引言北方地区常用的采暖方法为燃煤取暖，但是此种采暖方式容易造成严重的雾霾现象，因此在北方地区推行清洁供暖方式对我国优化用能结构、改善雾霾环境至关重要[1]。《北方地区冬季清洁取暖规划》（2017—2021）对清洁能源取暖制定了明确要求[2-3]。超低温空气源热泵供暖系统具有高效、节能和环保等突出优势，逐渐被应用于北方地区供暖。但室外温度波动较大时，空气源热泵容易出现一系列问题。开展提升机组性能研究以及空气源热泵供暖系统的应用研究对于严寒地区的节能环保意义重大[4-5]。以长春地区某办公楼超低温空气源热泵供暖系统为例，给出供暖季优化方案。1超低温空气源热泵供暖系统原理超低温空气源热泵供暖系统主要由热源部分和建筑部分构成，供暖示意图如图1所示。空气源热泵机组主要包括蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀。本研究中空气源热泵供暖机组采用逆卡诺循环原理，蒸发器中的液态工质从室外空气中获取低品位热能，通过蒸发器的蒸发汽化处理变成气态，再进入压缩机转化后进入到冷凝器中，气态工质被冷凝液化后释放热量加热介质，最后液态工质经膨胀阀膨胀降压处理，后返回到蒸发器中，重新吸收室外空气中的低品位热能，如此反复循环制热。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.016.F001图1热泵供暖示意图2工程情况和软件模拟2.1工程情况吉林省某公司办公楼地点位于吉林省长春市，总建筑面积9 566 m2，地上建筑共6层，建筑采暖面积8 566 m2，建筑墙体保温性能良好。该采暖工程的供暖热源采用8台超低温空气源热泵机组并联，相关配套4台循环水泵及相应辅助设备，循环水泵的额定流量为60 m3/h，采暖末端采用风机盘管，办公室室内采暖设计温度为20 ℃。2.2软件简介对空气源热泵实际供暖系统项目进行TRNSYS软件仿真模拟时，可根据系统需求选用若干个不同的、具有特定功能的独立模块系统。TRNSYS应用软件特点：（1）模块源代码的开放性。可根据使用需求进行修改或编写生成新的模块，同时也可以供其他用户参考语言的源代码。（2）模块的灵活性。用户可以根据项目需要任意搭配模块并建立控制连接，这些模块可使各种复杂系统的搭建简单化。（3）开放式的结构和输出的便利性。仿真模型计算的数据结果可以直接生成Word等相关文件，对于输出的仿真数据便于用户进行编辑与研究分析。2.3模拟目的和手段通过TRNSYS模拟仿真软件，搭建超低温空气源热泵供暖系统的仿真模型，并导入实测的热负荷数据、室外相关数据和测试相关温度数据。通过TRNSYS软件的仿真计算，得到热泵机组COP等仿真数据。通过比较仿真数据和实测数据，验证软件搭建模型的真实性与代表性。通过供暖季模拟方案与原始方案在能耗方面及制热性能系数方面对比分析，得出严寒地区供暖季超低温空气源热泵供暖系统的最佳供暖模式，分析超低温空气源热泵供暖系统的运行特性以及在严寒地区供暖的可行性。3供暖季模拟结果供暖季COP的模拟结果验证及相对误差如图2所示，总能耗的模拟结果与验证如图3所示，制热量的模拟结果与验证如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.016.F002图2供暖季COP的模拟结果验证及相对误差10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.016.F003图3供暖季总能耗的模拟结果验证10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.016.F004图4供暖季制热量的模拟结果验证由图2可知，机组COP及系统COPs的模拟值与实测值变化趋势相同。机组COP的模拟值与实测值的变化范围分别为1.78~4.08和1.77~3.72，系统COPs的模拟值与实测值的变化范围分别为1.52~3.36和1.43~3.36。供暖季由于模拟忽略了部分实际运行中的影响因素，故模拟结果偏于理想状态，导致模拟值略高于实测值，除特殊几天外，机组COP及系统COPs的模拟值与实测值的相对误差均≤10%，误差在可接受范围内。由图3可知，供暖季各月份能耗的模拟值与实测值吻合，能耗模拟值略低于能耗实测值，供暖季总能耗的模拟值334 897.6 kWh，实测值342 479.1 kWh，相对误差约为2.2%。由图4可知，供暖季各月份制热量的模拟值与实测值比较吻合，制热量的模拟值略高于能耗的实测值，采暖季总制热量的模拟值为819 136.5 kW，实测值为758 408.8 kW，相对误差约为8%。供暖季能耗以及制热量的模拟结果与实测结果吻合较好。综上模拟结果表明：该仿真模拟平台的模拟结果与实测结果在供暖季下较为吻合，相对误差在可接受范围内，供暖季能够反映出实际空气热泵供暖系统的变化情况、真实性和代表性，满足使用要求。4超低温空气源热泵供暖系统的运行方案优化空气源热泵的供水温度区间随着室外温度自动调整，当室外温度≤-25 ℃时，机组供水温度40 ℃；当室外空气温度≥15 ℃时，机组供水温度25 ℃；当室外温度处于-25~15 ℃之间时，机组供水温度在25~40 ℃之间线性变化。空气源热泵供暖系统运行优化方案模型如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.016.F005图5优化方案仿真模型在TRNSYS仿真软件所搭建的普通机组恒定供水温度运行控制模型基础上，增加热泵机组供水温度控制计算模块，通过编写模块中的控制语言，实现对该热泵机组供水温度的控制，并通过逻辑连接分别与天气模块和空气源热泵机组模块相连，再根据室外温度变化实现对机组供水温度的控制运行策略。4.1制热性能系数的模拟结果与比较使用TRNSYS仿真软件对超低温空气源热泵供暖系统进行仿真模拟，并在优化方案和原始方案的控制策略下运行，获得制热性能系数的仿真结果，两种方案的制热性能系数对比结果，如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.016.F006图6制热系数的模拟结果对比由图6可知，优化方案与原始方案相比，机组COP提高约11.5%，系统COPs提高约4.5%。与原始方案相比，在优化方案的运行控制策略下，机组制热效率大幅度提高，节能效果显著，说明热泵机组运行更加稳定。而系统制热效率提升幅度较小，仍存在改善空间，使系统运行更加节能、稳定。4.2能耗和制热量的模拟结果与比较用TRNSYS仿真软件对超低温空气源热泵供暖系统进行模拟，得到优化方案和原始方案控制策略下运行时的能耗和制热量的模拟结果。两种方案的能耗对比结果和制热量对比结果分别如图7和图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.016.F007图7能耗的模拟结果对比10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.016.F008图8制热量的模拟结果对比由图7可知，优化方案各月份的能耗均低于原始方案各月份的能耗。热泵供暖系统在整个供暖季中总运行的耗电量约326 MWh，与原始方案的运行控制策略相比可节省耗电量9 MWh，节能率约2.7%，折算为可节约的标准煤的消耗量约为1 107.27 kg。由图8可知，优化方案中各月份的制热量均略高于原始方案各月份的制热量。优化方案在整个供暖季的总制热量约为867.88 MW，原始方案在整个供暖季的总制热量约为819.14 MW，制热量提高约5.95%。优化方案根据室外温度合理设定供水温度的控制运行方案，使制热量略高于原始方案、能耗低于原始方案。从制热系数、能耗和制热量等方面分析比较，结果表明，热泵机组在优化方案的控制策略下，运行更加节能、稳定，可见该方案是高效节能的机组运行控制方案，更优于原始方案的控制策略，并且系统供暖效果也优于原始方案。5结语通过TRNSYS模拟仿真平台对超低温空气源热泵供暖系统的模型进行验证，利用对空气源热泵供暖系统供暖季的模拟结果与实测结果对比分析，相对误差均在可接受范围内，证明超低温空气源热泵供暖系统在严寒地区的可行性。通过能耗和制热量的对比提出优化方案，并根据室外温度的变化区间自动调整空气源热泵的供水温度区间，对比结果如下：（1）通过制热性能系数的模拟结果比较，优化方案机组COP提高约11.5%，系统COPs提高约4.5%，节能效果显著，机组和系统运行更加稳定。（2）通过能耗和制热量的模拟结果比较，制热量提高约5.95%，证明该优化方案的可行性。