经济性和碳减排分析。结果表明:室外温度在-10~5℃范围内变化时,该新型分布式换能系统的COP为2.69~4.43,太阳能集热器效率为45.19%~61.87%,燃料电池日发电量为8047.4~32228.0 kW·h;与常规热力站相比,该新型分布式换能系统的运行成本节省率为32.66%~53.92%,碳减排率为69.07%~73.29%。

基于PSO-MSVR的太阳能耦合土壤源热泵系统优化配置

为了优化太阳能耦合土壤源热泵系统(SGSHPS)的配置,以沈阳地区办公建筑为例,基于TRNSYS平台建立了不同运行模式的SGSHPS模型,对比分析不同模式下系统运行30 a后土壤温度不平衡率和系统总能耗;以并联过渡季蓄热模式为对象,对不同的太阳能集热系统和地埋管换热器组合方式进行模拟;在保证系统稳定的前提下,以动态费用年值最低为目标,优化太阳能集热器面积和地埋管换热器钻孔数的配置方式;引入粒子群优化-多输出支持向量机回归(PSO-MSVR)算法,使用PSO算法生成MSVR模型参数并寻找最优值。结果表明:与采用传统热平衡法确定的配置方式相比,优化后运行30 a的系统能耗降低379522 kW,节能11.2%,费用年值降低61863元,土壤温度仅上升0.73 K;对于不同的太阳能集热器和地埋管换热器造价,优化后费用年值相较优化前仍有不同程度的节省,且土壤温度均未有较大偏移。

高校宿舍太阳能-空气源热泵复合热水系统设计与应用探讨

在当前积极倡导节能减排的政策要求下,可再生能源利用逐渐普及。以西安建筑科技大学学生宿舍太阳能-空气源热泵复合热水系统为例,阐述了复合热水系统的构成、工作原理,对太阳能集热系统、空气源热泵换热系统、热水供水系统等进行了设计计算,给出了集热器、热泵机组、集热水箱、供热水箱等主要设备的选型结果,提出了系统运行控制方案,并结合实际运行工况下的热性能数据,计算得到系统在不同季节的太阳能保证率、热泵能效比COP值,表明系统具有极大的节能性。

基于TRNSYS模拟的多能源时序互补供暖系统研究

针对典型气候区(郑州和哈尔滨)不同建筑类型的负荷特点,提出多能源时序互补集中式供暖系统,并对蓄热场的蓄取规律进行模拟分析。通过TRNSYS模拟,对多能源时序互补集中式供暖系统在不同建筑中运行时的蓄热场土壤平均温度、系统运行策略、能效提升率进行分析。结果表明:土壤平均温度处于动态平衡,公建系统土壤平均温度最高可达65℃;公建及寒冷地区居建系统运行策略均以太阳能直供和蓄热场直供为主要供热方式,地源热泵为辅,严寒地区居建系统运行策略是以地源热泵为主要供热方式,太阳能直供和蓄热场直供为辅;多能源时序互补集中式供暖系统与地源热泵系统相比能效提升明显,公建系统能效可提升90%以上,严寒地区居建系统能效提升59.12%。

多能互补供暖系统结构优化模拟研究

为解决农村地区冬季供暖问题,推动农村能源低碳转型,本文提出一种适用于新农村住宅的空气源热泵辅助太阳能、沼气互补供暖系统,并对系统关键参数进行优化研究。首先,建立了太阳能-沼气-空气源热泵互补供暖系统仿真模型,进行了多能互补供暖系统的运行控制策略分析;其次,以费用年值最小为目标函数,对太阳能集热器的面积、倾角、方位角、蓄热水箱容积和沼气池容积进行了参数优化;最后,对优化前后的供暖系统的性能进行了比较和讨论。结果表明,优化前后室内温度和沼气池温度分别保持在20℃和26℃,优化后系统耗电量相较优化前节省28.5%的电能,空气源热泵COP由3.12提高到3.88。本研究结合太阳能、沼气和空气源热泵技术的优势,可以为农村地区供暖系统的设计和实施提供有价值的见解。

太阳能PV/T+相变能与直蒸式水源热泵供热(冷)系统特性分析

为解决河北农村建筑清洁供暖问题和太阳能利用具有不稳定性问题,设计了太阳能PV/T+相变能与直蒸式水源热泵供热(冷)系统进行实验研究。实验结果表明,冬季典型日系统发电量为4.453kWh,制热系数COP平均值3.41;夏季典型日系统发电量为5.945kWh,制冷系数EER平均值3.2;将发电量用于系统运行,制热系数COP为4.22,制冷系数EER为4.19,分别提高了23.75%和30.12%;夏季单纯PV/T太阳能电池发电量5.537kWh,本系统的发电量提高了7.37%。该系统经济效益高,运行稳定,是一种实现河北农村清洁供暖有效途径。

太阳能-土壤源热泵系统(SESHPS)及其研究开发

综述分析了国内外太阳能 土壤源热泵的研究现状 ,介绍了其结构、工作原理、运行方式及主要技术优点 ;指出太阳能 土壤源热泵研究与开发中的核心问题及在目前条件下进行研究开发所应注意的问题 。

太阳能热泵复合系统应用与节能分析

本文分析计算了广东某地区一个300间客房的酒店采用太阳能和热泵复合系统供应热水的方案,并且和采用电热水器供热水的方案进行了对比。研究表明,采用太阳能热泵复合系统仅需要18匹的热泵配20平米的太阳能集热器,即可满足每间客房8小时供热水的需求。供应热水的方案无论从初投资还是运行费用以及环保方面,都具有明显的优势。该方案可以为类似热水需求单位提供理论和现实的指导。

太阳能-地源热泵系统控制策略及运行特性研究

为解决西北村镇地源热泵系统应用中土壤温度逐年降低的问题,设置太阳能-地源热泵系统(SGSHP),分析SGSHP的适用区域。以某小学为测算对象,使用文献调研、数字化模拟等方法,仿真模拟运行策略。结果表明,农业设施和学校适合采用SGSHP,非供暖季太阳能为土壤补热,供暖季优先太阳能供暖为最佳控制策略,太阳能集热器面积86 m^(2),水箱容积3.9 m^(3),换热器截面积0.4 m^(2),循环泵流量6.6 m^(3)/h,换热管长度120 m,可在1个自然年恢复土壤温度。