太陽能-谷電蓄能供熱系統(tǒng)在北京地區(qū)的應用

上海理工大學 劉 遲 李保國 羅權權上海筑能環(huán)境科技有限公司 蘇樹強 肖洪海

0 引言

2017年，我國建筑能源消費總量為9.47億t標準煤，占全國能源消費總量的21.10%，其中供暖能耗占比較大[1]。隨著國民生活水平的提高，居住面積和供暖需求逐年遞增，建筑能耗所占比例越來越大。我國太陽能資源豐富，平均輻照度達4 kW/m2以上[2]。在建筑領域中大力推廣太陽能利用，有利于緩解大氣污染，改善我國能源結構。與此同時，電力資源的分配存在白天電力需求高、夜間電力負荷降低的矛盾，需優(yōu)化能源結構。

為降低建筑能耗，一些學者將相變蓄能材料應用于建筑圍護結構中，取得了較好的節(jié)能效果。Saman等人分析了包含相變材料(PCM)蓄熱的屋頂集成太陽能空氣加熱系統(tǒng)的熱性能[3]；Berroug等人提出了一種用于房屋北墻上的太陽輻射相變建筑材料，提高了太陽能使用效率[4]；Benli等人研究了結合PCM的太陽能輔助電加熱供暖系統(tǒng)的熱性能，與傳統(tǒng)的加熱裝置相比可節(jié)能18%～23%[5]；李志永等人建立了太陽能相變蓄熱供暖系統(tǒng)動態(tài)模型，并對該系統(tǒng)進行了優(yōu)化研究[6]；Stritih等人采用瞬時系統(tǒng)模擬程序(TRNSYS)對太陽能蓄能供暖系統(tǒng)進行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可增加14%的供熱量，降低10%的能源消耗量，節(jié)約24%的運行成本[7]；Eltimsahy在俄亥俄州西北地區(qū)使用非峰值電力輔助太陽能加熱系統(tǒng)供暖，數(shù)據(jù)顯示平板太陽能集熱器能夠有效改善熱泵機組的運行工況，供暖季熱泵COP為3.45，太陽能提供的熱量占供暖負荷的60%,有效縮短了投資回收期[8]；徐新舉設計了電鍋爐輔助太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用太陽能對水預熱，電鍋爐在低谷電時段工作，減少了用電成本，有效提高了能源利用效率[9]；林坤平等人提出了一種具有相變儲能功能的低谷電供暖地板，該地板熱舒適性較好[10]；呂可非等人開發(fā)了一套800 m2低谷電蓄能供暖控制系統(tǒng)，用戶供暖費用減少88.12%，溫室氣體排放減少64.89%，節(jié)能減排效果顯著[11]；李九如等人提出了太陽能聯(lián)合谷電蓄冷蓄熱系統(tǒng)，相比純電力驅動系統(tǒng)每月可節(jié)省電費89.3%[12]。

使用相變蓄能材料可以減少建筑能源消耗，使用太陽能可有效減少化石燃料燃燒產生的環(huán)境污染，使用谷電有利于減小用電成本，提高能源利用率。為結合太陽能與谷電的優(yōu)勢，筆者研發(fā)了一種空氣式太陽能集熱與谷電蓄能聯(lián)合供熱系統(tǒng)，本文結合工程案例對該系統(tǒng)運行狀況進行分析，并討論其綜合利用效益。

1 太陽能-谷電蓄能供熱系統(tǒng)設計

1.1 整體方案設計

研發(fā)的太陽能-谷電蓄能供熱系統(tǒng)包括空氣式太陽能集熱、谷電加熱、蓄熱、換熱循環(huán)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，如圖1所示。

1.空氣式太陽能集熱器；2.氣-水換熱器；3.相變蓄能器；4.相變蓄能材料；5.供暖設備；6.循環(huán)風機；7.電加熱器；8.水泵；9供熱水箱；10熱水用戶。圖1 太陽能-谷電蓄能供熱系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)以太陽能為主要熱源，電加熱為輔助熱源；空氣式太陽能集熱器內置相變蓄能芯，可儲存太陽能以加熱空氣；熱空氣經(jīng)氣-水換熱器發(fā)生熱量交換；循環(huán)熱水進入相變蓄能器，一部分用于滿足建筑供暖需求，另一部分為用戶提供生活熱水；當相變蓄能器內熱量充足時，相變蓄能材料儲存循環(huán)熱水多余的熱量，當相變蓄能器內熱量不足時，啟動電加熱器加熱循環(huán)水，以滿足建筑熱負荷需求；根據(jù)供暖和生活熱水需求不同，可直接利用相變蓄能器中的高溫熱水為建筑供暖，或通過換熱，由相變蓄能器為供熱水箱提供熱水；系統(tǒng)采用PLC自動控制。

系統(tǒng)中相變蓄能芯和相變蓄能器的蓄能材料采用自主研發(fā)的包括乙酰胺、磷酸氫二鈉和硫酸鈉等多種無機鹽復合的相變蓄能材料，熔點為100 ℃，凝固點為54.5 ℃，相變潛熱為147.7 kJ/kg。

1.2 控制邏輯設計及運行模式

太陽能-谷電蓄能供熱系統(tǒng)運行模式根據(jù)氣象條件、峰谷電價及實際供熱效果等影響因素可分為集熱模式、電加熱模式、蓄熱模式、供暖模式和供熱水模式，各模式設定的啟停溫度可調節(jié)。

集熱模式：系統(tǒng)為供暖、供熱水兩用系統(tǒng)，為滿足全年熱水需求，集熱系統(tǒng)全年運行。當集熱器出口溫度高于30 ℃，且相變蓄能器溫度低于90 ℃時，系統(tǒng)按集熱模式運行；當集熱器出口溫度低于30 ℃，且相變蓄能器溫度高于90 ℃時，系統(tǒng)集熱模式停止。

電加熱模式：為降低電力運行成本，根據(jù)峰谷電價，電加熱模式分為低谷電時段模式和非低谷電時段模式。低谷電時段模式：當集熱器出口溫度低于30 ℃，且相變蓄能器溫度低于100 ℃時，系統(tǒng)按電加熱模式運行；當相變蓄能器溫度高于120 ℃時，系統(tǒng)電加熱模式停止。非低谷電時段模式：當集熱器出口溫度低于30 ℃，且相變蓄能器溫度低于80 ℃時，系統(tǒng)按電加熱模式運行；當相變蓄能器溫度高于90 ℃時，系統(tǒng)電加熱模式停止。

蓄熱模式：即將多余熱量儲存在相變蓄能材料中，當太陽能集熱系統(tǒng)或電熱器提供足夠的熱量時，相變蓄能器內循環(huán)水溫升高，一部分循環(huán)水送入供暖設備，另一部分送入供熱水箱與生活用水換熱。生活用水溫度取50 ℃，室內供暖溫度取18 ℃[13-14]。當供熱水箱溫度高于60 ℃，室內溫度高于18 ℃時，系統(tǒng)按蓄熱模式運行；當供熱水箱溫度低于60 ℃，且室內溫度低于18 ℃時，系統(tǒng)蓄熱模式停止。

供暖模式：當室內溫度低于18 ℃時，系統(tǒng)按供暖模式運行；當室內溫度高于18 ℃時，系統(tǒng)供暖模式停止。

供熱水模式：生活熱水溫度取50 ℃，取10 ℃換熱溫差，則供熱水箱內水溫上限設定為60 ℃。當供熱水箱溫度低于60 ℃時，系統(tǒng)按供熱水模式運行；當供熱水箱溫度高于60 ℃時，系統(tǒng)供熱水模式停止。

運行中太陽能集熱模式優(yōu)先級最高，電加熱模式啟動的必要條件是太陽能集熱模式啟動條件不足，同時受當?shù)氐凸入姇r間的限制。在白天太陽能充足時，電加熱模式只在夜間啟動；而在白天太陽能不充足時，電加熱模式就會啟動。

2 工程應用案例

2.1 工程概況

該工程位于北京市，年平均氣溫10～12 ℃，年平均日照時間為2 000～2 800 h，屬于寒冷地區(qū)[15]。項目總供暖面積6 005 m2，原供暖設備為燃煤鍋爐，供暖末端為鑄鐵散熱器，年供暖時間120 d，年運行費用40萬元。其建筑形式、功能、供暖需求如表1所示。

表1 建筑形式、功能、供暖需求

2.2 建筑負荷計算

北京地區(qū)供暖季為11月至次年3月，依據(jù)國家建筑標準設計圖集06SS128《太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》，供暖季傾斜表面平均太陽能輻照量為15.285 MJ/(m2·d)，參考GB 50495—2009《太陽能供熱采暖工程技術規(guī)范》，北京屬于第Ⅲ類資源一般區(qū)，季節(jié)蓄熱系統(tǒng)太陽能保證率為20%～40%，該項目太陽能保證率取30%。辦公室、宿舍及車間有供暖需求，宿舍有熱水需求，分別計算兩部分熱負荷。

2.2.1供暖熱負荷計算

供暖熱負荷按式(1)計算：

式中 QH為供暖日均負荷，MJ；S為供暖面積，m2；H為供暖時間，h；Pn為供暖設計熱負荷，W/m2，參照JGJ26—2010《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》選取，對非節(jié)能建筑取修正系數(shù)，該項目辦公室使用率為60%，選取熱負荷指標時適當降低，車間層高7 m，選取熱負荷指標時適當增大。

2.2.2供熱水負荷計算

熱水日均負荷按式(2)計算：

式中 QW為熱水日均負荷，MJ；c為水的比定壓熱容，取4.187kJ/(kg·℃)；qr為熱水用量；m3；ρ為水的密度，取1 000kg/m3；tr為設計熱水溫度，℃；tl為設計冷水溫度，℃。

系統(tǒng)總熱負荷為供暖熱負荷與供熱水負荷之和：

Q=QH+QW

(3)

式中 Q為系統(tǒng)總熱負荷，MJ。

經(jīng)計算，系統(tǒng)總熱負荷Q=14 376.64MJ。

2.3 主要部件選型

2.3.1空氣式太陽能集熱器

空氣式太陽能集熱器由直流雙通真空管、相變蓄能芯、風閥和聯(lián)箱等組成，集熱器以空氣為傳熱介質，直流雙通真空管內裝有相變蓄能芯，圖2為空氣式太陽能集熱器實物照片。

圖2 蓄能型空氣式太陽能集熱器實物照片

建筑物供暖所需太陽能集熱器總面積為

式中 Ac為太陽能集熱器面積，m2；f為太陽能保證率，取30%；Jt為供暖季日均輻照量，MJ/m2，取15.285 MJ/m2；ηcd為太陽能集熱器全天集熱效率，取46.5%；ηl為管路及貯熱裝置熱損失率，取15%[15]。

經(jīng)計算，集熱器面積Ac=714 m2，選取集熱器179臺。

2.3.2相變蓄能器

相變蓄能器用于儲存來自太陽能集熱器的熱量及低谷電轉化的熱量。相變蓄能器設計為雙腔結構：外腔由聚氨酯發(fā)泡加厚保溫材料組成，外殼為鍍鋅板；內腔設置相變蓄能材料，如圖3所示。根據(jù)系統(tǒng)總熱負荷14 376.64 MJ選取9臺有效蓄熱量為1 500 MJ/臺、2臺有效蓄熱量為500 MJ/臺的蓄能器。

圖3 蓄能器結構圖

2.3.3其他部件選型

太陽能集熱系統(tǒng)風機型號為GDF 4.0-6，功率為0.8 kW，風量為3 000 m3/h。根據(jù)建筑層高7 m 選取的循環(huán)水泵型號為ISG-80-100(I)；供暖水泵型號為ISG-80-160B；熱水泵型號為ISG-15-80。經(jīng)計算，輔助電加熱裝置功率為280 kW。為蓄熱量1 500 MJ的蓄能器配備30 kW的電加熱器，為蓄熱量500 MJ的蓄能器配備10 kW的電加熱器。

3 測試結果及效益分析

3.1 測試結果與分析

在供暖季內選取12月25日和次年2月15日對系統(tǒng)進行測試，測試日天氣晴好，系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)如圖4～7所示。圖4、5分別顯示了12月25日和2月15日蓄能系統(tǒng)的溫度變化。由圖4、5可以看出：室內溫度維持在25.14～29.08 ℃之間；夜間00:00—08:00為低谷電蓄能階段，相變蓄能器內溫度不斷上升，最高達到119.3 ℃，蓄能器可持續(xù)放熱16 h。

圖4 12月25日蓄能系統(tǒng)溫度變化

圖5 2月15日蓄能系統(tǒng)溫度變化

圖6 12月25日集熱系統(tǒng)參數(shù)變化

圖7 2月15日集熱系統(tǒng)參數(shù)日變化

圖6、7分別顯示了12月25日和2月15日集熱系統(tǒng)參數(shù)變化。由圖6、7可以看出：集熱器內相變蓄能芯可使集熱器產熱時間延長2～3 h；測試日06：00—12:00集熱器內溫度隨太陽輻照度的增大而升高，當集熱器內部溫度高于相變蓄能芯的相變溫度時，相變蓄能芯開始相變蓄熱，儲存多余的太陽能；12：00—14：00太陽輻照度減小，但集熱器內溫度仍在上升，在14：00達到最高溫度；14：00—18：00集熱器內溫度隨太陽輻照度的減小而降低；18:00—21:00在沒有太陽能情況下，集熱器仍可為系統(tǒng)提供2～3 h的熱量。

12月25日系統(tǒng)供回水溫度及供熱量變化如圖8所示，平均瞬時供熱量為195.90 kW，全天供熱總量為4 701.62 kW·h。06：00—07：00為起床洗漱時間，用水量增加使得供水溫度出現(xiàn)明顯上升，瞬時供熱量也隨即增大；白天正常用水量不大，且供暖負荷相對夜間小，供回水溫度出現(xiàn)下降，瞬時供熱量降低；18:00用水量及供暖負荷回升時，系統(tǒng)供水溫度再次升高，保證室內供暖與用水需求。2月15日系統(tǒng)供回水溫度及供熱量如圖9所示，平均瞬時供熱量為231.94 kW，全天供熱總量為5 566.57 kW·h。當天熱負荷相對平穩(wěn)，供回水溫度波動不大；當天環(huán)境溫度呈上升趨勢，夜間負荷有所下降，全天瞬時熱負荷呈現(xiàn)下降趨勢；在20:00時環(huán)境溫度仍較高，供回水溫度出現(xiàn)明顯下降，同時瞬時供熱量減小。

圖8 12月25日系統(tǒng)供回水溫度及供熱量變化

圖9 2月15日系統(tǒng)供回水溫度及供熱量變化

太陽能保證率是衡量系統(tǒng)中利用太陽能的百分比，計算公式為

式中 f為太陽能保證率；QA為輔助電能供熱量，kJ；QR為系統(tǒng)實際供熱量，kJ。

表2顯示了1月10—20日太陽能-谷電蓄能供熱系統(tǒng)的太陽能保證率。1月中旬晴好天氣較多，15—17日出現(xiàn)天氣條件不佳情況。測試時間內太陽能保證率維持在1.2%～22.2%之間，其中，16日為下雪天氣，系統(tǒng)太陽能保證率僅為1.2%，剩余時間多為晴天，太陽能保證率基本維持在20%左右；12日和20日均為晴天，環(huán)境溫度相差較大，但太陽能保證率相對變化較小。

表2 測試數(shù)據(jù)

3.2 效益分析

該項目供暖期按120 d計算，全年節(jié)能減排效益如表3所示[16]。通過項目改造，年均可節(jié)省203.94 t標準煤，谷電使用率97.4%；在不計算人工成本的前提下，采用太陽能-谷電蓄能供熱比燃煤鍋爐供熱節(jié)約運行費用52.4%，大幅減少了二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及顆粒物排放量。

表3 節(jié)能減排效益

北京地區(qū)實行三段電價政策，在用電高峰期11:00—14:00和18:00—20:00為高價電，夜間有7 h為低價電，谷電時間占全天時間的29.17%。該系統(tǒng)白天使用太陽能提供熱源，夜間利用廉價低谷電能轉換為熱能儲存在蓄能系統(tǒng)中，提供次日供熱量。當出現(xiàn)連續(xù)陰雨天氣時，直接使用電能供熱。為提高系統(tǒng)運行效率，降低運行成本，優(yōu)先使用太陽能集熱系統(tǒng)和利用蓄能系統(tǒng)將谷價電能轉換為熱能，避免使用平價電能和高價電能。整個供暖季系統(tǒng)谷電使用量占97.40%、平電占1.51%、峰電占1.09%；供暖季總電費為13.47萬元，顯著降低了運行成本。

4 結論

1) 帶有相變蓄能芯的蓄能型空氣式太陽能集熱器在太陽輻照度出現(xiàn)下降趨勢后，集熱器內部溫度仍能持續(xù)上升；當太陽輻照度下降為0后，集熱器仍可為系統(tǒng)提供熱量。

2) 早晨生活用水量增大使得供水溫度出現(xiàn)明顯上升，瞬時供熱量隨即增大；夜間環(huán)境溫度下降，供暖負荷增大，用水量增大，供水溫度出現(xiàn)明顯上升；系統(tǒng)對負荷變化的反應速度較快。

3) 1月中旬系統(tǒng)太陽能保證率維持在1.2%～22.2%之間，晴天時太陽能保證率基本維持在20%左右，環(huán)境溫度相對于天氣條件對太陽能保證率的影響較小。

4) 項目谷電使用率為97.4%，年均可節(jié)省203.94 t標準煤，在不計算人工成本的前提下，采用太陽能-谷電蓄能供熱系統(tǒng)比燃煤鍋爐節(jié)省運行費用52.4%。