某工业厂房太阳能相变蓄热供暖系统优化配置研究

甄子亚，赵树兴，冯 威，于云雁

（1.天津城建大学，天津 300384；2.信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司青岛分公司，山东 青岛 266034）

近年来，太阳能作为一种清洁高效的可再生能源备受青睐.我国大多数供暖地区太阳资源相对丰富，而且利用太阳能供暖是一项符合可持续发展战略的供热技术.但是太阳能热利用受到太阳光照间歇性和季节性的制约[1]，为了能够持续有效地进行供暖，蓄热技术的应用就显得尤为重要.目前，在实际工程应用中，太阳能供暖系统主要以水作为蓄热介质，需要配备较大容量的蓄热水箱，占地面积大；而相变蓄热是依靠相变材料（PCM）在相变过程中吸收或释放热量来完成蓄热装置的蓄热或放热，具有体积变化小、储能密度大的优点.现有的研究中更多关注于如何加强相变蓄热装置的蓄放热速率或将相变蓄热装置应用于小型别墅的太阳能供暖系统中，而将相变蓄热装置应用于工业厂房的太阳能供暖系统中的较少.机加工工业厂房一般只在白天工作，只需在白天采暖，夜间维持值班温度即可，而且其采暖要求温度低，建筑位置、空间结构的特殊性都为利用太阳能采暖创造了有利条件.本文将相变蓄热技术应用到天津市某工业厂房的太阳能供暖系统中，对系统的主要设备进行优化配置研究.

1 太阳能相变蓄热供暖系统设计

本文结合天津市塘沽区某散热器加工生产工业厂房（单层，长 80.48 m×宽 24.48 m×高 8.3 m），进行太阳能相变蓄热供暖系统方案设计，主要包括太阳能集热器、相变蓄热装置、辅助热源和供暖末端设备的确定，并将该方案作为基本研究方案，系统基本组成详见图1.

图1 太阳能相变蓄热供暖系统基本组成

1.1 太阳能集热器

本文太阳能集热系统采用平板型集热器.平板型集热器平均集热效率在50%左右，具有易与建筑物相结合、承压性能好、维护费用低等优点.该厂房在初步设计时，取集热面积与供暖面积之比为1∶3[2]，安装角度为59°[2]，单位面积流量为0.06 m3/（h·m2）[3].集热系统的设计参数详见表1.

表1 集热系统的设计参数

1.2 相变蓄热装置

本系统采用相变蓄热单元作为相变蓄热装置的基本单元，相变蓄热单元基本结构如图2所示，具体结构详见文献[4].该相变蓄热单元内添加52#石蜡[5]作为相变材料，箱体结构尺寸为长550 mm，宽360 mm，厚80 mm，导热管管径为20 mm.该相变蓄热单元在蓄满能量时可存储约5 MJ的能量，根据参考文献[6]提供的计算方法，本系统选用400个相变蓄热单元组成相变蓄热装置，总体积为6.4 m3.该相变蓄热装置是将这400个相变蓄热单元分为20组，每组20个重叠并联在一起，相变蓄热装置结构如图3所示.

图2 相变蓄热单元基本结构

图3 相变蓄热装置结构示意

1.3 辅助热源

本系统拟选用电辅助加热器作为辅助热源来加热无法达到供暖需求的热水.电辅助加热器的功率按照完全不考虑太阳能提供热量（如阴雨天气）的情况下选取，其电加热器功率可根据下式计算[7]

式中：W为电加热器功率，kW；QH为最大热负荷，W；1 000为单位换算系数；η为电加热器热效率，一般取95%～97%，本文取96%.

经模拟计算，该建筑最大热负荷为170 kW；代入式（1）计算得电加热器功率约为177.08 kW，本文取180 kW.

1.4 供暖末端设备

太阳能供暖末端设备常采用低温热水供暖末端装置，主要包括自然循环散热器、强制对流散热器、采暖地板以及采暖装饰辐射板这4类.本系统选用适应于工业厂房的强制对流散热器作为供暖末端设备.

2 太阳能相变蓄热供暖系统仿真平台

2.1 供暖热负荷计算模型

利用TRNBuild建立该工业厂房的建筑信息模型，建筑围护结构材料特性参数按照表2中的数值进行设置.利用TRNSYS建立供暖热负荷计算模型，主要包括气象参数、建筑信息模型、积分器、在线输出等模块，详见图4.该厂房的室内设计温度：工作时段（8：00AM～6：00PM）为 12℃，其它时间段为 5℃.模拟时间为7 632 h至10 535 h（天津供暖期为当年11月15日到次年3月15日），该厂房供暖期逐时热负荷结果如图5所示.

表2 厂房围护结构的热工条件

图4 厂房供暖热负荷计算模型

图5 厂房供暖期逐时热负荷

2.2 太阳能相变蓄热供暖系统仿真平台

太阳能相变蓄热供暖系统仿真平台主要包括：气象数据、集热器、建筑物、电辅助加热器、强制散热器组合、供暖系统温控阀、合流三通、分流三通、循环泵、时间方程、积分器、房间供暖热负荷读入器、在线输出、结果打印、计算模块等模块.太阳能相变蓄热供暖系统仿真平台如图6所示.

2.3 仿真平台运行的控制

图6 太阳能相变蓄热供暖系统仿真平台

根据厂房的供暖需求，供暖系统需为厂房提供60℃的热水用于末端散热装置.根据集热器的出水温度分为以下三种情况：第一，当供水温度高于60℃时，经过相变蓄热装置使热水温度降低再为厂房供热；第二，当供水温度高于55℃而低于60℃时直接向厂房供热；第三，当供水温度低于55℃时，通过辅助加热器加热直到水温上升到设定温度（白天的设置为55℃，夜间设置为60℃）后停止加热.白天上班前提前半小时开启供暖运行模式，使人员在投入工作时厂房的室内温度能够满足需求，同时利用相变蓄热装置的蓄热性在下班前提前半小时进入夜间供暖运行模式，减少对电辅助加热量的需求.

3 供暖系统优化配置分析

对于太阳能供暖系统而言，集热面积决定着集热量的大小，相变蓄热装置的容积直接影响其蓄存的热量大小，因此，最佳集热面积与蓄热装置容积的确定对太阳能供暖系统极其重要.本文选取太阳能保证率作为该工业厂房太阳能相变蓄热供暖系统的优化目标，利用TRNSYS软件[8]所搭建的系统仿真平台研究集热面积、相变蓄热装置容积对太阳能保证率的影响并对其进行优化.

3.1 集热面积对太阳能保证率的影响

相变蓄热容积一定（为6.4 m3），对不同的集热面积的系统进行仿真模拟.比较分析整个供暖季的集热有用能、相变蓄热量、电辅助加热量以及系统太阳能保证率，结果见表3，太阳能保证率随集热面积的变化曲线如图7所示.

由表3可看出，系统的集热有用能与相变蓄热量随着集热面积的增加而增大，电辅助加热量则随着集热面积的增加不断减少.集热面积的增加使集热量相应增加，延长了太阳能作为热源的供暖时间，减少了辅助热源的运行时间，节省电耗.由图7可看出，随着集热面积的增大，太阳能保证率逐渐增大，但其增大的幅度越来越小.

表3 不同集热面积下的系统能量与太阳能保证率

图7 太阳能保证率随集热面积变化曲线

3.2 相变蓄热装置容积对太阳能保证率的影响

在热器面积一定（为660 m2）的条件下，对不同相变蓄热装置容积的系统进行了仿真模拟.比较分析其能耗情况，结果如表4所示，相应的太阳能保证率随相变蓄热装置容积的变化规律如图8所示.

表4 不同蓄热装置容积下的系统能量与太阳能保证率

图8 太阳能保证率随相变蓄热装置容积变化曲线

从表4和图8可以看出，太阳能保证率随着相变蓄热装置容积的增大呈现先增大后减小的规律.当相变蓄热装置容积较小时，蓄存的热量有限，不能充分利用太阳能，系统有效得热量少，太阳能保证率低；当相变蓄热装置容积较大时，蓄热单元蓄存的热量不能完全释放，太阳能保证率低.

3.3 系统配置优化分析

在前面的分析中，主要讨论了相变蓄热装置容积和集热器面积分别作为单一变量对太阳能保证率的影响，但不能全面地反映系统的运行效果.因此，选取集热器面积为 460，560，660，760，860，960 m2，相变蓄热装置容积为 5.5，5.8，6.1，6.4，6.7，7，7.3，7.6 m3，进行不同的配比.对不同的配比的集热器面积和相变蓄热装置容积的系统进行模拟分析，得到太阳能保证率随集热器面积及相变蓄热装置容积关系曲线，如图9所示.

图9 太阳能保证率随集热器面积及相变蓄热装置容积的变化曲线

由图9可以看出，在集热器面积与相变蓄热装置容积不同配比情况下，太阳能保证率变化趋势不尽相同.在集热器面积为860 m2、相变蓄热装置容积为7 m3时，太阳能保证率达到最大为67.60%，此时系统配置最优.对优化配置前后的系统进行模拟计算，得到系统整体的能耗与太阳能保证率，其数值详见表5.

表5 系统整体优化前后能耗与太阳能保证率对比

由表5可以看出，对系统配置优化后，系统总的集热有用能增大了81 008 MJ，相变蓄热量增大了31 445 MJ，电辅助加热量减少了57 409 MJ，太阳能保证率增加了5.55%.该系统使太阳能得到了更加充分利用，节能与环保性能大大提升.

为了更好地为相同类型的工业建筑的相变蓄热供暖系统设计提供理论基础，得到单位建筑面积下，最优系统配置的集热器面积为0.437 m2、相变蓄热装置容积为3.56×10-3m3.

4 结论

本文将太阳能保证率作为优化目标，以集热器面积与相变蓄热装置容积为优化对象，对天津市某工业厂房的太阳能相变蓄热供暖系统进行仿真模拟研究，得出以下结论.

（1）当相变蓄热装置容积一定时，太阳能保证率随着集热器面积的增大而增大，但其增大的幅度会越来越小；当集热器面积一定时，太阳能保证率随着相变蓄热装置容积的增大先增大后减小.

（2）对于该工业厂房的太阳能相变蓄热供暖系统，最佳集热面积为860 m2、最佳相变蓄热装置容积为7 m，此时系统的太阳能保证率达到67.60%.对于同类工业建筑的相变蓄热供暖系统，单位建筑面积下，最优系统配置的集热器面积为0.437 m2、相变蓄热装置容积为3.56×10-3m3.