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(1.甘肅省建材科研設(shè)計院，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省低能耗建筑技術(shù)重點實驗室，甘肅 蘭州 730020)

0 引言

太陽能資源是重要的清潔可再生能源之一，其中，太陽能光熱利用相關(guān)技術(shù)一直是國內(nèi)外研究的熱點，尤其是在建筑供能領(lǐng)域。近幾年，為進一步發(fā)展建筑采暖低碳化，主動式太陽能光熱利用已經(jīng)逐步面向建筑采暖領(lǐng)域開展。在政策扶持方面，國家制定了一系列諸如《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》、《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》等，明確指出農(nóng)村太陽房及太陽能采暖是未來重要發(fā)展方向之一[1-2]。

由于太陽能具有不連續(xù)及輻照量不穩(wěn)定的特點，因此若要實現(xiàn)較高的太陽能保證率，需要在太陽能供熱系統(tǒng)中增加足夠容量的儲熱單元[3]。儲熱系統(tǒng)根據(jù)儲熱材料的不同可分為顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學(xué)反應(yīng)儲熱[4]。其中，水體顯熱儲熱具有成本低、操作簡單、傳熱效率高等優(yōu)點，是目前最常用的儲熱方式，但其儲熱密度小且放熱時溫度不恒定，尤其是短周期水體儲熱存在熱損系數(shù)大的缺點。相變材料儲熱具有體積膨脹率小、儲熱效率高、儲能密度大、儲熱溫度區(qū)間可調(diào)等優(yōu)點，但其換熱特性差，常見的相變儲熱系統(tǒng)普遍存在“儲不進去、放不出來”的問題[5]；毛前軍等[6]采用數(shù)值模擬方法研究了中低溫環(huán)境下太陽能相變蓄熱系統(tǒng)的傳熱特性，獲得了不同蓄熱截面的溫度變化趨勢；李曉燕等[7]對球殼模型下相變材料的蓄能過程進行了動態(tài)研究。顯熱—潛熱聯(lián)合儲熱系統(tǒng)能夠綜合兩者的優(yōu)點，通過儲熱溫度的耦合，最大限度實現(xiàn)儲熱的連續(xù)化、均勻化，因而在太陽能建筑供暖等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 采暖建筑概況

1.1 地理位置

該采暖建筑位于甘肅省蘭州市永登縣，屬寒冷A區(qū)，年平均氣溫為5.9 ℃，采暖季為11月1日～3月31日共5個月，采暖季平均室外氣溫為-5.9 ℃。

1.2 建筑概況

該單體建筑為綠色建筑示范工程，地下一層，地上二層?？偨ㄖ娣e216.81 m2，地上建筑面積184.92 m2(采暖面積)，地下建筑面積31.89 m2，建筑高度6.9 m。

圖1為降低示范工程的能耗，提高太陽能采暖保證率，對建筑本體應(yīng)用了各項節(jié)能技術(shù)。

1.2.1 建筑本體節(jié)能技術(shù)

建筑物的圍護結(jié)構(gòu)保溫構(gòu)造：

(1)外墻采用微孔輕質(zhì)多功能復(fù)合保溫砌塊，外貼50 mm厚XPS，傳熱系數(shù)小于0.28 W/(m·℃)；

(2)屋面采用100 mm厚XPS，傳熱系數(shù)小于0.26 W/(m·℃)；

(3)地面采用500 mm厚陶?；炷帘貙樱瑐鳠嵯禂?shù)小于0.43 W/(m·℃)；

(4)外窗采用斷熱橋中空雙層玻璃鋁合金窗。

圖1 采暖建筑

1.2.2 被動式技術(shù)

圖2在建筑物向陽面設(shè)置了15.26 m2陽光間，選用高透過低輻射的Low-E玻璃制作成78.21 m2的太陽能暖廊，讓太陽光中短波全部透過而阻擋室內(nèi)長波向外輻射，提高直接受益式太陽能的利用率[8]；地面鋪設(shè)卵石蓄熱層，提高接收外界輻射熱量和減少向外輻射熱量。

1.3 采暖系統(tǒng)概況

供暖熱源采用太陽能與地源熱泵互補的方式，末端采用低溫?zé)崴匕遢椛洹Ｌ柲芟到y(tǒng)采用熱管式真空管集熱器，總面積25.36 m2，總輪廓采光面積20.48 m2，工作介質(zhì)為防凍液，系統(tǒng)為間接式系統(tǒng)，防凍液經(jīng)板式換熱器換熱，換熱后的熱水經(jīng)儲熱箱儲熱，由循環(huán)泵供給采暖；地源熱泵機組的制熱功率為30.5 kW，換熱孔深度100 m，換熱孔數(shù)量為10眼[9]。

2 組合式儲熱系統(tǒng)設(shè)計

2.1 相變材料選取

由于本項目建筑采用地板輻射采暖，所需的溫度儲存區(qū)間為40～60 ℃，綜合考慮儲熱密度、物理化學(xué)性質(zhì)、成本增量等因素，選取石蠟作為儲熱材料。石蠟的密度約為0.9 g/mL。

考慮到儲熱應(yīng)用對材料的純度要求不高以及后續(xù)的工程化推廣，本項目采用市售工業(yè)用石蠟。對購買得到的樣品進行了DSC分析，測試條件為起始溫度30 ℃，Δt=2 ℃/min，氦氣氛圍。測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 石蠟樣品的DSC分析曲線

從圖中看到，該樣品升溫過程的熔化起始點為54.1 ℃，終止點為56.1 ℃。但是降溫過程的熔點溫度出現(xiàn)了6.6 ℃的偏差。這可能是由于在此測試條件下，處于氦氣氛圍中，導(dǎo)熱系數(shù)低造成的。為此，進行了在石蠟中添加質(zhì)量分數(shù)3%的石墨粉的導(dǎo)熱增強實驗，并在同等條件下測試了DSC曲線，如圖3所示。從圖中可以看出，添加石墨粉的樣品相變焓為158.5 J/g，相變溫度為49.1～59.0 ℃，降溫過程與升溫過程的熔點溫度差為4 ℃，比不添加石墨的純樣品減小了2.6 ℃。

由實驗得出，石蠟儲熱材料在實際應(yīng)用中必須采用增強導(dǎo)熱的措施，一般采用添加高熱導(dǎo)率材料如銅粉、鋁粉或石墨粉等作為填充物以提高熱導(dǎo)率，來提高傳熱性能。

2.2 儲熱體設(shè)計

2.2.1 儲熱系統(tǒng)組成

儲熱系統(tǒng)由兩部分組成：儲熱水箱和相變儲熱體，二者串聯(lián)連接，如圖3所示。

2.2.2 相變儲熱體

相變儲熱體外形呈長方體，設(shè)計儲熱量為35 MJ，尺寸為L*W*H=2 000×1 000×800 mm，體積1.6 m3，固定安裝在室內(nèi)的混凝土底座上。箱體內(nèi)部按65%的體積比放置儲熱球體，共有3 041個儲熱球體，共使用了220 kg石蠟。儲熱體的一側(cè)下端為流體入口，另一側(cè)上端為流體出口，相變儲熱體采用聚氨酯絕熱材料保溫。儲熱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

儲熱球外殼為PC材質(zhì)，球體直徑為65.5 mm。每個球體中按70%的體積比封裝石蠟72.35 g，儲熱材料中均勻混合了質(zhì)量分數(shù)為3%的石墨粉，采用熱封裝的方式。由于球體呈規(guī)則多面體，所以擺放時能夠在實現(xiàn)盡可能密堆積的同時，留出換熱流體通過的空隙，有利于相變材料的充放熱。儲熱球體如圖5所示。

圖3 組合式儲系統(tǒng)

圖4 相變儲熱箱結(jié)構(gòu)

圖5 封裝了儲熱材料的儲熱球體

2.2.3 儲熱水箱

儲熱水箱的容積為1 m3，水箱外殼用聚氨酯絕熱材料保溫，最大限度地降低熱損。

2.3 控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)在太陽能熱水系統(tǒng)中央控制器的基礎(chǔ)上，增加了地源熱泵和儲熱系統(tǒng)控制模塊，實現(xiàn)水溫水位顯示、溫差循環(huán)、自動補水、定溫循環(huán)等功能，實現(xiàn)自動連續(xù)穩(wěn)定供暖。通過在用戶側(cè)設(shè)定房間控制溫度以及水箱供水溫度，實現(xiàn)對系統(tǒng)的運行控制，同時能夠記錄組合式儲熱體出口溫度、室內(nèi)空氣溫度等溫度數(shù)據(jù)。運行控制策略如下。

2.3.1 溫差強制循環(huán)

集熱器出口與水箱溫差ΔT1≥5 ℃(可調(diào))時，集熱循環(huán)泵啟動，防凍液進入水箱中的板式換熱器換熱，使水箱中的水升溫；ΔT2<3 ℃(可調(diào))時，泵停止。

2.3.2 采暖循環(huán)

當(dāng)末端室內(nèi)溫度低于設(shè)定值時，啟動采暖循環(huán)泵，由儲熱箱熱水向采暖末端供暖。

2.3.3 輔助熱源循環(huán)

當(dāng)水箱中的水溫低于40 ℃(可調(diào))時，開啟地源熱泵側(cè)閥門，由地源熱泵機組提供采暖熱源。

2.3.4 儲熱體充熱循環(huán)

從水箱中出來的高溫水進入儲熱體，儲熱體吸收熱量后溫度升高。從儲熱體出來的低溫水回到水箱中，再次由太陽能和熱泵提供的熱量加熱，如此循環(huán)。

2.3.5 儲熱體取熱循環(huán)

夜間或太陽光照不足時，進行取熱。從水箱中出來的低溫水首先進入儲熱體，吸收熱量后溫度升高。從儲熱體出來的高溫水進入采暖系統(tǒng)放熱，溫度降低。放熱后的水再進入水箱中，如此循環(huán)。

3 系統(tǒng)性能測試

3.1 測試方案(見表1)

表1測試方案

測試項目測試時間測試方法測試依據(jù)太陽能系統(tǒng)集熱量;地源熱泵系統(tǒng)供熱量;采暖耗熱量。通過計算末端供熱量與熱源端得熱量的比值,即可得到水—相變材料儲熱系統(tǒng)的儲熱效率。2016年11月～2017年2月采用長期測試方法,能量流測試在采暖期開始供暖、并且系統(tǒng)達到熱穩(wěn)定后進行。測試方案及測試點布置如圖6所示(不代表實際連接方式)。GB/T 50801-2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標(biāo)準》[10];系統(tǒng)設(shè)計圖紙與設(shè)計方案文件及相關(guān)設(shè)備技術(shù)資料等文件。

圖6 系統(tǒng)測試方案

3.2 儀器設(shè)備

3.3 數(shù)據(jù)分析方法

依據(jù)熱平衡原理，儲熱系統(tǒng)熱平衡方程為

Qhs=Qs+Qp-Qt-Ql

(1)

式中Qhs——儲熱系統(tǒng)內(nèi)能變化/kJ；

Qs——太陽能系統(tǒng)的有效供熱量/kJ；

Qp——地源熱泵機組的有效供熱量/kJ；

Qt——向末端的供熱量/kJ；

Ql——儲熱系統(tǒng)的熱損失，包括熱水通過壁面的熱損、水體蒸發(fā)熱損、補水造成的混合熱損，以及相變材料在充放熱過程中由于放熱不完全導(dǎo)致的熱損失/kJ。

表2主要檢測設(shè)備

序號測量物理量設(shè)備名稱圖片 設(shè)備性能參數(shù)備注1熱量超聲波組合式熱量表儀表量程:溫度10～130 ℃;溫差限0.1～180 ℃;供熱計量起始溫差>0.05 ℃儀表分辨率:溫度0.1 ℃,流量0.1%流量值存儲溫度:0～60 ℃測量周期:每30 s(外接電源每4 s)存儲:實時輸出根據(jù)直管段距離要求安裝,分別安裝在太陽能集熱系統(tǒng)回水管、熱泵供水管以及供熱末端回水管上。2室內(nèi)外環(huán)境溫度溫濕度自計議儀表分辨率:溫度0.1 ℃;濕度0.1%RH儀表量程:溫度-40～100 ℃;濕度0～100%RH儀表不確定度:溫度0.5 ℃;濕度3%儀表工作環(huán)境溫度:0～50 ℃儀表工作環(huán)境濕度:10%～90%RH存儲容量:15 000組數(shù)據(jù)。室外空氣溫度測點放置于建筑北側(cè),無太陽直射處。室內(nèi)溫度測點放置于遠離墻壁、門窗、內(nèi)熱源位置,測點高度距地1.3～1.5 m。

太陽能集熱側(cè)向水箱的有效供熱量由下式計算得到：

(2)

式中cr——工質(zhì)(防凍液)的比熱/kJ·(kg·℃)-1，取3.56 kJ/(kg·℃)；

ρr——工質(zhì)(防凍液)的密度/kg·m-1，取1.06×103kg/m3；

Vsi——第i次記錄的太陽能集熱側(cè)的流量/m3·s-1；

tsii——第i次記錄的太陽能集熱側(cè)的水箱進口溫度/℃；

tsoi——第i次記錄的太陽能集熱側(cè)的水箱出口溫度/℃；

Δτsi——數(shù)據(jù)采集步長/s。

地源熱泵側(cè)向水箱的有效供熱量由式(3)計算得到

(3)

式中cw——工質(zhì)(水)的比熱/kJ·kg·℃-1，取4.2 kJ/(kg·℃)；

ρw——工質(zhì)(水)的密度/kg·m-3，取1×103kg/m3；

Vpi——第i次記錄的地源熱泵側(cè)的流量/m3·s-1；

tpii——第i次記錄的地源熱泵側(cè)的水箱進口溫度/℃；

tpoi——第i次記錄的地源熱泵側(cè)的水箱出口溫度/℃；

Δτpi——數(shù)據(jù)采集步長/s。

向末端的供熱量由下式計算得到

(4)

式中Vti——第i次記錄的末端側(cè)水的流量/m3·s-1；

ttoi——第i次記錄的末端側(cè)水箱出口溫度/℃；

ttii——第i次記錄的末端側(cè)水箱進口溫度/℃；

Δτti——數(shù)據(jù)采集步長/s。

3.4 測試結(jié)果

3.4.1 典型日測試數(shù)據(jù)

選取11月24日、12月13日和1月5日作為典型日，分別代表供暖初期、較冷月、最冷月的情況。太陽能集熱系統(tǒng)進出口溫度及流量變化、地源熱泵系統(tǒng)進出口溫度及流量變化、末端供回水溫度及流量變化分別如圖7～圖9所示。

圖7 典型日太陽能集熱系統(tǒng)進出口水溫及流量

3.4.2 能量流分析

根據(jù)累計熱量分析計算，得到各月份統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示。

表3各月份累計能量流統(tǒng)計表

注：1太陽能集熱器供熱量=太陽能集熱器供入水箱的累計熱量；2地源熱泵機組供熱量=地源熱泵機組供入水箱的累計熱量；3末端供熱量=通過散熱器供入室內(nèi)的累計熱量；4系統(tǒng)總供熱量=太陽能集熱器供熱量+地源熱泵機組供熱量；5儲熱系統(tǒng)熱損失=系統(tǒng)總供熱量-末端供熱量；6儲熱效率=末端供熱量/系統(tǒng)總供熱量。

3.4.3 室內(nèi)外溫度

11月～2月房間平均室溫見表4。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，房間室內(nèi)溫度變化幅度較小，熱舒適度較好。

表4室內(nèi)環(huán)境溫度

11月～2月的室內(nèi)外溫度變化如圖10所示。

圖8 典型日地源熱泵系統(tǒng)進出口水溫及流量

圖9 典型日末端供回水溫度及流量

圖10 室內(nèi)外環(huán)境溫度變化

4 結(jié)論

(1)水—相變材料儲熱系統(tǒng)的儲熱效率達到51.65%。

(2)通過合理匹配儲熱系統(tǒng)，可再生能源系統(tǒng)能夠滿足寒冷地區(qū)單體建筑采暖的全部需求。

(3)當(dāng)?shù)刈罾湓?1月份)室內(nèi)平均溫度可達到14 ℃，11月～2月平均室內(nèi)溫度達到16.54 ℃，并且室內(nèi)溫度維持恒定。表明帶有短周期儲熱系統(tǒng)的可再生能源系統(tǒng)供暖效果較好。

研究證明，在建筑本體節(jié)能的基礎(chǔ)上，采用帶有水—相變材料儲熱的可再生能源系統(tǒng)為寒冷地區(qū)單體建筑供暖具有可行性。