王瓊高軍于水利

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

2同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

21世紀(jì)以來(lái)，化石燃料燃燒后造成的環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯[1]。太陽(yáng)能作為一種取之不盡、無(wú)任何污染的可再生能源，無(wú)疑具有極大的發(fā)展?jié)摿?。我?guó)具有豐富的太陽(yáng)能資源，太陽(yáng)能年輻照總量超過(guò)5000 MJ/m2·a[2]，但是太陽(yáng)能具有間斷性和不穩(wěn)定性，不僅隨晝夜、季節(jié)、維度、海拔等因素的規(guī)律性變化，還受天氣影響的隨機(jī)性變化[3]。因此太陽(yáng)能需要與其他穩(wěn)定的常規(guī)能源聯(lián)合使用，在最大化發(fā)揮太陽(yáng)能優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低運(yùn)行成本[4]。復(fù)合式太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)在生活熱水和采暖中的應(yīng)用較多[5-7]，在某些工業(yè)生產(chǎn)（如海水淡化等）中，需要24 h連續(xù)不斷提供穩(wěn)定負(fù)荷，本文將對(duì)幾種常見(jiàn)的太陽(yáng)能復(fù)合供熱系統(tǒng)在24 h連續(xù)提供穩(wěn)定負(fù)荷的工況下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。對(duì)經(jīng)濟(jì)性較好的系統(tǒng)討論比較不同供水溫度，集熱器面積和水箱體積對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響，為此類技術(shù)在今后的工程應(yīng)用提供參考。

1 太陽(yáng)能復(fù)合熱源控制系統(tǒng)

圖1為兩種太陽(yáng)能復(fù)合熱源系統(tǒng)的原理圖。圖1（a）在太陽(yáng)能集熱器的出入口設(shè)置溫度檢測(cè)器，當(dāng)出口溫度高于入口溫度時(shí)，閥門1打開(kāi)，回水流經(jīng)集熱器進(jìn)行集熱，當(dāng)出口溫度低于入口溫度時(shí)，閥門1關(guān)閉，閥門2打開(kāi)，回水直接進(jìn)入蓄熱水箱。水箱內(nèi)置溫度測(cè)點(diǎn)，當(dāng)水箱內(nèi)溫度低于設(shè)定下限時(shí)，輔助熱源啟動(dòng)對(duì)水箱進(jìn)行加熱，直到水箱內(nèi)溫度到達(dá)設(shè)定溫度。圖1（b）有兩種運(yùn)行模式：串聯(lián)和并聯(lián)，在太陽(yáng)能集熱器的出入口設(shè)置溫度檢測(cè)器。串聯(lián)使用時(shí)，當(dāng)出口溫度高于入口溫度時(shí)，打開(kāi)閥門3，回水流經(jīng)集熱器進(jìn)行集熱，當(dāng)集熱器出口水溫高于設(shè)定溫度時(shí)，閥門1、3開(kāi)啟，閥門2、4關(guān)閉，此時(shí)太陽(yáng)能充足。當(dāng)出口水溫度低于設(shè)定值時(shí)，開(kāi)啟閥門2關(guān)閉閥門1進(jìn)行熱源切換，此時(shí)太陽(yáng)能不足需要加入輔助熱源進(jìn)行串聯(lián)。當(dāng)太陽(yáng)能集熱器出口溫度低于入口溫度時(shí)，關(guān)閉閥門1、2、3，開(kāi)啟閥門4，水不流經(jīng)集熱器，而是直接通過(guò)輔助熱源進(jìn)行加熱，可以減少管路損失。并聯(lián)使用時(shí)，當(dāng)出口溫度高于入口溫度時(shí)，打開(kāi)閥門1、3、4，關(guān)閉閥門2，系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)回水分別經(jīng)太陽(yáng)能集熱器和生物質(zhì)熱水鍋爐加熱（通過(guò)管路閥門的開(kāi)度、調(diào)節(jié)適宜回水流量的分配值）后流入蓄熱水箱。當(dāng)太陽(yáng)能集熱器出口溫度低于入口溫度時(shí)，與串聯(lián)相同直接由輔助熱源加熱。

圖1（a）系統(tǒng)以水箱溫度為控制對(duì)象，圖1（b）的串聯(lián)模式以集熱器出口水溫為控制對(duì)象，并聯(lián)模式以分流比（流經(jīng)輔助熱源的回水流量與系統(tǒng)總回水流量的比值）R為控制對(duì)象。幾種系統(tǒng)都可以充分利用太陽(yáng)能，并自動(dòng)切換熱源，自動(dòng)蓄熱，可以提供穩(wěn)定的負(fù)荷，并且24 h連續(xù)運(yùn)行，通過(guò)設(shè)置不同的溫度還可以切換不同的供水溫度。對(duì)于太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)而言，為了彌補(bǔ)太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性和間斷性，蓄熱往往是必要的條件，即把太陽(yáng)能集熱器在晴朗白天吸收的部分太陽(yáng)輻射能儲(chǔ)存起來(lái)，以備夜間或陰雨天使用。蓄熱水箱起到了良好的熱量平衡作用[8]。

本文以天津市為研究地區(qū)，天津市屬于日照豐富區(qū)，全年逐月太陽(yáng)輻射量如圖2所示。其中5月太陽(yáng)輻射量最高，11月-1月太陽(yáng)輻射量較低。

圖1 太陽(yáng)能復(fù)合熱源控制原理圖

圖2 天津市月太陽(yáng)輻射量

2 數(shù)學(xué)模型

利用TRNSYS[9]軟件進(jìn)行模擬，計(jì)算太陽(yáng)能與輔助熱源分別提供的熱量，并進(jìn)行討論。TRNSYS由于采用了模塊化結(jié)構(gòu)，多種部件可以靈活連接，并且擁有精確的控制器模型，這為太陽(yáng)能復(fù)合熱源控制系統(tǒng)的模擬仿真提供了條件。

2.1 集熱器模型

在相同的周圍環(huán)境條件和工作溫度下，真空管集熱器的熱損較小。真空管集熱器適用于寒冷地區(qū)[10]，Hazim[11]認(rèn)為雖然真空管集熱器初始投資成本高，但是運(yùn)行成本相對(duì)較低，因此選用熱管式真空管集熱器。天津緯度為39.1°，最佳傾角為44.1°，為方便設(shè)計(jì)，選取傾角為45°。

集熱器的瞬時(shí)效率方程：

式中：a0、a1、a2為常數(shù)，由集熱器性能決定；Ti為集熱器入口溫度，K；Ta為環(huán)境溫度，K；I為太陽(yáng)能集熱器總輻射，kJ/(h·m2)

2.2 水箱模型

由于冷熱水密度不同，水箱內(nèi)會(huì)存在分層，即水箱下部分水溫較低而上部分水溫較高。水箱采用分層模型。水箱內(nèi)設(shè)置泄壓閥以解決沸騰效應(yīng)。水箱溫度最高值設(shè)定為95℃，當(dāng)溫度高于95℃時(shí)，排氣將釋放足夠的能量以保持水箱處于該溫度。由于排氣而導(dǎo)致的質(zhì)量損失被忽略。能量損失視為對(duì)環(huán)境的能量損失。圖1（a）系統(tǒng)設(shè)定輔助熱源的啟動(dòng)溫差為5℃，即當(dāng)設(shè)置的出水溫度為85℃時(shí)，當(dāng)水箱內(nèi)水溫低于80℃時(shí)開(kāi)啟輔助熱源對(duì)水箱進(jìn)行加熱，達(dá)到85℃時(shí)停止加熱。水箱內(nèi)水溫變化如下：

式中：Ts+為t+△t時(shí)刻水箱內(nèi)的水溫，K；Ts為t時(shí)刻水箱內(nèi)的水溫，K；m為水箱內(nèi)水的質(zhì)量，kg；Cp為水的比熱容，取4.19 kJ/(kg·K)；Qu為集熱器和輔助熱源存儲(chǔ)的熱量，kJ；Qloss為熱損失，kJ；Qload為供給系統(tǒng)的熱負(fù)荷，kJ。

2.3 太陽(yáng)能系統(tǒng)優(yōu)化

從低碳環(huán)保、節(jié)能減排的角度考慮，應(yīng)該盡可能多地使用太陽(yáng)能，即增大太陽(yáng)能系統(tǒng)的面積，但是一味增大集熱器面積會(huì)導(dǎo)致集熱器成本上升，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)合理設(shè)計(jì)太陽(yáng)能集熱器的面積，使系統(tǒng)有更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。在太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)中，集熱器的造價(jià)占總造價(jià)的比例較高，因此對(duì)集熱器面積優(yōu)化的研究得到了重視[12]。

由于采用了太陽(yáng)能而減少常規(guī)能源消耗所帶來(lái)的收益，可按下式計(jì)算：

式中：n為太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)壽命，年；p為補(bǔ)充常規(guī)能源價(jià)格，元/MJ；Qs為太陽(yáng)能提供的能量，M J/m2；A為太陽(yáng)能集熱器面積，m2。

一般情況下，水箱體積越大可以存儲(chǔ)的熱量就越多，但是同時(shí)水箱的成本會(huì)上升，且所占空間增大。因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)合理設(shè)計(jì)水箱體積。同時(shí)不同的供水溫度也會(huì)影響水箱的蓄熱能力。

水箱成本由表1給出。

表1 水箱成本表

太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)的凈收益為：

式中：Z為單位面積太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)造價(jià)，取1200元/m2；Stank為水箱成本，元。

由分析可知，太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)的凈收益受集熱器面積，水箱體積和供水溫度的影響，太陽(yáng)能系統(tǒng)凈收益最大時(shí)對(duì)應(yīng)的集熱器面積稱為最優(yōu)集熱器面積。

2.4 經(jīng)濟(jì)性比較

在幾種工況下對(duì)兩種系統(tǒng)的三種運(yùn)行模式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。結(jié)果由表2所示，其中并聯(lián)模式選取分流比R=0.5，在±5℃的溫度波動(dòng)范圍內(nèi)，水溫全年保證率為78%，在24 h連續(xù)提供穩(wěn)定負(fù)荷時(shí)并聯(lián)模式需要增大分流比，此時(shí)太陽(yáng)能的利用率較低。

表2 不同運(yùn)行模式凈收益對(duì)比

由表2可以看出，相同工況下系統(tǒng)1a的凈收益更大，因此選擇圖1（a）的系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)匹配計(jì)算，并聯(lián)模式隨集熱器面積的增大凈收益降低，這是由于太陽(yáng)能利用率增加較小，不足以彌補(bǔ)成本的增加。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 供水溫度和集熱器面積的影響

圖3為系統(tǒng)以燃?xì)庾鳛檠a(bǔ)充能源（價(jià)格2.77元/m3）條件下，穩(wěn)定提供64 kW負(fù)荷時(shí)不同供水溫度下的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)凈收益與集熱器面積的關(guān)系，此時(shí)水箱體積為10m3。由圖可以看出，當(dāng)集熱器面積較小時(shí)，集熱器面積越大太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)凈收益越高。當(dāng)集熱器面積繼續(xù)增加時(shí)，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)凈收益開(kāi)始下降，此時(shí)減少常規(guī)能源消耗帶來(lái)的收益小于集熱器成本的上升。這是由于水箱體積一定時(shí)，在太陽(yáng)能輻射量較高的月份（如5月、6月、7月），較大的集熱器面積會(huì)使水箱出現(xiàn)過(guò)熱，當(dāng)水箱內(nèi)溫度到達(dá)95℃時(shí)，不會(huì)再進(jìn)行熱量的存儲(chǔ)。在熱源溫度為85℃時(shí)，與使用1000m2集熱器面積相比，凈收益可從54萬(wàn)元增加至76萬(wàn)元，可提高42%。在對(duì)比不同熱源溫度下的凈收益可以看出，供水溫度越低，凈收益越高，在集熱器面積為700m2時(shí)，凈收益可由76萬(wàn)元增加至150萬(wàn)元，提高97%。供水溫度改變系統(tǒng)最大收益對(duì)應(yīng)的集熱器面積為500m2左右。在不同供水溫度下，雖然凈收益相差較大，但是對(duì)應(yīng)的最優(yōu)集熱器面積基本相同，這表明此系統(tǒng)在提供不同溫度熱水時(shí)，無(wú)需更改集熱器面積就可使太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)有較好的經(jīng)濟(jì)性，因此適用范圍較廣。

圖3 不同集熱器面積與凈收益的關(guān)系

3.2 水箱體積的影響

圖4為系統(tǒng)以燃?xì)庾鳛檠a(bǔ)充能源條件下，穩(wěn)定提供64 kW負(fù)荷時(shí)水箱體積對(duì)集熱器系統(tǒng)凈收益的影響。當(dāng)集熱器面積為100m2時(shí)，水箱體積越大凈收益越低，此時(shí)太陽(yáng)能集熱器蓄熱量較少，增大水箱體積增大了水箱成本，是總收益降低。集熱器面積增大，凈收益隨水箱體積的增大而增加，增加幅度較小，當(dāng)集熱器面積為500 m2時(shí)，水箱體積從10 m3提高到50m3，凈收益由82萬(wàn)增加到87萬(wàn)，僅提高7%，此時(shí)改變水箱體積對(duì)凈收益沒(méi)有顯著影響，在實(shí)際使用中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的水箱體積。因此在研究供水溫度和集熱器面積對(duì)凈收益的影響時(shí)選取不同的水箱體積對(duì)最優(yōu)集熱器面積的影響較小。

圖4 不同水箱體積與凈收益的關(guān)系

3.3 負(fù)荷改變的影響

上述研究表明，在負(fù)荷一定時(shí)，最優(yōu)集熱器面積和水箱體積均可以提前進(jìn)行選擇和優(yōu)化，接下來(lái)將進(jìn)一步對(duì)負(fù)荷變化的情況進(jìn)行模擬研究。

圖5為以燃?xì)庾鳛檠a(bǔ)充能源條件下，供水溫度75℃，水箱體積30m3時(shí)，凈收益與負(fù)荷的變化關(guān)系。由圖中可以看出，當(dāng)負(fù)荷小幅度波動(dòng)時(shí)，最大凈收益對(duì)應(yīng)的集熱器面積基本相同，仍在500m2左右，且負(fù)荷越大凈收益越高，此時(shí)太陽(yáng)能集熱器的熱損失較低。

圖5 不同負(fù)荷與凈收益的關(guān)系

4 結(jié)論

1）本文使用TRNSYS對(duì)幾種太陽(yáng)能復(fù)合熱源系統(tǒng)在24 h連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行工況下進(jìn)行模擬，并通過(guò)成本計(jì)算對(duì)比太陽(yáng)能系統(tǒng)的凈收益，結(jié)果表明，通過(guò)監(jiān)測(cè)蓄熱水箱溫度控制輔助熱源的啟停具有更好的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

2）供水溫度和集熱器面積對(duì)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的凈收益影響較大，供水溫度越低凈收益越大，對(duì)于不同的供水溫度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)集熱器面積基本相同。在不確定供水溫度的情況下，可以先對(duì)集熱器面積進(jìn)行優(yōu)化，即使在供水溫度需要改變時(shí)，也無(wú)需對(duì)集熱器面積進(jìn)行改變，就可以繼續(xù)保持較高的收益。

3）水箱體積對(duì)凈收益的影響較小，可以結(jié)合實(shí)際進(jìn)行選擇。如果有較大的空間，可以采用較大體積的水箱實(shí)現(xiàn)更高的收益，即使空間較小選用小體積的水箱，也不會(huì)對(duì)收益產(chǎn)生較大的影響。

4）負(fù)荷在小幅度內(nèi)波動(dòng)對(duì)最優(yōu)集熱器面積的影響較小，且負(fù)荷越大凈收益越高。因此當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷確定時(shí)，可以對(duì)集熱器面積進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行水箱體積的選擇，在變供水溫度和變負(fù)荷的情況下仍具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

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