太陽能供暖系統(tǒng)流量對其熱性能影響的研究

郭錦偉，譚 心，虞啟輝，方桂花

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，穩(wěn)定的生活供暖成為建筑設(shè)施所必備。近年來在國家推動節(jié)能減排的新形勢下，利用可再生能源，減少環(huán)境污染成為政府、企業(yè)、民眾共同追求的目標(biāo)[1]。作為新能源之一的太陽能源具有分布性，無污染，且取之不盡用之不竭的特性，必然成為關(guān)注焦點。太陽能供暖系統(tǒng)（SHS）是最常見和最有發(fā)展?jié)撃艿睦孟到y(tǒng)之一，SHS可用于滿足建筑物供暖、用戶日常熱水使用的需求。但是，由于受太陽輻照度的影響太陽能具有固有的間歇性和波動性，SHS可能并不總是滿足供暖需求。系統(tǒng)流量作為太陽能供暖系統(tǒng)重要運(yùn)行參數(shù)之一，可改善系統(tǒng)熱性能滿足供暖需求，同時達(dá)到節(jié)能效果[2]。

文獻(xiàn)[3]比較了低流量和高流量對集熱器在SHS運(yùn)行中的熱性能的影響，認(rèn)為低流量時，可以滿足系統(tǒng)的熱性能要求；文獻(xiàn)[4]確定了光伏集熱器變流量性能和最優(yōu)流量，最優(yōu)流量值下SHS獲得熱效益最大；文獻(xiàn)[2]研究了強(qiáng)制循環(huán)太陽能供暖系統(tǒng)水泵流量優(yōu)化問題，得出流量對系統(tǒng)熱性能、總能量有著重要的影響。

專家們針對太陽能供暖系統(tǒng)其中一個流量研究的較多，即集熱器與儲熱水箱之間回路的流量。文獻(xiàn)[5]對于太陽能供暖系統(tǒng)一次回路流量值進(jìn)行優(yōu)化研究；文獻(xiàn)[6]對二次回路流量的研究提出了他們的計算方法，但并沒有提出其實際值（或簡單的經(jīng)驗值），得出的結(jié)論是沒有最佳的二次回路流量，文獻(xiàn)[7]指出Fanney是以較大的二次回路流量來獲得集熱器的有效熱收益。實際上在較高的二次回路流量下系統(tǒng)存在以下問題，其一水泵的能耗大，其二供、回水溫差很小，系統(tǒng)運(yùn)行在“大流量，小溫差”的狀態(tài)下，顯然不能達(dá)到節(jié)能。針對以上存在問題，運(yùn)用TRNSYS軟件對實驗平臺建模仿真。在嚴(yán)寒地區(qū)典型太陽輻照度下對SHS流量進(jìn)行研究，分析其對系統(tǒng)熱性能、集熱效率的影響。

2 系統(tǒng)概述

采用的太陽能供暖系統(tǒng)（SHS）如圖1所示。是一種適用于寒冷氣候的太陽能供暖系統(tǒng)，由太陽能集熱器、儲熱水箱、循環(huán)水泵、流量測試計、計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，并由PLC對系統(tǒng)運(yùn)行控制。系統(tǒng)各部件相應(yīng)的進(jìn)、出口溫度，采用溫度傳感器、（pt100）渦輪流量計，獲得相應(yīng)位置的水溫和流量。流量和溫度的不確定度分別為±1%和±0.2℃。儲熱水箱—循環(huán)泵P1—循環(huán)管路—集熱器—循環(huán)管路—集熱器，為系統(tǒng)一次回路。儲熱水箱—循環(huán)水泵P2—系統(tǒng)用戶末端—循環(huán)管路—儲熱水箱，為系統(tǒng)二次回路。Gc、Gw分別為系統(tǒng)一次回路流量與二次回路流量值。

圖1 強(qiáng)制太陽能供暖系統(tǒng)Fig.1 Forced Circulation SHS

太陽能系統(tǒng)核心部件集熱器位于包頭市（40.65 N）某建筑的屋頂上，如圖2所示。包頭市2019年1月15日氣象數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 氣象數(shù)據(jù)曲線Fig.3 Meteorological Data Curve

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 集熱器數(shù)學(xué)模型

集熱器效率由穩(wěn)態(tài)Hottel-Whillier方程如下[8]：

式中：Qu—集熱器有效熱量收益，W；Gc—一次回路的流量流速，kg∕s；Ct—流體的比熱容，4.190 kJ∕kg·K；Tco—集熱器出口流體溫度，℃；Tco—集熱器入口流體溫度，℃；A—集熱器集熱面積，m2；It—入射到集熱器的太陽輻射量，kJ∕h·m2。

3.2 儲熱水箱數(shù)學(xué)模型

儲熱水箱的能量平衡表示為：

儲水箱熱損失為：

從儲熱水箱有效得熱量如下式[9]：

式中：Ts—儲熱水箱水溫，℃；Ta—環(huán)境溫度，℃；Q w—集熱水箱有效得熱量，W；Qst—集熱水箱熱損失量，W；t為系統(tǒng)運(yùn)行時間，h；Tco—集熱器出口溫度，℃；Gw—SHS的二次回路流量，kg∕s；Us—水箱內(nèi)水與環(huán)境空氣之間的傳熱系數(shù)；A s—儲熱水箱內(nèi)部表面積，m2；T wo—風(fēng)機(jī)盤管出口水溫，℃；cp—儲熱水箱內(nèi)流體的比熱系數(shù)；Aw—風(fēng)機(jī)盤管的散熱面積，m2；Uw—水箱加權(quán)平均傳熱系數(shù)。

3.3 風(fēng)機(jī)盤管數(shù)學(xué)模型

建筑物通過風(fēng)機(jī)盤管的得熱Q f如下式[10]：

式中：Qf—建筑物通過風(fēng)機(jī)盤管的得熱，W；tn—室內(nèi)空氣溫度，℃；Twi—流體進(jìn)入風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)口溫度，℃。

3.4 系統(tǒng)集熱效率

真空管式太陽能供暖系統(tǒng)集熱效率ηs為[11]：

式中：ηs—太陽能供暖系統(tǒng)集熱效率；Tti—集熱器經(jīng)管路循環(huán)到水箱的入口流體溫度，℃；Tto—儲熱水箱經(jīng)管路循環(huán)到集熱器的出口流體溫度，℃。

4 TRNSYS仿真與實驗驗證

4.1 TRNSYS仿真模型建立

TRNSYS擁有精確的建筑模型，被用于分析建筑負(fù)荷特性，廣泛應(yīng)用于太陽能供暖系統(tǒng)研究中。TRNSYS系統(tǒng)模型，如圖4所示。TRNSYS模型中設(shè)置的主要信息，如表1所示。

表1 仿真模型中的主要信息Tab.1 Main Information in the Simulation Model

圖4 TRNSYS系統(tǒng)模型Fig.4 TRNSYS System Model

4.2 實驗驗證

太陽能供暖系統(tǒng)相關(guān)實驗參數(shù)與表1相同，實驗數(shù)據(jù)采集時間為2019年1月15日，當(dāng)前SHS在Gc=1.6kg∕s（一次回路流量），Gw=0.8kg∕s（二次回路流量）下運(yùn)行。實驗測得的太陽輻照強(qiáng)度與TRNSYS仿真對比曲線，如圖5所示。典型太陽輻照度峰值接近800 kJ∕h·m2。集熱器出口溫度對比曲線，如圖6所示。儲熱水箱出口溫度對比曲線，如圖7所示。

由圖5可知TRNSYS仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)有較好的吻合，尤其峰值處太陽輻照強(qiáng)度基本接近。從圖6可以看出，集熱器的出口溫度實測數(shù)據(jù)與TRNSYS仿真數(shù)據(jù)平均偏差為0.72℃。從圖7可以看出，儲熱水箱出口溫度與TRNSYS數(shù)據(jù)曲線對比平均溫度偏差為2.5℃。

圖5 典型太陽輻照度變化曲線Fig.5 Typical Solar Irradiance Curves

圖6 集熱器出口溫度對比曲線Fig.6 Temperature Comparison Curve of Collector Outlet

圖7 儲熱水箱出口溫度對比曲線Fig.7 Temperature Comparison Curve of Tank Outlet

通過以上對TRNSYS模型與實驗數(shù)據(jù)對比分析，得出TRN‐SYS模型有較好的準(zhǔn)確性。下文將用運(yùn)以上TRNSYS模型研究Gc與Gw的變化對太陽能供暖系統(tǒng)的影響。

5 系統(tǒng)熱性能的分析

由圖7可知，儲熱水箱的最高溫度低于65℃，且在60℃以上的時間維持在4.2h，并不能滿足系統(tǒng)的供熱需求[12]。綜上可知，當(dāng)前流量運(yùn)行下的SHS并不能滿足系統(tǒng)的熱性能要求。由于最佳流量可以改善SHS的熱性能，針對此，對不同一次回路與二次回路流量進(jìn)行研究，目的是提高系統(tǒng)熱性能。運(yùn)用TRNSYS軟件對系統(tǒng)模擬，保留實驗系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，唯一改變的是SHS的流量。不同Gw下，儲熱水箱在一天內(nèi)隨時間變化曲線，如圖8所示。Gc=1.6kg∕s，Gc=1.6kg∕s，集熱器出口溫度在一天內(nèi)隨時間變化曲線，如圖9所示。

圖8 Gc=1.6kg∕s，儲熱水箱出口溫度變化曲線Fig.8 Gc=1.6kg∕s，Temperature Change Curve of Tank Output

圖9 Gc=1.6kg∕s，集熱器出口溫度變化曲線Fig.9 Gc=1.6kg∕s，Temperature Change Curve of Collector Output

由圖8分析得，Gc一定時，儲熱水箱的出口溫度隨Gw先增大后減小，當(dāng)Gw=2.4kg∕s時，儲熱水箱的出口溫度維持在一天內(nèi)最高。不同二次回路流量下，溫度變化曲線的斜率也是不相同的，接近10：00儲熱水箱開始升溫，在16：00以后水箱出口溫度隨時間下降，不同Gw下運(yùn)行的水溫曲線斜率也各不相同，我們觀察到在Gw=2.4kg∕s時，儲熱水箱的溫度從13：00～24：00，水溫維持在60℃以上，熱性能有明顯提高。圖9分析可以看出，集熱器的出口溫度與二次回路流量成反比，流量越低，集熱器的溫度越高。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：較低的二次回路流量，導(dǎo)致集熱器傳輸?shù)絻崴鋬?nèi)的熱量不能夠及時傳輸?shù)接脩裟┒耍瑑崴錅囟壬撸罅繜崃渴茄h(huán)于集熱器與儲熱水箱回路，部分熱量必然損耗于系統(tǒng)管路。與此同時，集熱器也充當(dāng)了散熱的功能，集熱器收集的熱量被損耗。研究發(fā)現(xiàn)，如果二次回路流量運(yùn)行在Gw=2.4kg∕s，集熱器的溫度在（60～84）℃的時間是維持在6h以上的，儲熱水箱熱性能良好。確定最佳的二次回路流量Gw=2.4kg∕s。設(shè)置最佳Gw=2.4kg∕s，分析一次回路流量對系統(tǒng)的影響，如圖10所示。在不同Gc，儲熱水箱在一天內(nèi)隨時間變化曲線，集熱器出口溫度在一天內(nèi)隨時間變化曲線，如圖11所示。

圖10 G w=2.4kg∕s，儲熱水箱出口溫度變化曲線Fig.10 Gw=2.4kg∕s，Temperature Change Curve of Tank Output

圖11 G w=2.4kg∕s，集熱器出口溫度變化曲線Fig.11 Gw=2.4kg∕s，Temperature Change Curve of Collector Output

由圖10可知，Gw=2.4 kg∕s時儲熱水箱的出口溫度維持在60℃以上的時間平均接近9h，熱性能有明顯提升，說明二次最佳回路流量對儲熱水箱出口溫度影響較大。在00：00～10：00無論一次回路流量為多少，儲熱水箱的出口溫度、集熱器出口溫度曲線基本重合，這種現(xiàn)象的原因是，在這個階段太陽輻射量基本接近于0，一次回路的水泵是處于關(guān)閉狀態(tài)的，如果為開啟狀態(tài)，在水泵的動力作用下，儲熱水箱的熱量會傳輸?shù)秸婵展芗療崞鳎瑳]有太陽輻照，熱量被損耗。在10：00～24：00，不同一次回路流量下，曲線大體的變化趨勢是相似的，隨時間儲熱水箱的出口溫度在不同Gc下先增大后減小，當(dāng)Gc=2.8kg∕s時，水箱出口溫度是在一天內(nèi)居于最高的，水溫維持在60℃以上的時間接近12h。由圖11可知，集熱器出口溫度在60℃～85.5℃的時間接近6h，綜上可得，Gc=2.8kg∕s時系統(tǒng)的熱性能是能夠提高的，確定Gc=2.8 kg∕s為最佳一次回路流量。

系統(tǒng)初始運(yùn)行流量與最佳流量值下，系統(tǒng)集熱效率對比曲線，如圖12所示。可以發(fā)現(xiàn)在最佳系統(tǒng)流量下SHS，最大日系統(tǒng)集熱效率為64%，系統(tǒng)日平均效率提高19.72%。

圖12 系統(tǒng)集熱效率Fig.12 Heat Collection Efficiency of The System

集熱器有效熱收益，如圖13所示。分析可知Qu日平均提高3.17kW，說明在最佳流量下，集熱器可為系統(tǒng)末端提供更多的熱量，對比圖12、圖13可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)集熱器有效熱收益增加，系統(tǒng)集熱效率也隨著增加到峰值，隨著有效熱收益的減弱，系統(tǒng)集熱效率變?yōu)?。綜上可知，系統(tǒng)流量可以提高系統(tǒng)集熱效率，增加有效熱收益。

圖13 集熱器有效熱收益Fig.13 System Effective Heat Return

6 結(jié)論

針對當(dāng)前太陽能供暖系統(tǒng)流量運(yùn)行不佳造成的供熱性能不高，能量消耗問題，以內(nèi)蒙古某太陽能供暖系統(tǒng)為研究對象，利用TRNSYS建模仿真，分析了系統(tǒng)流量對系統(tǒng)熱性能的影響。具體結(jié)論如下：

（1）系統(tǒng)運(yùn)行流量對系統(tǒng)集熱效率、集熱器有效熱收益、儲熱水箱熱性能有一定影響。

（2）一次回路流量對儲熱水箱的熱性能影響較弱，二次回路流量對集熱器的熱性能影響較弱。

對當(dāng)前SHS確定了一次回路最佳流量Gc=2.8kg∕s，二次回路最佳流量Gw=2.4 kg∕s，系統(tǒng)運(yùn)行在最佳流量下，系統(tǒng)集熱效率平均提高19.72%，集熱器有效熱收益平均增加3.17kW。

綜上可知，流量的調(diào)節(jié)可提高太陽能供暖系統(tǒng)的熱性能，節(jié)約能量，研究成果可進(jìn)一步為太陽能供暖系統(tǒng)的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。