跨季蓄热多方式可调节供暖系统的模拟分析及可行性研究

2021-03-20史静毅王万江齐典伟张雪娇

可再生能源 2021年3期

史静毅，王万江，齐典伟，郭旭，张雪娇

（1.新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐 830047；2.新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐 830047）

0 引言

在太阳能跨季蓄热供暖技术的发展中，Li X利用实际数据，探讨了基于非交互正交试验法的CSHPSS最优运行策略[1]。Pahud采用TRNSYS动态系统仿真软件，对某太阳能跨季蓄热集中供暖系统进行分析，提出了优化该系统参数的方法[2]。程友良为提高蓄热系统蓄热效率，采用数值模拟的方式对蓄热水箱的流动规律和传热机理进行了研究；同时对蓄热模型进行了改进，为较为复杂的蓄热水箱传热提供了研究思路[3]。为提高太阳能的稳定性和连续性，程友良利用Fluent软件对蓄热水箱分层进行了优化[4]。

综上所述，以往的研究主要集中在对太阳能跨季蓄热供暖系统整体的优化分析，亦或是对局部蓄热水箱的优化研究，而对可调节供暖系统的研究成果较少。太阳能跨季蓄热可解决太阳能资源在季节上的不均衡性，但仍存在跨季蓄热量利用不充分的问题。

乌鲁木齐市属于太阳能资源较丰富区，其纬度角平面辐射照度年总量约为5 740 MJ/（m2.a），这为新疆大力发展太阳能供暖技术提供了优越的自然优势[5]。对此，本文采用TRNSYS动态仿真软件，模拟跨季蓄热多方式可调节供暖系统，分析了蓄热基坑全年蓄热量的变化情况、3种运行策略各自的运行天数、负荷与各供暖方式供热量的匹配情况及采暖期内的太阳能保证率。

1 供暖调节方式

本文可调节供暖系统分为3个闭式循环回路：太阳能集热场回路、跨季蓄热回路和供暖回路[6]。其中供暖回路又分为3个不同供暖方式的子回路，分别为板式换热器供暖循环、直接供暖循环和以蓄热基坑为低温热源的热泵供暖循环。如图1所示，供暖系统主要设备包括太阳能集热器（COL）、蓄热基坑（TSP）、板式换热器（HE1，HE2）、水源热泵（HP）、缓冲水箱（Tank）、控制装置（K1，K2，K3，K4）、泵（P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7）、管道和阀门（F1，F2，F4，F5，F6，F7，F8）。用户端装置为地暖盘管，以低温水辐射供暖。

图1 供暖系统控制流程图Fig.1 Heating system control flow chart

COL和TSP同时与HE1连接，COL通过HE1将热量交换至TSP内。TSP与用户之间的供暖路线有3条，第1条：TSP与用户端通过HE2交换热量；第2条：TSP直接与用户端的地板辐射盘管相连；第3条：TSP内的水作为HP的低温低位热源，与HP的蒸发器相连，从TSP中抽取热量，再输入少量的高位电能，将低位热能转化为高位热能，经Tank向用户端输出。阀门与泵控制装置通过温度感应器接收到的温度信号与设定的控制程序对阀门与泵进行控制。

2 运行控制策略

2.1 集热系统的运行控制

图2 集热系统运行控制流程图Fig.2 Flow chart of operation control of heat collection system

集热系统的运行控制流程如图2所示，运行控制策略如表1所示。集热系统和储热系统全年运行，集热系统中的防冻液通过HE1与TSP内的低温水进行换热，换热结束通过集热循环泵（P1）回到集热器。P1的启停、TSP的储热温度限值Tp，max由控制器（K1）进行控制设定。K1初始控制信号为0，当COL出口温度Tc，out与集热循环内的TSP回水温度Tp，out之间的温差大于4.0℃时，K1输出信号为1，P1，P7启动，F1，F2打开；低于4.0℃时，K1输出信号为0，P1，P7停止，F1，F2关闭。参考丹麦实际工程的经验数值，TSP内水温最高设定为90.0℃，高出90.0℃，K1将会强制关闭P1。

表1 运行控制策略Table 1 System parameters

2.2 供暖系统的运行控制

多方式可调节供暖系统有3种工作模式，通过TRNSYS平台设计自动控制部件，控制供暖方式之间的转换。

2.2.1通过HE2间接供暖

控制器K2通过TSP供暖出口温度Tp，g、采暖季节设定值、建筑热负荷值的共同作用，控制分流阀F4的两个出口流量和板式换热供暖循环泵P2，P3。在采暖期内，当TSP内的温度传感器W1的输出温度Tp，g＞60.0℃时，K2输出信号为1，则分流阀F4的1出口关闭，2出口开启，板式换热循环泵P2，P3启动。

2.2.2TSP直接供暖

采暖期内，当TSP内的温度传感器W1的输出温度为45.0≤Tp，g≤60.0℃时，K2输出信号为0，此时F4的1出口开启，2出口关闭；K3输出信号为1，分流阀F5的1出口关闭，2出口开启，直接供热循环泵P4启动。

2.2.3HP供暖

采暖期内，当TSP内的温度传感器W1的输出温度为Tp，g＜45.0℃时，K2，K3输出信号为0，此时F4，F5的1出口开启，2出口关闭，热泵供暖循环泵P5启动。Tank的工作温度设定为45.0℃，当Tank内的储水温度小于45.0℃时，K4输出信号为1，此时缓冲水箱循环泵P6启动。

3 模型构建

3.1 气象条件与采暖负荷需求

乌鲁木齐市地处北纬43.82°，属于严寒C区。该地区供暖时间为10月15日-4月15日。本文模拟建筑总采暖面积为12 370 m2，房间采暖设计温度为18.0℃。采用Dest软件计算建筑的动态热负荷，结果如图3所示，供暖期总耗热量为6 374 GJ。建筑围护结构信息见表2[7]。气象数据采用Meteonorm气象数据库中1991-2010年的典型气象年数据。室外气温和太阳辐射强度如图4所示。

图3 建筑冬季热负荷Fig.3 Thermal load of the building in winter

表2 建筑围护结构信息Table 2 Building structure information

图4 乌鲁木齐气候条件Fig.4 Climate conditions in Urumqi

3.2 系统设计参数

3.2.1模型简介

本文采用TRNSYS软件对所提出的多方式可调节供暖系统进行建模、模拟和分析，通过输入各部件模型的精细参数，保证其性能的正确性。

①平板式COL总面积为6 040 m2，安装倾角为44°，内部工质采用54%的乙二醇-水溶液。采用Type1b模块模拟平板COL的热性能，该部件可以准确地模拟COL在实际运行条件下的性能。部分外部参数作为该部件的横向函数，可由模块中的外部数据文件读取。平板式集热器效率 ηc采用二阶方程[8]进行建模，同时考虑非正常太阳入射的影响，采用二阶入射角修正（K）方程[8]进行校正。

式中：Tc，in为集热器入口温度，℃；Ta为环境温度，℃；G为太阳辐射照度，kW/m2；θ为太阳入射角。

②TSP总体积为15 100 m3，高12.5 m，最大储热温度为90.0℃。采用Type534型部件进行模拟，为保证TSP的正确性，在该模型中设有12个等温温度层。与土壤温度部件Type707b连接集成TSP与周围土壤进行传热。Type707b[9]是一个周围土壤模型，该模型与基坑模型之间来回传递温度和能量流信息，从而可以计算出TSP的热损失。

③HP的COP为4.08，采用Type225型部件，该部件属于自编写模块。根据样品参数和供暖系统的控制策略来确定热源侧和负荷侧工作介质的流量、温度、启停信号等部件参数。

④Tank体积为500 m3，采用Type4型部件模拟，该部件可正确模拟显热蓄热水箱。考虑到热分层，假设水箱包含6个相同的体积分层，且每个节点的热损失相等。

⑤板式换热器采用Type5b型部件模拟，换热效率为92%，换热系数为1 700 W/m2。

3.2.2集热系统计算模型

建筑供热量应等于逐时采暖热负荷在采暖期（τ）的积分，本系统建筑的动态热负荷通过Dest-C软件计算得到。根据参考文献[10]，可得集热器面积Ac为

式中：Ql（τ）为逐时采暖热负荷，W；fn为太阳能保证率，%；ηL为管路热损失率，%；Iθ为逐时太阳辐射强度，W/m2。

3.2.3蓄热系统计算模型

TSP的体积应保证满足建筑热负荷，TSP体积Vs[5]，[10]，[11]为

式中：QL（τ）为TSP热损失，W；ρ为水的密度，kg/m3；Cw为水的比热容，J/（kg·K）；Ts为TSP内储水平均温度，℃；Tg为TSP供暖侧供水温度，℃；Qu（τ）为平板式COL逐时有效集热量，W。

3.3 模型验证

系统的运行性能由蓄热部分的出口温度和集热部分的出口温度决定。本文选择位于乌鲁木齐市的某跨季蓄热太阳能供暖工程，验证所建立的TRNSYS系统模型的可靠性。该建筑供暖面积为253 m2，COL采用平板式集热器，面积为88 m2，蓄热水箱体积为4.50 m3，用户端为地暖盘管，太阳能供暖系统利用温差控制原理可自动控制。在2019年11月11-13日对该工程进行连续3 d的实测，每隔40 min选取一次数据。将实测数据与仿真软件模拟结果进行了比较，集热部分出口温度和蓄热部分出口温度实测值和模拟值随时间的变化情况如图5所示。

图5 集热部分出口温度和蓄热部分出口温度实测值和模拟值随时间的变化情况Fig.5 The measured and simulated values of the outlet temperature of the heat collecting part and the outlet temperature of the heat storage part vary with timestorage

由图5可知，集热部分出口温度的模拟结果最大偏差为11.60%，蓄热部分出口温度的模拟结果最大偏差为4.60%，偏差在项目允许范围内，表明该模拟系统可靠性较强。造成偏差的原因可能是Type15使用的是Meteonorm气象数据库中的典型气象年数据，与实际天气条件有出入，另外实际测量也会产生误差。

4 模拟结果与分析

4.1 全年蓄热情况

TSP全年累计蓄热量为

式中：Qchs为累计蓄热量，GJ；Qphs为上月蓄热量，GJ；Qu为当月集热量，GJ；Ql为当月热负荷，GJ；QLpit为每月TSP热损失，GJ；QLpipe为每月管路热损失，GJ。

图6 全年累计蓄热量变化Fig.6 Variation of accumulative heat storage throughout the year

TSP全年累计蓄热量变化情况如图6所示。由图6可知：在非供暖期4月16-10月14日，累计储存热量逐月增加至7 528.11 GJ；在供暖期10月15日-4月15日，系统边供边蓄，昼间在供暖系统运行的同时，集热系统与TSP也进行集热、储热；累计蓄热量谷值出现在2月，为76.34 GJ；对于热负荷较大的12-2月，TSP的累计储存热量仍有一小部分的富余量；4月天气逐渐回暖，大气透明度升高，太阳辐射量也大大增加，至4月15日累计蓄热量逐渐增加至592.74 GJ。通过对全年累计蓄热量变化进行分析，可以看出，太阳能跨季蓄热供暖设计在乌鲁木齐地区具有十分重要的研究价值。

TSP出口温度与室外环境温度随时间变化情况如图7所示。

图7 TSP出口温度与室外环境温度随时间变化情况Fig.7 Change of exit temperature and outdoor environment temperature with time of heat storage foundation pit

由图7可知，TSP内的出口温度在13.4～90.0℃内变化。蓄热期内，出口温度由28.2℃开始升高，最大温度至90.0℃；采暖期内，出口温度由90.0℃开始缓慢且持续地下降，至3月16日储水温度降至13.4℃。由于采暖末期采暖热负荷小，室外温度升高，且太阳辐射强度也逐渐增强，此时TSP内出口温度呈现回升状态，升高至28.0℃左右。

蓄热期内，基坑水温逐渐升高，无明显的停滞状态，表明15 100 m3的TSP体积与6 040 m2的集热器面积恰好匹配。采暖期内基坑水温呈缓慢且持续下降的趋势，最低水温为13.4℃。该水温大于5.0℃，有效避免了系统结冰的风险；且小于15.0℃，处于合理的采暖末期蓄热温度范围内，表明TSP内的蓄热量与建筑热负荷相平衡。综上所述，对于本建筑供暖，选取的TSP体积和集热器面积是合适的。

4.2 采暖期内3种供暖方式供暖时长

在每个供暖月中，3种供暖方式各自的供热量占当月采暖热负荷的比重和启动天数如图8所示。采暖期中，采暖方式随TSP内的温度变化而改变，该种供暖方式可最大限度地利用TSP内的蓄热量。结果显示，10月15日-12月31日共78 d，其中，板式换热器供暖天数为67 d，直接供热天数为11 d，供暖所需热量完全由TSP储存的热量提供，不需消耗电能供暖。从1月1日-4月15日，TSP内水温低于45.0℃，不满足地板辐射供暖要求，所以采用HP进行供暖，可达105 d。

图8 采暖期各采暖方式启动天数Fig.8 Heating period heating mode start days

4.3 太阳能保证率

图9为采暖期内各月太阳能保证率。由图可以看出：采暖期前78 d，TSP水温大于45.0℃，采用板式换热器供暖和直接供暖，除太阳能外并未消耗其他能源，故太阳能保证率可达100%；采暖后期，由于TSP内出水温度逐渐降低，且1-2月建筑热负荷较大，供暖方式切换为HP供暖，太阳能保证率逐渐下降，但其平均太阳能保证率也可达到73%，高于乌鲁木齐地区季节蓄热系统太阳能保证率推荐值[5]。

图9 采暖期内各月太阳能保证率Fig.9 Monthly solar fraction in heating period

4.4 节能效益分析

本系统的供暖能力为7 528.11 GJ。TSP储存的热量承担供暖期中85.06%的建筑热负荷，剩余14.94%的建筑热负荷由电能供给。按标准煤的热值为29.31 MJ/kg、天然气的热值为35.59 MJ/m3计算，在理想情况下，不考虑锅炉的热损失，本文供暖系统可至少替代256.84 t标准煤或211 520.09 m3天然气。