董昌偉 趙斌，** 馮婧恒 盧大為 劉誠鵬

（1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210；2.西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 拉薩 850001）

受限于化石燃料資源的匱乏及生態(tài)環(huán)境的脆弱，無法建立大規(guī)模熱電聯(lián)產(chǎn)的燃煤電站進(jìn)行供熱，使得西藏地區(qū)居民供暖方式受到制約［1-3］。西藏地區(qū)太陽能極其豐富，年均輻射量6000-8000 MJ/m2，年均日照約3000 h且穩(wěn)定度高［4，5］。太陽能作為未來能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，主要分為光伏發(fā)電與太陽能熱利用，太陽能供熱是把太陽輻射能作為熱源的一種既節(jié)約資源又滿足環(huán)保要求的綠色供熱方式［6，7］。然而，太陽能具有不穩(wěn)定性和間歇性的特點(diǎn)，在特殊天氣等情況下不能滿足用戶的供熱需求［8，9］。因此，采用多能互補(bǔ)的供熱方式構(gòu)成西藏自治區(qū)的供熱熱源，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個層面考慮均是最佳的選擇［10］。

太陽能分布式供熱系統(tǒng)可有效地提高太陽能保證率，且燃?xì)獗趻鞝t等輔助熱源可克服太陽能不連續(xù)的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)藏區(qū)居民冬季持續(xù)穩(wěn)定供熱［11，12］。文章結(jié)合西藏帶補(bǔ)燃的太陽能分布式供熱系統(tǒng)進(jìn)行了供熱調(diào)試試驗(yàn)，從一次網(wǎng)、二次網(wǎng)日溫度變化對系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行分析，為該系統(tǒng)在藏區(qū)的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

1 供熱系統(tǒng)集成

1.1 系統(tǒng)簡介

以西藏自治區(qū)能源研究示范中心辦公樓供熱為例，建設(shè)一套供熱面積不低于570m2帶補(bǔ)燃的太陽能供熱系統(tǒng)，太陽能使用率不低于70%.帶補(bǔ)燃的太陽能分布式供熱系統(tǒng)將太陽能作為主要熱源、燃?xì)庾鳛檩o助熱源，天然氣可在太陽能不滿足需求的情況下為系統(tǒng)提供熱源支持，是太陽能和燃?xì)獾淖罴疡詈戏绞剑?3，14］。同時，蓄熱水箱既可以克服太陽能的缺點(diǎn)，又可降低常規(guī)能源消耗和保護(hù)環(huán)境［15，16］。此系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 帶補(bǔ)燃的太陽能分布式供熱系統(tǒng)工作原理圖

1.2 主要設(shè)備

1.2.1 平板集熱器。在太陽能供熱系統(tǒng)中平板集熱器按一定傾角放置，陽光穿過蓋板入射到涂有選擇性涂層的吸熱板上，其中吸熱板收集大多數(shù)輻射能，轉(zhuǎn)化為熱能。此系統(tǒng)選用了15塊大平板和兩種厚度的各3塊小平板集熱器。大、小平板集熱器主要技術(shù)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 大平板集熱器技術(shù)參數(shù)

表2 小平板集熱器技術(shù)參數(shù)

1.2.2 蓄熱水箱。太陽能利用過程中蓄熱主要為彌補(bǔ)太陽能的不連續(xù)性帶來的影響，將吸收的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能儲存?zhèn)溆?。此系統(tǒng)選用一個直立的圓柱體承壓蓄熱水箱，其技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 蓄熱水箱技術(shù)參數(shù)

1.2.3 燃?xì)獗趻鞝t。此系統(tǒng)選用2臺型號為LN1GBQ50-NCN52HD冷凝式燃?xì)獗趻鞝t作為輔助熱源，其主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 燃?xì)獗趻鞝t技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由于系統(tǒng)處于試運(yùn)行階段，燃?xì)獗趻鞝t已安裝完畢但沒有進(jìn)行調(diào)試，而蓄熱水箱由于環(huán)境溫度較低無法進(jìn)行發(fā)泡保溫，故現(xiàn)在兩者均未投入運(yùn)行。從2017年11月1日開始調(diào)試，12月6日實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)依靠于太陽能平板集熱器為單一熱源的初步供熱，供熱效果較為理想，辦公樓各個房間暖氣片在太陽能工作期間均能達(dá)到理想溫度，白天辦公樓室內(nèi)溫度維持在20℃達(dá)7h左右（選取12月30日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析）。

2.1 太陽輻射量

太陽輻射量隨時間的變化如圖2所示。由圖2可以看出，從9:00至11:00時間范圍內(nèi)，太陽輻射強(qiáng)度從209W/m2急劇增加至863W/m2，而且平均每日太陽能輻射強(qiáng)度持續(xù)在800W/m2以上的時間將近6h。因此，西藏地區(qū)獨(dú)有的太陽輻射特點(diǎn)為帶補(bǔ)燃的太陽能供熱系統(tǒng)在該地區(qū)的推廣提供了條件。

圖2 太陽輻射量隨時間的變化曲線

2.2 室內(nèi)外溫度

環(huán)境溫度對太陽能供熱系統(tǒng)集熱和熱損失具有很大影響。室外溫度和室內(nèi)溫度在9:00至19:00范圍內(nèi)的變化如圖3所示。由于蓄熱水箱未投入使用，室內(nèi)溫度和室外溫度變化趨勢基本相同，受到室外溫度變化的影響比較明顯。如果儲存多余熱量，室內(nèi)的溫度變化將會更平穩(wěn)，且基本保持在一個較窄的溫度區(qū)間。

圖3 室內(nèi)外溫度隨時間的變化曲線

2.3 二次網(wǎng)進(jìn)出口溫度

二次網(wǎng)進(jìn)出口溫度隨時間的變化曲線如圖4所示。由于試驗(yàn)過程中系統(tǒng)僅依靠太陽能為單一熱源進(jìn)行供熱，因此9:00至10:00二次網(wǎng)進(jìn)口溫度升高較緩慢，10:00至14:00溫度迅速升高并出現(xiàn)最高值，14:00以后溫度慢慢降低，18:30以后二次網(wǎng)將作為熱源為一次網(wǎng)供熱，直到次日9:00以后二次網(wǎng)再次作為末端，從一次網(wǎng)吸熱。對比圖3可知，二次網(wǎng)進(jìn)出口溫度隨時間的變化曲線與太陽輻射量隨時間變化曲線的變化趨勢基本一致，說明太陽輻射量的大小直接影響著二次網(wǎng)進(jìn)出口溫度的高低。

圖4 二次網(wǎng)進(jìn)出口溫度隨時間的變化曲線

2.4 一次網(wǎng)進(jìn)出口溫度

一次網(wǎng)集熱器進(jìn)口和出口溫度的變化如圖5所示。集熱器進(jìn)出口溫度較高，進(jìn)口最低溫度3.7℃，最高溫度60℃；集熱器出口最低溫度3.1℃，最高溫度65.6℃。集熱器進(jìn)口和出口溫度的日均值都比室外環(huán)境溫度高，表明集熱器在高溫條件下運(yùn)行，散熱損失很大，對增大集熱效率無益。集熱器進(jìn)出口溫差值基本保持在4℃以上，中午時溫差最大，約為6.6℃。集熱器的出口溫度在9:00后均高于進(jìn)口溫度，表明在白天集熱器吸收陽光輻射，集熱量是正值。集熱器進(jìn)口和出口介質(zhì)的溫度變化趨勢一致，隨著時間的變化都是先升高后降低，14:00左右達(dá)到極大值，同時變化趨勢為在14:00之前迅速升高，14:00以后溫度變化達(dá)到平穩(wěn)，集熱器工作時進(jìn)口和出口的溫差基本保持不變，其運(yùn)行狀況良好。

圖5 集熱器進(jìn)出口溫度隨時間的變化曲線

3 結(jié)語

針對西藏地區(qū)的地理位置和太陽輻照特點(diǎn)，利用太陽能輻照儀測量平板集熱器吸收輻射量，并得出其隨時間的變化趨勢。結(jié)果顯示，太陽能輻射量在每天9:00至11:00急劇增加，13:00至14:00達(dá)到最大值。但由于蓄熱水箱未投入使用，室內(nèi)、外溫度變化的趨勢相同，受到室外溫度變化的影響較為明顯。

由于試驗(yàn)過程中帶補(bǔ)燃的太陽能分布式供熱系統(tǒng)依靠于太陽能作為單一熱源供熱，致使約18:30后二次網(wǎng)作為熱源為一次網(wǎng)供熱，直到次日約9:00后二次網(wǎng)作為末端，從一次網(wǎng)吸熱。但此系統(tǒng)僅為辦公樓而非居民住宅樓供熱，若天氣晴朗，太陽能作為單一熱源可以滿足用戶全天大部分時間的供熱需求。