甄子亞，趙樹(shù)興，馮 威，于云雁

（1.天津城建大學(xué)，天津 300384；2.信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司青島分公司，山東 青島 266034）

近年來(lái)，太陽(yáng)能作為一種清潔高效的可再生能源備受青睞.我國(guó)大多數(shù)供暖地區(qū)太陽(yáng)資源相對(duì)豐富，而且利用太陽(yáng)能供暖是一項(xiàng)符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的供熱技術(shù).但是太陽(yáng)能熱利用受到太陽(yáng)光照間歇性和季節(jié)性的制約[1]，為了能夠持續(xù)有效地進(jìn)行供暖，蓄熱技術(shù)的應(yīng)用就顯得尤為重要.目前，在實(shí)際工程應(yīng)用中，太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)主要以水作為蓄熱介質(zhì)，需要配備較大容量的蓄熱水箱，占地面積大；而相變蓄熱是依靠相變材料（PCM）在相變過(guò)程中吸收或釋放熱量來(lái)完成蓄熱裝置的蓄熱或放熱，具有體積變化小、儲(chǔ)能密度大的優(yōu)點(diǎn).現(xiàn)有的研究中更多關(guān)注于如何加強(qiáng)相變蓄熱裝置的蓄放熱速率或?qū)⑾嘧冃顭嵫b置應(yīng)用于小型別墅的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中，而將相變蓄熱裝置應(yīng)用于工業(yè)廠房的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中的較少.機(jī)加工工業(yè)廠房一般只在白天工作，只需在白天采暖，夜間維持值班溫度即可，而且其采暖要求溫度低，建筑位置、空間結(jié)構(gòu)的特殊性都為利用太陽(yáng)能采暖創(chuàng)造了有利條件.本文將相變蓄熱技術(shù)應(yīng)用到天津市某工業(yè)廠房的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)的主要設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置研究.

1 太陽(yáng)能相變蓄熱供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文結(jié)合天津市塘沽區(qū)某散熱器加工生產(chǎn)工業(yè)廠房（單層，長(zhǎng) 80.48 m×寬 24.48 m×高 8.3 m），進(jìn)行太陽(yáng)能相變蓄熱供暖系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，主要包括太陽(yáng)能集熱器、相變蓄熱裝置、輔助熱源和供暖末端設(shè)備的確定，并將該方案作為基本研究方案，系統(tǒng)基本組成詳見(jiàn)圖1.

圖1 太陽(yáng)能相變蓄熱供暖系統(tǒng)基本組成

1.1 太陽(yáng)能集熱器

本文太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)采用平板型集熱器.平板型集熱器平均集熱效率在50%左右，具有易與建筑物相結(jié)合、承壓性能好、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn).該廠房在初步設(shè)計(jì)時(shí)，取集熱面積與供暖面積之比為1∶3[2]，安裝角度為59°[2]，單位面積流量為0.06 m3/（h·m2）[3].集熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表1.

表1 集熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 相變蓄熱裝置

本系統(tǒng)采用相變蓄熱單元作為相變蓄熱裝置的基本單元，相變蓄熱單元基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，具體結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[4].該相變蓄熱單元內(nèi)添加52#石蠟[5]作為相變材料，箱體結(jié)構(gòu)尺寸為長(zhǎng)550 mm，寬360 mm，厚80 mm，導(dǎo)熱管管徑為20 mm.該相變蓄熱單元在蓄滿(mǎn)能量時(shí)可存儲(chǔ)約5 MJ的能量，根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]提供的計(jì)算方法，本系統(tǒng)選用400個(gè)相變蓄熱單元組成相變蓄熱裝置，總體積為6.4 m3.該相變蓄熱裝置是將這400個(gè)相變蓄熱單元分為20組，每組20個(gè)重疊并聯(lián)在一起，相變蓄熱裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖2 相變蓄熱單元基本結(jié)構(gòu)

圖3 相變蓄熱裝置結(jié)構(gòu)示意

1.3 輔助熱源

本系統(tǒng)擬選用電輔助加熱器作為輔助熱源來(lái)加熱無(wú)法達(dá)到供暖需求的熱水.電輔助加熱器的功率按照完全不考慮太陽(yáng)能提供熱量（如陰雨天氣）的情況下選取，其電加熱器功率可根據(jù)下式計(jì)算[7]

式中：W為電加熱器功率，kW；QH為最大熱負(fù)荷，W；1 000為單位換算系數(shù)；η為電加熱器熱效率，一般取95%～97%，本文取96%.

經(jīng)模擬計(jì)算，該建筑最大熱負(fù)荷為170 kW；代入式（1）計(jì)算得電加熱器功率約為177.08 kW，本文取180 kW.

1.4 供暖末端設(shè)備

太陽(yáng)能供暖末端設(shè)備常采用低溫?zé)崴┡┒搜b置，主要包括自然循環(huán)散熱器、強(qiáng)制對(duì)流散熱器、采暖地板以及采暖裝飾輻射板這4類(lèi).本系統(tǒng)選用適應(yīng)于工業(yè)廠房的強(qiáng)制對(duì)流散熱器作為供暖末端設(shè)備.

2 太陽(yáng)能相變蓄熱供暖系統(tǒng)仿真平臺(tái)

2.1 供暖熱負(fù)荷計(jì)算模型

利用TRNBuild建立該工業(yè)廠房的建筑信息模型，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料特性參數(shù)按照表2中的數(shù)值進(jìn)行設(shè)置.利用TRNSYS建立供暖熱負(fù)荷計(jì)算模型，主要包括氣象參數(shù)、建筑信息模型、積分器、在線(xiàn)輸出等模塊，詳見(jiàn)圖4.該廠房的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度：工作時(shí)段（8：00AM～6：00PM）為 12℃，其它時(shí)間段為 5℃.模擬時(shí)間為7 632 h至10 535 h（天津供暖期為當(dāng)年11月15日到次年3月15日），該廠房供暖期逐時(shí)熱負(fù)荷結(jié)果如圖5所示.

表2 廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工條件

圖4 廠房供暖熱負(fù)荷計(jì)算模型

圖5 廠房供暖期逐時(shí)熱負(fù)荷

2.2 太陽(yáng)能相變蓄熱供暖系統(tǒng)仿真平臺(tái)

太陽(yáng)能相變蓄熱供暖系統(tǒng)仿真平臺(tái)主要包括：氣象數(shù)據(jù)、集熱器、建筑物、電輔助加熱器、強(qiáng)制散熱器組合、供暖系統(tǒng)溫控閥、合流三通、分流三通、循環(huán)泵、時(shí)間方程、積分器、房間供暖熱負(fù)荷讀入器、在線(xiàn)輸出、結(jié)果打印、計(jì)算模塊等模塊.太陽(yáng)能相變蓄熱供暖系統(tǒng)仿真平臺(tái)如圖6所示.

2.3 仿真平臺(tái)運(yùn)行的控制

圖6 太陽(yáng)能相變蓄熱供暖系統(tǒng)仿真平臺(tái)

根據(jù)廠房的供暖需求，供暖系統(tǒng)需為廠房提供60℃的熱水用于末端散熱裝置.根據(jù)集熱器的出水溫度分為以下三種情況：第一，當(dāng)供水溫度高于60℃時(shí)，經(jīng)過(guò)相變蓄熱裝置使熱水溫度降低再為廠房供熱；第二，當(dāng)供水溫度高于55℃而低于60℃時(shí)直接向廠房供熱；第三，當(dāng)供水溫度低于55℃時(shí)，通過(guò)輔助加熱器加熱直到水溫上升到設(shè)定溫度（白天的設(shè)置為55℃，夜間設(shè)置為60℃）后停止加熱.白天上班前提前半小時(shí)開(kāi)啟供暖運(yùn)行模式，使人員在投入工作時(shí)廠房的室內(nèi)溫度能夠滿(mǎn)足需求，同時(shí)利用相變蓄熱裝置的蓄熱性在下班前提前半小時(shí)進(jìn)入夜間供暖運(yùn)行模式，減少對(duì)電輔助加熱量的需求.

3 供暖系統(tǒng)優(yōu)化配置分析

對(duì)于太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)而言，集熱面積決定著集熱量的大小，相變蓄熱裝置的容積直接影響其蓄存的熱量大小，因此，最佳集熱面積與蓄熱裝置容積的確定對(duì)太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)極其重要.本文選取太陽(yáng)能保證率作為該工業(yè)廠房太陽(yáng)能相變蓄熱供暖系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)，利用TRNSYS軟件[8]所搭建的系統(tǒng)仿真平臺(tái)研究集熱面積、相變蓄熱裝置容積對(duì)太陽(yáng)能保證率的影響并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化.

3.1 集熱面積對(duì)太陽(yáng)能保證率的影響

相變蓄熱容積一定（為6.4 m3），對(duì)不同的集熱面積的系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬.比較分析整個(gè)供暖季的集熱有用能、相變蓄熱量、電輔助加熱量以及系統(tǒng)太陽(yáng)能保證率，結(jié)果見(jiàn)表3，太陽(yáng)能保證率隨集熱面積的變化曲線(xiàn)如圖7所示.

由表3可看出，系統(tǒng)的集熱有用能與相變蓄熱量隨著集熱面積的增加而增大，電輔助加熱量則隨著集熱面積的增加不斷減少.集熱面積的增加使集熱量相應(yīng)增加，延長(zhǎng)了太陽(yáng)能作為熱源的供暖時(shí)間，減少了輔助熱源的運(yùn)行時(shí)間，節(jié)省電耗.由圖7可看出，隨著集熱面積的增大，太陽(yáng)能保證率逐漸增大，但其增大的幅度越來(lái)越小.

表3 不同集熱面積下的系統(tǒng)能量與太陽(yáng)能保證率

圖7 太陽(yáng)能保證率隨集熱面積變化曲線(xiàn)

3.2 相變蓄熱裝置容積對(duì)太陽(yáng)能保證率的影響

在熱器面積一定（為660 m2）的條件下，對(duì)不同相變蓄熱裝置容積的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬.比較分析其能耗情況，結(jié)果如表4所示，相應(yīng)的太陽(yáng)能保證率隨相變蓄熱裝置容積的變化規(guī)律如圖8所示.

表4 不同蓄熱裝置容積下的系統(tǒng)能量與太陽(yáng)能保證率

圖8 太陽(yáng)能保證率隨相變蓄熱裝置容積變化曲線(xiàn)

從表4和圖8可以看出，太陽(yáng)能保證率隨著相變蓄熱裝置容積的增大呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律.當(dāng)相變蓄熱裝置容積較小時(shí)，蓄存的熱量有限，不能充分利用太陽(yáng)能，系統(tǒng)有效得熱量少，太陽(yáng)能保證率低；當(dāng)相變蓄熱裝置容積較大時(shí)，蓄熱單元蓄存的熱量不能完全釋放，太陽(yáng)能保證率低.

3.3 系統(tǒng)配置優(yōu)化分析

在前面的分析中，主要討論了相變蓄熱裝置容積和集熱器面積分別作為單一變量對(duì)太陽(yáng)能保證率的影響，但不能全面地反映系統(tǒng)的運(yùn)行效果.因此，選取集熱器面積為 460，560，660，760，860，960 m2，相變蓄熱裝置容積為 5.5，5.8，6.1，6.4，6.7，7，7.3，7.6 m3，進(jìn)行不同的配比.對(duì)不同的配比的集熱器面積和相變蓄熱裝置容積的系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，得到太陽(yáng)能保證率隨集熱器面積及相變蓄熱裝置容積關(guān)系曲線(xiàn)，如圖9所示.

圖9 太陽(yáng)能保證率隨集熱器面積及相變蓄熱裝置容積的變化曲線(xiàn)

由圖9可以看出，在集熱器面積與相變蓄熱裝置容積不同配比情況下，太陽(yáng)能保證率變化趨勢(shì)不盡相同.在集熱器面積為860 m2、相變蓄熱裝置容積為7 m3時(shí)，太陽(yáng)能保證率達(dá)到最大為67.60%，此時(shí)系統(tǒng)配置最優(yōu).對(duì)優(yōu)化配置前后的系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到系統(tǒng)整體的能耗與太陽(yáng)能保證率，其數(shù)值詳見(jiàn)表5.

表5 系統(tǒng)整體優(yōu)化前后能耗與太陽(yáng)能保證率對(duì)比

由表5可以看出，對(duì)系統(tǒng)配置優(yōu)化后，系統(tǒng)總的集熱有用能增大了81 008 MJ，相變蓄熱量增大了31 445 MJ，電輔助加熱量減少了57 409 MJ，太陽(yáng)能保證率增加了5.55%.該系統(tǒng)使太陽(yáng)能得到了更加充分利用，節(jié)能與環(huán)保性能大大提升.

為了更好地為相同類(lèi)型的工業(yè)建筑的相變蓄熱供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，得到單位建筑面積下，最優(yōu)系統(tǒng)配置的集熱器面積為0.437 m2、相變蓄熱裝置容積為3.56×10-3m3.

4 結(jié)論

本文將太陽(yáng)能保證率作為優(yōu)化目標(biāo)，以集熱器面積與相變蓄熱裝置容積為優(yōu)化對(duì)象，對(duì)天津市某工業(yè)廠房的太陽(yáng)能相變蓄熱供暖系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬研究，得出以下結(jié)論.

（1）當(dāng)相變蓄熱裝置容積一定時(shí)，太陽(yáng)能保證率隨著集熱器面積的增大而增大，但其增大的幅度會(huì)越來(lái)越??；當(dāng)集熱器面積一定時(shí)，太陽(yáng)能保證率隨著相變蓄熱裝置容積的增大先增大后減小.

（2）對(duì)于該工業(yè)廠房的太陽(yáng)能相變蓄熱供暖系統(tǒng)，最佳集熱面積為860 m2、最佳相變蓄熱裝置容積為7 m，此時(shí)系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率達(dá)到67.60%.對(duì)于同類(lèi)工業(yè)建筑的相變蓄熱供暖系統(tǒng)，單位建筑面積下，最優(yōu)系統(tǒng)配置的集熱器面積為0.437 m2、相變蓄熱裝置容積為3.56×10-3m3.