太阳能分布式供热系统一次和二次网运行分析*

董昌伟 赵斌，** 冯婧恒 卢大为 刘诚鹏

（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 063210；2.西藏自治区能源研究示范中心，西藏 拉萨 850001）

受限于化石燃料资源的匮乏及生态环境的脆弱，无法建立大规模热电联产的燃煤电站进行供热，使得西藏地区居民供暖方式受到制约［1-3］。西藏地区太阳能极其丰富，年均辐射量6000-8000 MJ/m2，年均日照约3000 h且稳定度高［4，5］。太阳能作为未来能源结构中的重要组成部分，主要分为光伏发电与太阳能热利用，太阳能供热是把太阳辐射能作为热源的一种既节约资源又满足环保要求的绿色供热方式［6，7］。然而，太阳能具有不稳定性和间歇性的特点，在特殊天气等情况下不能满足用户的供热需求［8，9］。因此，采用多能互补的供热方式构成西藏自治区的供热热源，从技术和经济两个层面考虑均是最佳的选择［10］。

太阳能分布式供热系统可有效地提高太阳能保证率，且燃气壁挂炉等辅助热源可克服太阳能不连续的缺点，能够实现藏区居民冬季持续稳定供热［11，12］。文章结合西藏带补燃的太阳能分布式供热系统进行了供热调试试验，从一次网、二次网日温度变化对系统的运行进行分析，为该系统在藏区的推广应用提供了技术支撑。

1 供热系统集成

1.1 系统简介

以西藏自治区能源研究示范中心办公楼供热为例，建设一套供热面积不低于570m2带补燃的太阳能供热系统，太阳能使用率不低于70%.带补燃的太阳能分布式供热系统将太阳能作为主要热源、燃气作为辅助热源，天然气可在太阳能不满足需求的情况下为系统提供热源支持，是太阳能和燃气的最佳耦合方式［13，14］。同时，蓄热水箱既可以克服太阳能的缺点，又可降低常规能源消耗和保护环境［15，16］。此系统工作原理如图1所示。

图1 带补燃的太阳能分布式供热系统工作原理图

1.2 主要设备

1.2.1 平板集热器。在太阳能供热系统中平板集热器按一定倾角放置，阳光穿过盖板入射到涂有选择性涂层的吸热板上，其中吸热板收集大多数辐射能，转化为热能。此系统选用了15块大平板和两种厚度的各3块小平板集热器。大、小平板集热器主要技术参数如表1和表2所示。

表1 大平板集热器技术参数

表2 小平板集热器技术参数

1.2.2 蓄热水箱。太阳能利用过程中蓄热主要为弥补太阳能的不连续性带来的影响，将吸收的太阳辐射能转化为热能储存备用。此系统选用一个直立的圆柱体承压蓄热水箱，其技术参数如表3所示。

表3 蓄热水箱技术参数

1.2.3 燃气壁挂炉。此系统选用2台型号为LN1GBQ50-NCN52HD冷凝式燃气壁挂炉作为辅助热源，其主要技术参数如表4所示。

表4 燃气壁挂炉技术参数

2 试验数据分析

由于系统处于试运行阶段，燃气壁挂炉已安装完毕但没有进行调试，而蓄热水箱由于环境温度较低无法进行发泡保温，故现在两者均未投入运行。从2017年11月1日开始调试，12月6日实现了系统依靠于太阳能平板集热器为单一热源的初步供热，供热效果较为理想，办公楼各个房间暖气片在太阳能工作期间均能达到理想温度，白天办公楼室内温度维持在20℃达7h左右（选取12月30日数据进行分析）。

2.1 太阳辐射量

太阳辐射量随时间的变化如图2所示。由图2可以看出，从9:00至11:00时间范围内，太阳辐射强度从209W/m2急剧增加至863W/m2，而且平均每日太阳能辐射强度持续在800W/m2以上的时间将近6h。因此，西藏地区独有的太阳辐射特点为带补燃的太阳能供热系统在该地区的推广提供了条件。

图2 太阳辐射量随时间的变化曲线

2.2 室内外温度

环境温度对太阳能供热系统集热和热损失具有很大影响。室外温度和室内温度在9:00至19:00范围内的变化如图3所示。由于蓄热水箱未投入使用，室内温度和室外温度变化趋势基本相同，受到室外温度变化的影响比较明显。如果储存多余热量，室内的温度变化将会更平稳，且基本保持在一个较窄的温度区间。

图3 室内外温度随时间的变化曲线

2.3 二次网进出口温度

二次网进出口温度随时间的变化曲线如图4所示。由于试验过程中系统仅依靠太阳能为单一热源进行供热，因此9:00至10:00二次网进口温度升高较缓慢，10:00至14:00温度迅速升高并出现最高值，14:00以后温度慢慢降低，18:30以后二次网将作为热源为一次网供热，直到次日9:00以后二次网再次作为末端，从一次网吸热。对比图3可知，二次网进出口温度随时间的变化曲线与太阳辐射量随时间变化曲线的变化趋势基本一致，说明太阳辐射量的大小直接影响着二次网进出口温度的高低。

图4 二次网进出口温度随时间的变化曲线

2.4 一次网进出口温度

一次网集热器进口和出口温度的变化如图5所示。集热器进出口温度较高，进口最低温度3.7℃，最高温度60℃；集热器出口最低温度3.1℃，最高温度65.6℃。集热器进口和出口温度的日均值都比室外环境温度高，表明集热器在高温条件下运行，散热损失很大，对增大集热效率无益。集热器进出口温差值基本保持在4℃以上，中午时温差最大，约为6.6℃。集热器的出口温度在9:00后均高于进口温度，表明在白天集热器吸收阳光辐射，集热量是正值。集热器进口和出口介质的温度变化趋势一致，随着时间的变化都是先升高后降低，14:00左右达到极大值，同时变化趋势为在14:00之前迅速升高，14:00以后温度变化达到平稳，集热器工作时进口和出口的温差基本保持不变，其运行状况良好。

图5 集热器进出口温度随时间的变化曲线

3 结语

针对西藏地区的地理位置和太阳辐照特点，利用太阳能辐照仪测量平板集热器吸收辐射量，并得出其随时间的变化趋势。结果显示，太阳能辐射量在每天9:00至11:00急剧增加，13:00至14:00达到最大值。但由于蓄热水箱未投入使用，室内、外温度变化的趋势相同，受到室外温度变化的影响较为明显。

由于试验过程中带补燃的太阳能分布式供热系统依靠于太阳能作为单一热源供热，致使约18:30后二次网作为热源为一次网供热，直到次日约9:00后二次网作为末端，从一次网吸热。但此系统仅为办公楼而非居民住宅楼供热，若天气晴朗，太阳能作为单一热源可以满足用户全天大部分时间的供热需求。