太陽能供暖系統用即熱式蓄熱水箱熱工性能的試驗研究

胡晶晶，杜震宇

(太原理工大學 環境科學與工程學院，太原 030024)

太陽能具有資源豐富、分布廣泛和綠色環保等優點，是具有廣闊應用前景的可再生能源，但同時太陽能的利用也存在間歇性、不穩定性和供需不匹配等缺點。蓄熱水箱作為太陽能供暖系統的熱量調控單元，具有削峰填谷的作用，可以有效彌補太陽能熱利用系統的缺陷。目前針對蓄熱水箱主要是有關溫度分層的研究，溫度分層形成的原因是在熱壓差作用下，高溫低密度的水上升，低溫高密度的水下降，從而在蓄熱水箱內形成上部溫度高、下部溫度低的分層現象[1]。蓄熱水箱合理的溫度分層既可以利用低溫水層的水降低集熱器進口溫度，從而提高集熱器集熱效率；又可以提高水箱內高溫水的比例，減少輔助熱源的使用[2]。SAVICKI et al[3]模擬了水箱內部流體運動的過程, 研究表明水箱內溫度分層效果與熱力參數和幾何結構有關。SPUR et al[4-5]對水箱結構進行了研究，發現間接式水箱、合適的換熱盤管布置[6]、合理的水箱高徑比[7]等結構形式均有助于形成良好的溫度分層。YA?CI et al[8]研究運行條件對溫度分層的影響發現，蓄熱水箱進口流速的增大、流量的增加均不利于溫度分層的形成[9]，進出口溫差的增大則有助于溫度分層的形成，從而提高系統的太陽能保證率[10-11]。朱寧等[12]通過模擬分析得出結構簡單的水箱不易形成明顯的溫度分層，必須對水箱的結構以及操作工況進行改進和優化。

目前改進蓄熱水箱的方法多是通過結構改造減弱水箱內部冷熱流體的摻混，依靠流體浮升力達到更好的溫度分層，但水箱內冷熱流體換熱形式以自然對流為主，換熱效率低，且使用中需加熱整個水箱內流體，因而普遍存在升溫慢的缺陷。本文研發的即熱式蓄熱水箱換熱空間小、換熱效率高，早上集熱器啟動后，可依靠太陽能快速地將地暖供水溫度加熱到設計值，解決了傳統溫度分層蓄熱水箱早上集熱器啟動后升溫慢、太陽能供暖不及時的缺點，減少輔助熱源的使用，本文對其實際應用效果進行了試驗研究。

1 系統簡介及即熱式蓄熱水箱構造

1.1 太陽能-空氣源熱泵復合地板輻射供暖系統簡介

研究所采用的太陽能-空氣源熱泵復合地板輻射供暖系統主要由集熱裝置、空氣源熱泵、即熱式蓄熱水箱、地板輻射供暖末端裝置等4部分組成，如圖1所示。

圖1 太陽能-空氣源熱泵復合地板輻射供暖系統Fig.1 Solar-air source heat pump composite floor radiant heating system

集熱裝置為2組并聯的微通道太陽能平板型集熱器，每組集熱器由7塊太陽能光熱板和1塊太陽能光伏光熱板組成，單塊板的長、寬分別為2 m，1 m.集熱器在運行期間為供暖系統和蓄熱水箱提供熱量,同時光伏板生產的電能可用于系統水泵和空氣源熱泵耗電。

空氣源熱泵為系統的輔助熱源，額定功率為2 400 W，額定制熱量為8 500 W，在集熱器集熱量和水箱蓄熱量不足以滿足房間熱負荷需求時進行補熱，維持室溫在設計區間。

即熱式蓄熱水箱作為系統熱量調控單元根據工況變化分配熱量，室內溫度低于設計值時，集熱器集熱量全部用于供暖；室內溫度高于設計值時，集熱器集熱量全部用于蓄熱。

測試房間為朝正南方向的普通農村住宅，長寬高分別為12 m，9 m，3 m，供暖面積為108 m2，房間采用地板輻射供暖，房間結構參數如表1所示。

表1 房間結構參數Table 1 Structure parameters of room

集熱器防凍液為質量分數40%的乙二醇水溶液，在集熱板中吸熱溫度升高后，經集熱器循環泵加壓送入換熱水箱，被冷卻后回流到集熱板，形成集熱循環系統；房間地暖回水經地暖循環泵加壓送入換熱水箱，被加熱后回流到房間地暖盤管，形成供暖循環系統；潛水泵將蓄熱水箱的水提升至換熱水箱，換熱后流回蓄熱水箱，形成蓄熱循環系統；空氣源熱泵盤管置于即熱式蓄熱水箱中下部，熱泵工質為氟利昂，從環境中吸收熱量后，從水箱上部流入、下部流出，形成補熱循環系統。

1.2 即熱式蓄熱水箱結構參數

由圖1可知，本文所研發的即熱式蓄熱水箱由換熱水箱、潛水泵、蓄熱水箱、空氣源熱泵盤管4部分組成。

即熱式蓄熱水箱尺寸見表2，保溫層采用聚氨酯現場發泡制成，厚度為80 mm.

表2 即熱式蓄熱水箱尺寸Table 2 Size of instantaneous hot water storage tank

即熱式蓄熱水箱采用內置波紋管換熱水箱換熱，從而分離換熱和蓄熱單元并用潛水泵連接，因此集熱器供熱、地暖供暖和水箱蓄熱過程可獨立或同時進行，系統更加靈活、實用。波紋管由于內外形如波形的構造，折疊面積大、占用空間小，而且波峰波谷處的流速、壓力變化可產生雙向擾動，較小流速即能形成湍流，因此與普通光管相比，波紋管換熱器具有傳熱系數高、換熱面積大和難結垢等優點[13]，波紋管換熱器總傳熱系數比光管換熱器高50%以上[14]，所以采用波紋管的換熱水箱相比傳統分層蓄熱水箱換熱效率更高、占用水箱空間更小。

換熱水箱結構如圖2所示，換熱水箱為敞口的長方體，地暖供回水管道接口設于幾何尺寸為0.66 m×0.15 m的側壁上，換熱器進出口設于幾何尺寸為0.75 m×0.15 m的側壁上，換熱管道采用304不銹鋼U型波紋管，外徑20 mm，內徑16 mm，換熱管道在垂直方向分為四路并聯管道，以傾斜的蛇形

管形式均勻布置于換熱水箱內，縱向管間距35 mm，橫向管間距45 mm，潛水泵出水口與地暖回水管道接口設于換熱水箱同側。

圖2 換熱水箱結構圖Fig.2 Structure of heat exchange water tank

由換熱水箱結構特點可知，地暖回水或蓄熱水箱的水沿換熱水箱較小截面流動，流速更大，有助于提高傳熱系數；換熱管道以蛇形管的形式布置，管內集熱器防凍液流速慢而停留時間長、換熱面積大，有助于防凍液的充分冷卻，從而降低集熱器進口溫度，冷熱流體換熱形式為混合流，換熱更加充分。防凍液流入口緊靠地暖供水流出口，有助于快速提高地暖供水溫度，保證供暖質量；防凍液流出口緊靠地暖回水和潛水泵出水流入口，有助于降低集熱器進口溫度從而提高集熱器集熱效率。

1.3 系統運行模式及熱量交換

采用即熱式蓄熱水箱的系統運行工況主要有4種模式，如表3所示。

表3 系統運行模式Table 3 Operation mode of system

1.3.1系統各部分熱量計算公式

1) 集熱器供熱量Q1為:

(1)

式中：q1為集熱器瞬時供熱量，kW；m1為集熱器防凍液質量流量，kg/s；cp1為防凍液的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；tc,o為集熱器瞬時出口溫度，℃；tc,i為集熱器瞬時進口溫度，℃.

2) 房間得熱量Q2為:

(2)

式中：q2為房間瞬時得熱量，kW；m2為地暖循環水質量流量，kg/s；cp為水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；tr,i為地暖瞬時進口溫度，℃；tr,o為地暖瞬時出口溫度，℃.

(3)

3) 水箱蓄熱量Q3為：

(4)

式中：q3為瞬時蓄熱量，kW；m為蓄熱水質量，kg；Δt為蓄熱水瞬時溫差，℃；Δθ為總蓄熱溫差，℃.

4) 空氣源熱泵制熱量Qheating為:

(5)

式中：qheating為空氣源熱泵機組瞬時制熱量，kW；qsource為空氣源熱泵機組從環境側瞬時吸熱量，kW；pheating為空氣源熱泵機組制熱工況下瞬時功率，kW.

1.3.24種系統運行模式下各部分熱量關系公式

忽略系統熱損失前提下，根據能量守恒定律：

1) 系統集熱器運行期間，集熱器供熱量、房間得熱量和蓄熱量關系式為

(6)

模式1：系統熱量瞬時值關系式為q2=q1.

采用普通水箱的系統供暖工況下，房間瞬時得熱和瞬時蓄熱得熱同時存在，房間得熱量q2=q1-q3.

相同供熱量下，采用即熱式蓄熱水箱的系統供暖工況下房間得熱量更大，因此房間升溫更快。

模式2：系統熱量瞬時值關系式為q3=q1.

房間得熱量為0，集熱器供熱量全部被儲存于蓄熱水箱。

2) 集熱器停止運行期間，房間得熱量、蓄熱量與熱泵制熱量關系式為：

(7)

房間得熱量確定時，蓄熱量增大可減小熱泵功耗，由公式(1)(3)(6)可得蓄熱量為：

由上式可知，蓄熱量由集熱器供熱量和房間得熱量關于時間函數積分的差值決定，即與兩項熱量的波動規律有關。系統配置、供暖房間和環境條件確定時，兩項熱量主要受集熱器和地暖進口溫度影響，因此，集熱器運行期間根據工況實時調控,使兩項溫度穩定在設計區間，可以提高蓄熱量從而降低熱泵功耗，根據地暖供水溫度要求，建議35～55 ℃.

夜間低溫供暖可減少熱泵功耗，根據地暖供水要求，建議35～40 ℃.

2 即熱式蓄熱水箱工程應用的試驗研究

2.1 系統測試及誤差分析

在系統運行中，使用鉑電阻傳感器、流量計、太陽輻照儀等儀器對系統各部分溫度、流量、太陽輻照度等參數進行測量，測試數據經數據采集儀采集后傳送至電腦保存，數據采集時間間隔為30 s.測量儀器型號及精度如表4所示。

表4 測試儀器Table 4 List of testing instrument

試驗測試計算結果R是測試中各個獨立變量x1，x2，x3,…,xn的函數[15],即

R=R(x1，x2，x3,…,xn) .

則誤差傳遞函數為

(8)

實驗房間得熱量公式為

q2=ρVcp(tr,i-tr,o) .

(9)

式中：V為地暖的體積流量，m3/h.

可以得到其測試結果的不確定度為：

(10)

測試結果相對不確定度為：

(11)

獨立變量不確定度可以由儀器誤差Δins表示[16]，求得供熱量相對不確定度為2.6%.

2.2 集熱器早上啟動時間和地暖供水溫升速率分析

當地12月份日出均在7:30后，日落均在17:30前。在7:30-17:30的時間段內，選取該月室外平均氣溫較高和較低的兩天，分別為27日和24日，高溫天室外氣溫平均值7.7 ℃，低溫天室外氣溫平均值-2.8 ℃，兩天天氣均為微風、晴天，分析室外氣溫對集熱器啟動時間和地暖供水溫升速率的影響。

集熱器啟動條件為板溫35 ℃，兩天集熱器啟動時刻，集熱器和地暖進出口溫度均相同，地暖供水溫度為33 ℃.早上集熱器啟動后系統運行模式為模式1，即啟動集熱器和地暖循環泵。如圖3所示，高溫天集熱器啟動時刻為9:36，地暖供水溫度經過26 min，于10:02升溫至40 ℃；低溫天集熱器啟動時刻為10:16，地暖供水溫度經過49 min，于11:05升溫至40 ℃.高溫天集熱器剛啟動時，太陽輻照度較小，地暖供水溫升速率較慢，9:54后太陽輻照度迅速增大，水溫也快速上升；低溫天集熱器啟動時，太陽輻照度已較高且較穩定，所以地暖供水溫升速率較穩定，但整體較高溫天低。

圖3 集熱器啟動初期地暖供水溫度變化Fig.3 Variation of heating water supply temperature at the beginning of collector start-up

兩天在7:30-11:05時間段測得的太陽輻照度及室外氣溫變化如圖4所示，兩天輻照度變化趨勢及數值均相近，但室外氣溫相差較大。

圖4 太陽輻照度與室外氣溫變化Fig.4 Variation of solar irradiance and outdoor air temperature

高溫天集熱器9:36啟動，此時刻前太陽總輻照量372 kJ/m2，室外氣溫平均值-3.2 ℃；低溫天集熱器10:16啟動，此時刻前太陽總輻照量810 kJ/m2，室外氣溫平均值-8.1 ℃.不同室外氣溫下，低溫天集熱器達到啟動條件需太陽總輻照量是高溫天的2.2倍，由此可知，集熱器啟動時間受室外氣溫影響很大，因為晴天的早上太陽輻照度相差不大且處于較低水平，若室外氣溫較低，則集熱器熱損失較大，溫度提升較慢。

集熱器啟動初期，地暖供水溫升7 ℃的時間段內，高溫天太陽總輻照量313 kJ/m2，室外氣溫平均值1.8 ℃，地暖供水平均溫升速率0.27 ℃/min；低溫天太陽總輻照量1 008 kJ/m2，室外氣溫平均值-4.7 ℃，地暖供水平均溫升速率0.14 ℃/min.對比可知，達到相同溫升的時間段內，低溫天太陽總輻照量是高溫天的3.2倍，溫升速率是高溫天的52%，所以工程應用中，地暖供水溫升速率受室外氣溫影響很大，因為室外氣溫越低，系統熱損失和房間熱負荷越大，地暖供水溫度提升越困難。

綜上，晴天早上集熱器啟動后，換熱水箱均能較快將地暖供水溫度加熱到設計值，室外氣溫是影響集熱器啟動時間和地暖供水溫升速率的重要因素。

2.3 即熱式蓄熱水箱在太陽能供暖系統中的應用

選取系統運行期間的2017年12月25日0點至12月27日24點連續3天共4 320 min，分析不同環境條件下即熱式蓄熱水箱在太陽能供暖系統中的應用情況。3天輻照度和室外氣溫如圖5所示，太陽輻照度平均值分別為280，295，290 W/m2，室外氣溫平均值分別為-4.7 ℃，-2.9 ℃，1.7 ℃.其中，25日為多云天氣，26日和27日為晴天。3天整體趨勢為輻照度變化不大，室外氣溫逐天升高。

圖5 太陽輻照度及室外氣溫連續3天的(2017年12月25日-12月27日)變化Fig.5 Variation of solar irradiance and outdoor air temperature for 3 days (From Dec.25 to Dec.27, 2017)

3天換熱水箱溫度和室內溫度變化如圖6所示，集熱器運行期間，系統完全不需要輔助熱源即可滿足房間供暖需求，換熱水箱水溫日變化趨勢與太陽輻照度一致，均是先增大后減小，由于室外氣溫逐天升高，所以換熱水箱水溫也逐天增高，但基本保持在35～55 ℃，室溫維持在15～22 ℃；夜間房間低溫供暖，空氣源熱泵間歇啟動，換熱水箱溫度保持在35～40 ℃，室內溫度維持在14～18 ℃.

分析集熱器啟動初期換熱水箱和室內溫度變化可知，3天不同環境條件下，早上集熱器板溫達到30 ℃時，空氣源熱泵停止供熱，系統僅依靠換熱水箱供暖，因此水溫快速下降至30 ℃左右，板溫達到35 ℃時集熱器啟動，換熱水箱水溫約需1 h即可從30 ℃左右上升到40 ℃左右，室內溫度也隨之迅速上升，均在1.5 h內增長2 ℃左右。換熱水箱升溫快的優勢使其對工況變化具有更好的適應性，在集熱器啟動初期能夠充分利用太陽能快速滿足供暖需求，從而減少輔助熱源的使用。

圖6 換熱水箱及室內溫度連續3天的(2017年12月25日-12月27日)變化Fig.6 Variation of the temperature of heat transfer water tank and room for 3 days (From Dec.25 to Dec.27, 2017)

根據表1中房間結構參數及所測室內溫度和室外氣溫，可以計算得到房間熱負荷，由地暖進出口溫度及流量可以計算得到房間得熱量，兩部分熱量隨時間變化如圖7所示。集熱器停止運行且蓄熱量不足時，由空氣源熱泵為供暖提供熱量，當熱泵開啟時系統停止供暖，水箱水溫被加熱到設定溫度后，熱泵停止運行，系統開始供暖，以此實現間歇供暖，從而減少熱泵開啟時間。由于地暖停止運行期間供暖循環水溫度降低，因此地暖循環泵重新啟動后房間得熱量迅速達到峰值，之后緩慢降低，由圖7可知，房間熱負荷較大時，熱泵開啟時間較長，供暖時間相對較短，房間得熱量峰值較大。白天集熱器啟動后，房間得熱量能夠快速達到然后大于房間熱負荷，所得熱量的余熱被儲存于建筑中。

圖7 連續3天(2017年12月25日-12月27日)實際房間得熱量及房間熱負荷變化Fig.7 Variation of the heat supply and heat load for 3 days (From Dec.25 to Dec.27, 2017)

3 結論

1) 換熱水箱容積較小，且換熱管道采用波紋管，所以換熱形式為有限空間的受迫對流，因此早上集熱器啟動后，地暖供水溫度可快速升溫至設計值，具有即熱的效果，從而提早太陽能供暖時間，減少系統輔助熱源的使用。

2) 比較所選12月份的晴天，集熱器達到啟動條件以及地暖供水達到相同溫升值，低溫天的太陽總輻照量分別為高溫天的2.2倍和3.2倍，因此，室外氣溫是影響集熱器啟動時間和地暖供水溫升速率的重要因素。

3) 工程所在地晴天和多云天氣集熱器運行期間，采用即熱式蓄熱水箱的系統能夠依靠太陽能而不使用輔助熱源，維持室溫在15～22 ℃，其余時間依靠蓄熱和空氣源熱泵維持室溫在14～18 ℃.

4) 即熱式蓄熱水箱換熱與蓄熱單元分離的結構特點和換熱水箱升溫快的優勢使系統更加靈活、實用，除本文所提出的系統運行模式外，系統還可以實施僅加熱換熱水箱、供暖和蓄熱同時進行的運行模式，合理的控制模式可以更好地發揮水箱的優勢、提高系統性能。