太阳能跨季节储热供热系统性能研究

2020-12-11左春帅樊海鹰王恩宇

综合智慧能源 2020年11期

左春帅，樊海鹰，王恩宇*

（1.河北工业大学河北省热科学与能源清洁利用技术重点实验室，天津300401；2.怀安县住房和城乡建设局，河北怀安076150）

0 引言

冬季供暖是我国北方地区重要的民生工程，而清洁供暖是解决能源与环境问题的必然选择。太阳能是最具发展潜力的可再生清洁能源之一，因此，太阳能供暖是继太阳能热水之后最有可能在我国推广普及的太阳能热利用技术。但太阳能供暖具有季节性使用明显、系统使用率低和季节需热与太阳能辐射量不匹配等问题［1］。浅层地热能是近年来发展较快的一种清洁能源，其储量大、稳定性好、可循环利用，是具有现实竞争力的新能源，“十三五”期间，我国大力推广浅层地热能的开发利用［2］。

在我国北方地区，由于土壤初始温度较低，年采暖热负荷远大于年供冷负荷，土壤的取热量远大于排热量，导致土壤温度逐年下降，热泵运行制热系数下降，制约了土壤源热泵在严寒地区的发展［3-8］。太阳能跨季节储热供热技术的应用很好地实现了太阳能和地源热泵系统的互补增益，众多学者对该技术做了详细的应用研究［9-13］，但大多数是在非严寒地区，少数学者对严寒地区的系统整体运行模式与耦合方式做了部分研究，且主要集中在东北地区［14-16］。但针对该系统在华北严寒地区的局部控制策略及供热性能研究极少，并且气象条件相似的不同地区，由于地质条件不同，该系统的运行性能也存在很大差异。本文对华北严寒地区建立的太阳能跨季节储热供热系统开展试验测试及性能预测研究，以期对该技术在严寒地区的推广应用提供依据。

1 系统概况

本文中的太阳能跨季节储热供热（Solar Seasonal Storage Heating，SSSH）系统建设在河北省张家口市的高海拔乡村，该地区属于严寒地区，太阳能资源丰富，全年只需供热。该系统为满足某办公建筑约500 m2的供暖面积（如图1 所示）而设计。根据当地供热需求，将系统分为供热季和非供热季2 种运行模式。供热季为10 月15 日到次年的4 月15日，长达半年，其余半年为非供热季。

图1 办公建筑实物图Fig.1 Physical map of the office building

SSSH 系统原理如图2 所示，图中标记了主要设备、控制阀门以及主要设备进出口节点，热量表和温度传感器等计量器件在图中未标注。该系统主要设备有太阳能集热器、集热水箱、热泵机组、风机盘管、储热地埋管和各种循环泵。在非供热季，太阳能集热器与水箱进口1 和出口2 连接形成集热循环，通过集热循环泵将热量暂存到集热水箱中，集热水箱中的水温度升高到符合储热条件时，储热循环泵启动，水箱中的高温水由地埋管进口10进入地埋管，将热量储存到土壤中，再经过出口9回到水箱进口4，完成储热循环；供热季时，集热水箱将太阳能集热高温水通过热泵机组冷凝器侧管路5直接供给风机盘管，当集热水箱中的水进入冷凝器侧的水温低于热泵机组设定值时，热泵机组启动，以太阳能+热泵机组的方式为末端供热。

当地气候严寒，0～50 m 平均初始地温只有6.12 ℃，低于哈尔滨的7.00 ℃和沈阳的10.50 ℃［14］。为了降低成本，该SSSH 系统用水作为换热工质，由于较低的初始地温不足以进行换热，故采用先储热后供热的运行模式。该系统主要设备性能参数见表1。

图2 SSSH系统原理Fig.2 Principle of the SSSH system

表1 系统主要设备性能参数Tab.1 Performance parameters of the main equipment in the system

2 非供热季系统性能研究

2.1 非供热季系统试验性能分析

针对集热循环和储热循环的启/停控制条件，对集热性能和储热性能的影响进行研究分析，试验日期及集热（储热）启/停控制条件见表2。

表2 中：集热启/停条件8/4 表示当集热器温度与集热水箱底层温度的温差大于等于8 ℃时，集热循环泵启动，小于等于4 ℃时集热循环泵停止；储热启/停条件45/5 表示当集热水箱温度大于45 ℃时，储热循环泵启动，温差小于5 ℃时，储热循环泵停止，其他控制条件同理。

表2 系统控制条件Tab.2 System control conditions ℃

太阳能集热器集热效率ηa及储热效率ηs计算公式为

式中：Qt为太阳能集热量，kJ；A 为太阳能集热器面积，m2；G 为接收到的太阳辐照量，MJ/m2；Qc为储存在地下的热量，kJ。

试验设置了7 ℃/4 ℃，8 ℃/4 ℃，9 ℃/4 ℃和10 ℃/4 ℃共4种集热启/停控制条件，在每种集热启/停控制条件下选取了4 d 气象条件良好的试验数据做对比分析，其结果如图3 所示。停止温度均为4 ℃的条件下，随着启/停温差的增大，平均集热效率缓慢下降，启动温差从7 ℃变为10 ℃时，集热效率从0.494 降至0.470。可见，启/停温差平均每增大1 ℃，平均集热效率降低1.6%。

图3 不同集热控制条件下的集热效率对比Fig.3 Heat collection efficiency under different heat collection control conditions

设置集热启/停条件恒定为10 ℃/5 ℃，在储热启/停控制条件为35 ℃/5 ℃，40 ℃/5 ℃和45 ℃/5 ℃下各做5 d的储热试验（如图4所示），储热效率均高于0.950。这是由于土壤温度较低且太阳能的集热量全部用于储热，唯一的热损失是水箱向周围环境散热。随着储热启动温度的升高，水箱平均温度上升，产生了一定的热量累积，向周围环境散热加大，储热效率下降。储热控制条件变化引起的水箱温度变化也影响了集热效率。集热效率从储热启/停条件为35 ℃/5 ℃时的0.566 变化到45 ℃/5 ℃时的0.482。储热启动温度每升高1 ℃，集热量和储热量分别下降31 212，15 336 kJ，下降幅度较大。因此，储热启动温度对集热和储热性能影响显著。

图4 不同储热控制条件下集热（储热）性能对比Fig.4 Heat collection（heat storage）performance under different heat storage control conditions

2.2 非供热季仿真模拟研究

2.2.1 仿真模型的建立与校验

本文运用TRNSYS动态仿真软件对系统进行模拟预测。根据该SSSH 系统各设备的实际运行工况参数建立仿真模型并进行参数设置，模拟过程中的集热（储热）启/停条件的含义与表2相同。

首先针对热量、电耗和地温变化进行试验和模拟数据对比，以验证仿真模型的可靠性。表3 列出了5 月1 日至7 月31 日为期3 个月的集热量、储热量、总电耗和太阳辐射量的试验值和模拟值，其误差最大为7.6%。图5 给出了地温试验值和模拟值的对比结果，误差基本保持在10.0%以内。综上，该仿真模型可以用于模拟计算。

2.2.2 不同储热控制条件下的集热（储热）性能

系统在每种储热启/停条件下进行完整的非供热季运行，运行结果如图6—9所示。

表3 试验值与模拟值对比Tab.3 Comparison of experimental and simulated values

图5 地温试验值与模拟值对比Fig.5 Comparison between the test value and simulated value of ground temperature

为了分析系统运行性能，引入能效比的概念。集热循环能效比αa和储热循环能效比αs计算公式为

式中：Pt为集热循环泵耗电量，kW·h；Pc为储热循环泵耗电量，kW·h。

图6 为整个非供热季不同储热启/停条件下的集热量、储热量和集热（储热）耗电量对比。由图6可见，随着储热启动温度的升高，各项指标均减小。这是因为储热启动温度越高，水箱平均温度越高，向周围环境散失的热量就越多。

图7给出了整个非供热季的集热效率和储热效率随储热启/停条件的变化。由图7可见，储热启/停条件由25 ℃/5 ℃变为45 ℃/5 ℃后，集热效率和储热效率分别下降了13.02%和6.19%，储热启动温度平均每升高1 ℃，集热效率和储热效率分别下降0.7%和0.3%。集热效率和储热效率下降均是由水箱温度升高后散热损失增加所导致的。

图8为不同储热控制条件下的集热（储热）循环能效比。由图8可见，随着启动温度的升高，集热循环能效比先上升然后几乎不变，而储热循环能效比先是上升然后缓慢下降。储热循环能效比出现拐点是因为随着储热启动温度的升高，水箱温度升高，且水箱上下层温度分层明显，热量不易转移，一定限度导致循环能效比降低。因此，并不是集热（储热）效率和热量越高越经济，在优化集热（储热）启/停控制条件时，要同时兼顾效率和能效比。

图6 不同储热控制条件下的热量和电耗Fig.6 Heat and power consumption under different heat storage control conditions

图7 不同储热控制条件下的集热（储热）效率Fig.7 Heat collection（heat storage）efficiency under different heat storage control conditions

由图9 可见，储热启/停控制条件由45 ℃/5 ℃变为25 ℃/5 ℃，非供热季结束时的地温由11.41 ℃变为12.65 ℃。储热末期地温上升缓慢，甚至有局部下降的趋势，是因为储热末期地温较高且太阳辐照量减弱，储热速率变慢，周围环境温度降低，散热加快。总之，储热启/停控制条件对地温有比较显著的影响。

2.2.3 不同集热控制条件下的集热性能

图8 不同储热控制条件下的集热（储热）循环能效比Fig.8 Energy efficiency ratio of heat collection（heat storage）cycle under different heat storage control conditions

图9 不同储热控制条件下的地温变化Fig.9 Ground temperature variation under different heat storage control conditions

设置储热启/停控制条件恒定为25 ℃/5 ℃，图10 和图11 给出了完整的非供热季运行时不同集热启/停条件下集热效率和集热循环能效比的变化。当集热启动温度一定时，随着集热停止温度的升高，集热效率减小，而集热循环能效比增大；当集热停止温度一定时，随着集热启动温度的升高，集热效率减小，而集热循环能效比增大；当集热启/停温差相同时，随着集热启动和停止温度的升高，集热效率降低，而集热循环能效比增大。集热启/停温差每增大1 ℃，集热效率平均下降1.70%，集热循环能效比增加2.00%。上述3 种情况下的集热效率和集热循环能效比变化趋势均相反，因为不论集热启/停温差增大，还是集热启/停止温度升高，都会导致集热启动所需热量增大，随之热量损失增加，集热效率下降；但因为温度较高，热值较高，单位集热循环泵耗电的集热量增多，集热循环能效比升高。

3 供热季系统仿真模拟研究

3.1 供热负荷计算

将集热启/停条件设置为7 ℃/4 ℃，储热启/停条件设为25 ℃/5 ℃，在以上非供热季控制条件下完成储热，然后对供热季运行性能进行模拟预测。

图10 不同集热控制条件下的集热效率Fig.10 Heat collection efficiency under different heat collection control conditions

图11 不同集热控制条件下的集热循环能效比Fig.11 Energy efficiency ratio of heat collection cycle under different heat collection control conditions

将供热建筑分为2 个供热区，供热一区为办公区，供热面积为340 m2，供热二区为卫生院，供热面积为160 m2。供热温度设置为20 ℃，相对湿度为45%。图12 为建筑负荷曲线变化图（图中：正值表示冷负荷，负值表示热负荷）。一区供热面积大，最大热负荷为41.59 kW，但绝大多数热负荷均小于40.00 kW；二区供热面积只有一区的1/2 左右，且二区朝南的窗墙比较大，可吸收太阳能辐射量提供部分热负荷，热负荷都在20.00 kW以内。

3.2 供热性能研究

热泵机组性能系数CHP和系统性能系数CS是供热性能研究中的2个重要参数，计算公式如下

式中：QHP为热泵机组制热量，kJ；PHP为热泵机组耗电量，kW·h。

图12 全年负荷曲线Fig.12 Annual load curve

式中：QS为太阳能供热量，kJ；Pl为末端负荷侧循环泵耗电量，kW·h；Ps为地源侧水泵耗电量，kW·h。

定义太阳能直供占比β为太阳能供热量占总热量的比值

图13 表明，随着供热的进行，热泵机组性能系数CHP由供热季开始时的3.84 下降到供热季结束时的3.31，整个供热季为3.40。CHP逐渐降低是因为随着热泵机组不断向地下取热，地温逐渐下降。系统性能系数CS在供热前期和后期一直处于较高水平，而供热中期相对较低，但是依然保持在2.60 以上，整个供热季为3.10。造成CS波动较大的原因可由图14进行解释。CS与太阳能直供占比β表现出正相关关系。供热前期和后期太阳能辐射量较大且环境温度较高，水箱热量散失较少，所以β 较大；供热中期，随着太阳能辐射量减弱以及环境温度降低，水箱热量散失严重，太阳能几乎不提供热负荷，热泵机组需要承担更多的热负荷，导致耗电增多，系统性能系数较低。总体来看，整个供热季的β为0.23。

图13 供热季CHP及CS对比Fig.13 Comparison of CHP and CS in heating seasons

图14 供热季CS和β对比Fig.14 Comparison of CS and β in heating seasons

地温对SSSH 系统运行性能有着显著的影响。由图15 可见，经过长达半年的储热期后，地温由初始的6.12 ℃升高至12.95 ℃，供热季不断向地下取热结束时的地温为6.91 ℃，比初始地温升高了0.79 ℃。SSSH 系统的优势就是充分利用丰富的太阳能资源进行辅助供热，表4 为该系统全年太阳能使用量。由表4 可见，非供热季太阳能储热量为25 323.39 kW·h，供热季地源取热量为11 171.18 kW·h，太阳能直接供热量为4 635.52 kW·h。非供热季太阳能集热量的97.6%被送到土壤储存，在冬季有44.1%的储热量被地源热泵提取。采用太阳能跨季节储热供热方案的集热器面积大约只有冬季供热方案的集热器面积的1/5。