引言随着我国经济和社会的快速发展，各领域对能源的需求逐渐增长，我国目前的能源消耗量巨大[1-2]。经国家统计局统计，2021年，我国清洁能源消费量占能源消费总量的25.5%，煤炭消费量占能源消费总量的56%，我国主体能源仍以煤炭为主，能源的大量消耗造成碳排放量增多、环境污染等问题。因此，我国提出碳达峰碳中和目标[3-7]。发展可再生能源供暖代替煤炭供暖，可以更好地保护环境，为经济的发展提供持久的动力。我国的太阳能资源丰富，但是固有能流密度低、能量供给具有随机性和周期性等特点给太阳能采暖设计带来极大的障碍[8-10]。空气源热泵是较为安全、清洁、高效的供暖设备，太阳能-空气源热泵复合供暖是重要的研究方向[11-12]。郭琪[13]等建立太阳能-空气源热泵耦合供热系统的瞬态计算模型，以费用年值为目标函数对系统进行优化，分析得出最优控制条件下的优化比。于涛[14]等通过收集某学校空气源热泵辅助太阳能热水系统的运行数据，利用Trnsys软件建立仿真模型，并分析系统的运行特性与节能特性。祝彩霞[15]等研究川西藏地区的太阳能-空气源热泵供暖系统的容量匹配及运行优化，以生命周期成本小为目标，以热泵启停温度、热泵容量等为优化变量。结果表明，单一运行优化可节省19%的运行费用，系统COP和热泵平均COP分别提高24.3%、10.7%，系统寿命期内，同步优化的总投资最小。李倩茹[16]利用DeST软件模拟高原寒冷地区的办公建筑热负荷，利用Trnsys软件建立太阳能-空气源热泵系统，采用正交试验法对太阳能集热面积、集热器倾角进行优化分析，最终得到末端温度的最佳组合为45 ℃和60 ℃。太阳能与空气源热泵的结合利用，可以弥补其各自单独供暖时存在的不足，能使系统具有良好的连续性和稳定性。以西安及周边地区典型建筑为例，利用Trnsys软件对太阳能-空气源热泵复合供暖系统中集热器倾角和水箱容积进行分析和优化。1工作原理及模型介绍太阳能-空气源热泵复合供暖系统由太阳能集热系统和空气源热泵系统构成，原理如图1所示。太阳能集热系统主要将太阳能转化为热能，空气源热泵系统作为辅助加热的热源系统。复合供暖系统通过参数的最优设定以及工作方式设置最大化利用太阳能，减少补充热源的利用，实现能源节约。太阳能辐射强度较大时，太阳能集热系统单独工作；太阳能辐射强度较低时，太阳能辐射量不足以满足采暖要求，空气源热泵同时工作；若遇到极端天气等原因，空气源热泵也可单独工作。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.007.F001图1太阳能-空气源热泵复合供暖系统原理瞬时系统模拟仿真程序(Trnsys)由一系列软件包组成，主要包括Simulation Studio模拟平台、TRNBuild建筑模型、TRNOPT优化模拟程序。太阳能-空气源热泵复合供暖系统模块主要包括：建筑模块、集热模块、气象数据模型、空气热泵机组、水箱模块等。（1）建筑模块。以西安市郊区农村住宅为研究对象，利用Trnsys构建典型建筑模型。建筑房间布局如图2所示。房间围护结构传热系数如表1所示。采暖期为11月15日到3月15日。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.007.F002图2建筑房间布局10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.007.T001表1房间围护结构传热系数围护结构传热系数外墙0.350内墙0.652窗户2.000屋顶0.200地面1.500W/(m2·K)（2）集热模块。集热器模块包含真空管型集热器模块、二次拟合曲线型集热器模块、家用太阳能集热器等，可以进行模拟计算。太阳能平板集热器(Type1b)主要由吸热板、透明盖板、壳体、隔热层组成，选取太阳能平板集热器(Type1b)的原因是其吸热量大、使用寿命长。（3）空气源热泵机组。对Trnsys部件库中空气源热泵(type941)模块进行参数设定，空气源热泵机组具有制冷和制热两种模式。热泵机组制热量Qdhw为：Qdhw=UAdespr,h(Tdespr-Tdhw,in) (1)Tdhw,out=Tdhw,in+QdhwmdhwCpdhw (2)式中：Qdhw——热泵机组制热量，kg/s；U——蒸发器传热系数；Adespr,h——蒸发器面积，m2；Tdespr——制冷剂液体温度，℃；Tdhw,in——冷凝器进水温度，℃；Tdhw,out——冷凝器出水温度，℃；mdhw——冷凝器流量，kg/s；Cpdhw——冷凝器内水的比热容，J/(kg·℃)。排除鼓风机控制器功率：Qcondens=Qcap-Qdhw (3)Qecap=Qcondens+Qdhw-Qcompressor (4)式中：Qcondens——冷凝器换热量，kW；Qcap——冷凝器制热量，kW；Qecap——蒸发器换热量，kW；Qcompressor——压缩机功耗，kW。压缩机的出口焓hair,out为：hair,out=hair,in-Qevapmair (5)式中：hair,in——压缩机进口焓，J/kg；mair——流量，kg/s；Qevap——压缩机的制冷量，kW。空气源热泵的能量转化过程：Qtotal,air=mair(hair,out-hair,in) (6)Qsens,air=mairCpair(Tair,out-Tair,in) (7)Qlat,air=Qtotal,air-Qsens,air (8)Qliq=Qcondens (9)Tliq,out=Tliq,in+QliqmliqCPliq (10)式中：Qtotal,air——热泵在外界环境中吸收的热量，kW；Qsens,air——空气中的显热热量，kW；Cpair——空气的比热容，J/(kg·℃)；Tair,out——空气的出口温度，℃；Tair,in——空气的进口温度，℃；Qlat,air——空气中的潜热热量，kW；Qliq——热泵加热液体的能量，kW；Tliq,out——地源热泵加热液体出口温度，℃；Tliq,in——热泵加热液体进口温度，℃；mliq——热泵加热液体能量，kg/s；CPliq——热泵加热的比热容，J/(kg·℃)。COP=QliqPcompressor+Pblower+Pcontrol (11)EER=3.14COP (12)式中：Pcompressor——压缩机功耗，kW；Pblower——风机功耗，kW；Pcontrol——控制器功耗，kW。（4）水箱模块。集热水箱(type4)的作用是利用工质水储存来自太阳能集热系统的热量，高温水箱(type4)的作用是利用工质水储存来自空气源热泵系统的热量。水箱的效率和容积等因素均会影响系统的热效率。2结果与讨论2.1建筑热负荷建筑动态热负荷模拟结果如图3所示。采暖期最大热负荷（包括供水负荷和供暖负荷）为0.857 kW，平均热负荷为0.289 kW。12月与次年1月的热负荷最大，因为采暖中期的室外温度最低，房间内需要的热量最大。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.007.F003图3建筑动态热负荷模拟结果2.2太阳能空气源热泵系统优化分析太阳能-空气源热泵复合供暖系统如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.007.F004图4太阳能-空气源热泵复合供暖系统（1）倾角优化分析。西安市及各郊县年平均气温13.1~13.4 ℃，年极端最高气温35.0~41.8 ℃，年极端最低气温-16~-20 ℃。全年7月最热，月平均气温26.1~26.3 ℃，月平均最高气温32 ℃左右；1月最冷，月平均气温-0.3~-1.3 ℃，月平均最低气温-4 ℃左右，年气温差达26至27 ℃。蓄热水箱体积为25 m3时不同集热器倾角对系统性能的影响如表2所示。当倾角为55°时，太阳能与空气源热泵系统的系统总能耗最小。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.007.T002表2蓄热水箱体积为25 m3时不同集热器倾角对系统性能的影响集热器倾角/(°)蓄水箱供热量/kWh热泵机组总供热量/kWh水泵能耗/kWh热泵机组能耗/kWh系统总能耗/kWh热泵机组COP2028 688268 014832.277 34878 1813.4652531 321266 028837.076 71177 5483.4683033 946263 989848.376 20977 0573.4643535 816262 058853.075 57376 4263.4684037 567260 385858.975 74276 0013.4384538 685258 867860.774 70375 5643.4655039 478259 099863.874 65575 5183.4715539 468258 713862.574 57375 4363.4696039 017259 012858.574 61175 4703.4716538 251259 801857.574 86075 7173.470（2）水箱容积优化分析。集热器倾角为55°时不同蓄水箱体积对系统性能的影响如表3所示。复合供热系统的蓄水箱容积为25 m³时，系统的总能耗最小。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.007.T003表3集热器倾角为55°时不同蓄水箱体积对系统性能的影响水箱体积/m³蓄水箱供热量/kWh热泵机组总供热量/kWh水泵能耗/kWh热泵机组能耗/kWh系统总能耗/kWh热泵机组COP1032 972262 495861.375 86276 7243.4601536 935260 619860.075 17076 0303.4672038 748259 281864.374 74475 6083.4692539 413258 543862.574 57375 3943.4673039 822259 085863.274 76275 5763.4653539 652259 804863.074 98375 8463.4654040 137260 090870.574 95875 8293.470太阳能与空气源热泵系统运行结果如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.007.T004表4太阳能与空气源热泵系统运行结果项目数值集热器面积/m2300房间平均温度/℃18.5运行期间室外平均温度/℃1.7集热器运行期间供热量/kWh41 776集热水箱的供热量/kWh39 413热泵运行期间供热量/kWh258 543水泵能耗/kWh862.5热泵机组能耗/kWh74 573系统总能耗/kWh75 394系统COP3.98太阳能-空气源热泵复合系统运行期间，房间室内温度保持18.5 ℃左右，室外温度远低于室内温度，平均温度约1.7 ℃。集热水箱、高温水箱和一次混水供水温度如图5所示。供水温度基本在60 ℃左右。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.007.F005图5集热水箱、高温水箱、一次混水供热温度热泵机组1和热泵机组2的COP如图6所示。热泵机组在供暖期间总的能效比为3.467。图6热泵机组1和热泵机组2的COP10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.007.F6a1（a）热泵机组110.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.007.F6a2（b）热泵机组2集热水箱和热泵机组总供热量如图7所示。集热水箱供热量为39 413 kWh，热泵机组供热量为258 543 kWh。系统能耗如图8所示。水泵能耗为862.5 kWh，热泵机组的能耗为74 573 kWh，将两组能耗相加可得，系统总能耗为75 394 kWh。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.007.F007图7集热水箱和热泵机组总供热量10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.007.F008图8系统能耗因此，太阳能与空气源热泵供暖系统在11月15日至次年3月15日之间运行时室内温度可以保持在18.5 ℃，系统的总能耗为75 394 kWh，两个热泵机组总的COP为3.467，系统COP为3.98。3结语运用Trnsys软件对太阳能与空气源热泵供暖系统进行优化分析，得出西安市及周边地区运用太阳能与空气源热泵复合系统供热具有较好的节能效果。通过Trnsys软件对不同集热器倾角和不同的集热水箱体积进行优化分析。系统总能耗最小时，集热器最优倾角为55°，水箱的最佳容积为25 m³。在最佳集热器倾角55°和水箱最佳容积25 m³的条件下，太阳能与空气源热泵复合系统在11月15日至3月15日之间的总能耗为75 394 kWh，其中空气源的能耗为74 573 kWh，热泵机组COP为3.467，系统COP为3.98。