跨季节斜温层储罐蓄热太阳能供暖系统配置研究

李泽瑞，姜晓霞，刘克为

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨150046)

0 引 言

作为一项能源布局的重要技术，跨季节储热供暖可实现能源的跨季调度，在采暖季利用非采暖季储存的热量进行供暖。近年来，清洁供暖、“碳中和”和“碳达峰”的能源战略对跨季节供暖提出了更高的要求。由于太阳能是一种零碳排放的可再生能源，利用太阳能进行跨季节储热供暖便成为了降低供暖系统碳排放的有效途径。在这一原理基础上，逐渐形成了跨季节储热太阳能供暖技术，即在非供暖季，通过蓄热装置将太阳能转化为热能并储存起来；在供暖季，将蓄热装置中的热能放出，从而实现碳零排放供暖。斜温层储罐作为一种可以同时存储两种温度储热介质的蓄热装置，在燃煤机组调峰改造方面进行了大范围推广，其蓄热能力实现了跨季节储热太阳能供暖技术中对大容量储热的需求。

目前在跨季节储热太阳能供暖领域已有大量关于蓄水箱和储热介质的研究。

张广宇等人[1]建立太阳能季节蓄热供暖系统的数学模型，获得了能量平衡关系，分析了蓄热水箱外保温厚度和蓄热水箱体积与散热率和散热量的关系；王莲莲等人[2]以济南地区为研究对象建立了跨季节蓄热太阳能供热系统，计算分析了在不同保温方案下供热面积与集热器面积的关系，其蓄热系统的主要蓄热装置为位于地下的蓄热水箱；郭占全等人[3]基于地下埋管建立了跨季节土壤太阳能储热系统，采用仿真分析方法，得到了不同埋管深度、管内流体温度、土壤条件、埋管间距的不同的土壤蓄热效果；马小琨[4]通过数值方法对水合盐吸附跨季节储热进行了研究，建立考虑多孔介质模型和热化学吸附模型的数值模型，分析了反应床脱附过程中的温度变化、颗粒吸附量变化和水蒸气质量分数及相对湿度变化。现有的跨季节储热太阳能供暖技术多采用蓄热水箱、埋管等蓄热装置，尚无采用斜温层储罐的研究成果。

本文针对太原集中供暖困难的某收费站，根据当地太阳能资源分布条件，提出了采用斜温层储罐作为蓄热装置的跨季节蓄热太阳能供暖系统，建立了热平衡关系，得到了蓄热装置外形尺寸和太阳能镜场集热面积，对比了采用不同热水温度的方案的关键设备参数，研究结果可用于跨季节蓄热太阳能供暖系统的分析与选型。

1 方案设计

1.1 设计背景

本文针对太原某收费站用户进行了跨季节斜温层储罐蓄热太阳能供暖方案的设计，假设用户需要设计一套可供2 000 m2的跨季节储热供暖系统，供热量为80 W/m2。项目地点为太原某收费站，供暖时间为11月1日到第二年的3月31日，按闰年计算共152天，此时供暖期比非闰年的供暖期多一天。据此，收费站供暖期所需的总热量为2 101 248 MJ，并以此进行分析设计。

跨季节蓄热供暖系统主要有集热系统、储热系统、换热系统，用太阳能集热系统在全年收集太阳能，加热储热介质后储存于斜温层储罐，在非供暖期将其储满有效容积，在供暖期，太阳能集热系统与斜温层储热系统一起向用户输送供暖热水，若水温过高，可通过换热器转化为用户可用的供暖温度。其中换热系统是按一般小型供热区域需求的热参数确定的热水温度与回水温度，可依据实际情况考虑是否设置。系统流程图见图1、图2。

图1 不带有换热系统的跨季节斜温层储热太阳能供暖系统

图2 带有换热系统的跨季节斜温层储热太阳能供暖系统

经查取国家气象中心的资料，太原地区全年的辐射总量为5 148.09 MJ/m2，具体的每月日平均辐射量见表1。

表1 太原地区各月日平均太阳能辐射量

根据表1数据计算可知，非供暖期辐射总量为3 618.96 MJ/m2，供暖期辐射总量为1 529.13 MJ/m2。

1.2 集热系统

由于太原市地处北方，冬季时温度常为零下，相比于集热管易于冻坏的太阳能平板集热器，本文选取防冻和散热损失更小的太阳能真空管集热器。考虑太阳能集热系统本身的散热损失，经转化后设置其集热效率为60%。通过表1计算得到：非供暖期集热系统的集热量为2 171.38 MJ/m2，供暖期集热体统的集热量为917.48 MJ/m2(按闰年计算)。

1.3 储热系统

本文选取斜温层储罐作为储热装置，斜温层储罐相较于普通的蓄水箱，具有长时间同时储存热水与冷水的能力，以斜温层将两者分开，可以根据冷热水需求独立供应，调控能力更强。系统启停迅速，适用于收费站等偏远地区在日常生活中的使用。斜温层储罐可以使用水、油、熔融盐等作为储热介质，而油与熔融盐往往应用于高温储热。对于太原某收费站，本文选择水作为储热介质，它不仅取用方便，价格经济，而且具有更高的比热容。在相同热量下，所需的斜温层储罐体积最小。在本文中，根据项目地点的实际情况，先选取两种斜温层储罐的存水温度，方案一中冷水温度为15 ℃，热水温度为60 ℃，此时供暖季从储罐输出的热水可直接用于供暖使用；方案二中冷水温度为15 ℃，热水温度为90 ℃,汇总集热器厂家提供的信息，90 ℃为一般太阳能真空管集热器在不设置辅助热源时，理想状态下能达到的最高温度，但在供暖时需要设置换热器进行换热，使热水温度降到可供用户供暖使用的60 ℃。

对于斜温层储罐，根据工程经验，保温材料选取较为经济的高温玻璃棉，其导热系数为0.05 W/(m·℃)。对于斜温层储罐，其24小时热损耗不应大于有效总释热量的2%，查取GB 50019-2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》中太原市的室外空气条件，计算得保温层厚度选取为0.15 m时，既经济又能有效的减少散热损失。以此计算储存不同温度热水时斜温层储罐单位面积的热损失量。

2 计算公式

现根据热量守衡，建立跨季节斜温层储热太阳能供暖系统的热量计算公式。第一部分，供暖期用户所需热量等于太阳能集热系统在供暖期收集的热量与斜温层储罐储存的热量减去供暖期斜温层储罐损失的热量；第二部分，太阳能集热系统在非供暖期收集的热量等于斜温层储罐储存的热量与斜温层储罐在非供暖期损失的热量之和。

根据热量平衡，跨季节斜温层储热太阳能供暖系统的热量计算公式为：

Q=(hr-hl)Vρ+Q1A1-αA2t1

(1)

Q2A1=(hr-hl)Vρ+αA2t2

(2)

式中：V——斜温层储罐的有效储热体积，m3；

Q——用户供暖期所需供热量，kJ；

hr——斜温层储罐的热水焓值，kJ/kg；

hl——斜温层储罐的冷水焓值，kJ/kg；

ρ——斜温层储罐的热水密度，kg/m3；

Q1——供暖期太阳能集热器的集热量，kJ/m2；

Q2——非供暖期太阳能集热器的集热量，kJ/m2；

A1——太阳能集热面积，m2；

A2——斜温层储罐的保温表面积，m2；

t1——供暖期时间，s；

t2——非供暖期时间，s；

α——斜温层储罐的单位面积热损失，kW/m2。

对于斜温层储罐，在罐壁直段高度与储罐内径比达到1.6时，储罐的结构形式达到最佳。但在计算斜温层储罐时，储罐有效容积往往小于储罐直壁段的体积，这是因为斜温层储罐为了安全稳定地运行，会留有一定的膨胀余量，膨胀余量高度往往占储罐直壁段的0.15到0.25，在本文中取膨胀系数γ为0.2。据此斜温层储罐的储热有效体积计算公式为：

V=(1-γ)V1

(3)

V1=πβD3

(4)

式中：V1——斜温层储罐的直臂段体积，m3；

β——斜温层储罐高径比；

γ——膨胀系数；

D——斜温层储罐的内径，m。

斜温层储罐罐顶为拱顶，外壁全部铺有保温材料，保温层厚度为0.15 m。由于罐壁厚度相对于储罐直径过小，在计算中忽略不计，据此斜温层储罐保温面积的计算公式为：

(5)

式中：

d——保温层厚度，m。

3 计算结果

针对于太原收费站方案，不同温度的高温水对应不同的焓值，同时装有该温度热水的斜温层储罐有不同的单位面积散热损失，因此我们分别对方案一与方案二进行讨论，其中共性的参数有：非供暖季集热器的集热量Q2为2 171 380 kJ/m2，供暖季集热器的集热量Q1为917 480 kJ/m2，非供暖时间t2为18 489 600 s，供暖时间t1为13 132 800 s, 收费站供暖期所需的总热量Q为2 101 248 000 kJ。

对于方案一，冷水为15 ℃，热水为60 ℃，此时计算参数见表2。

表2 方案一的计算参数

根据已知参数，考虑到管道等设备的散热，根据以往的工程经验，需要在散热面积A再增加5%的余量，将参数带入公式(1)、(2)、(3)、(4)与(5)中，可以得到最佳的集热面积与储热内径，经计算得储罐内径为21 m，太阳能集热面积为1 308.5 m2。系统流程如图1。

对于方案二，冷水为15 ℃，热水为90 ℃，此时计算输入的参数见表3。

表3 方案二的计算参数

计算方法参照方案一，但对于热水温度为90 ℃的斜温层储罐，在冬季供暖时需要加入换热系统将90 ℃热水转换为60 ℃热水为用户安全稳定的供暖，所以在整个系统中需要添加一个换热系统，在这里我们选用管壳式换热器，其热交换率设置为95%，供暖所需的总热量需增加5.26%左右，将参数带入公式(1)、(2)、(3)、(4)与(5)中，可以得到最佳的集热面积与储罐内径，储罐内径为18 m，太阳能集热面积为1 360 m2。系统流程如图2。

我们进一步对加装换热系统的存水温度进行进一步计算分析讨论，取热水温度为70 ℃、80 ℃，冷水温度仍为15 ℃，其物性参数见表4。

表4 70 ℃、80 ℃的物性参数

在计算后，结果与方案一、方案二汇总，见表5。

表5 不同热水温度下的计算结果

通过对方案一与方案二的计算结果对比，以太原收费站为例，在不设置辅助热源的情况下，斜温层储罐储存热水温度为60 ℃时，储罐的体积更大，所需的太阳能集热面积相对较小，斜温层储罐储存热水温度为90 ℃时，储罐的体积更小，所需的太阳能集热面积稍大。但斜温层储罐储存热水温度为90 ℃时，太阳能集热面积未比斜温层储罐储存热水温度为60 ℃时的太阳能集热面积多5%，斜温层储罐的体积却远远小于储存热水温度为60 ℃的斜温层储罐，在同为常压罐的情况下，斜温层储罐材质基本相同。虽然斜温层储罐储存热水温度为90 ℃时，跨季节斜温层储热太阳能供暖系统增加了换热系统，但其价格与占地面积远小于太阳能集热系统与斜温层储热系统，暂可忽略。所以，对于跨季节斜温层储热太阳能供暖系统，方案二比方案一具有更好的经济性与实用性。

进一步对加装换热系统的跨季节斜温层储热太阳能供暖系统进行计算分析，在供暖总量一定的条件下，随着储存热水温度的升高，由70 ℃到90 ℃，斜温层储罐的内径逐步增大，斜温层储罐的有效容积也随之变大，即斜温层储罐的体积逐渐增大。但太阳能集热面积随着输出热水温度的升高先变大后变小，但相对面积变化不大。

4 结 论

对于供暖期供暖量一定的跨季节斜温层储热太阳能供暖系统，冷水温度不变，随着储热热水温度的升高，斜温层储热系统单位面积的散热量逐步增大，斜温层储罐的有效容积随着温度的升高而减小，在热水温度高于60 ℃，设置换热系统后，太阳能集热系统的集热面积随热水温度升高先变大后变小，总体变化不大。对于整个跨季节斜温层储热太阳能供暖系统，在供暖期供热量一定，不设置辅助热源的情况下，储热水的温度越高，系统的经济性与实用性越好。