史靜毅，王萬江，齊典偉，郭 旭，張雪嬌

（1.新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

在太陽能跨季蓄熱供暖技術(shù)的發(fā)展中，Li X利用實(shí)際數(shù)據(jù)，探討了基于非交互正交試驗(yàn)法的CSHPSS最優(yōu)運(yùn)行策略[1]。Pahud采用TRNSYS動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，對(duì)某太陽能跨季蓄熱集中供暖系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出了優(yōu)化該系統(tǒng)參數(shù)的方法[2]。程友良為提高蓄熱系統(tǒng)蓄熱效率，采用數(shù)值模擬的方式對(duì)蓄熱水箱的流動(dòng)規(guī)律和傳熱機(jī)理進(jìn)行了研究；同時(shí)對(duì)蓄熱模型進(jìn)行了改進(jìn)，為較為復(fù)雜的蓄熱水箱傳熱提供了研究思路[3]。為提高太陽能的穩(wěn)定性和連續(xù)性，程友良利用Fluent軟件對(duì)蓄熱水箱分層進(jìn)行了優(yōu)化[4]。

綜上所述，以往的研究主要集中在對(duì)太陽能跨季蓄熱供暖系統(tǒng)整體的優(yōu)化分析，亦或是對(duì)局部蓄熱水箱的優(yōu)化研究，而對(duì)可調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)的研究成果較少。太陽能跨季蓄熱可解決太陽能資源在季節(jié)上的不均衡性，但仍存在跨季蓄熱量利用不充分的問題。

烏魯木齊市屬于太陽能資源較豐富區(qū)，其緯度角平面輻射照度年總量約為5 740 MJ/（m2.a），這為新疆大力發(fā)展太陽能供暖技術(shù)提供了優(yōu)越的自然優(yōu)勢(shì)[5]。對(duì)此，本文采用TRNSYS動(dòng)態(tài)仿真軟件，模擬跨季蓄熱多方式可調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)，分析了蓄熱基坑全年蓄熱量的變化情況、3種運(yùn)行策略各自的運(yùn)行天數(shù)、負(fù)荷與各供暖方式供熱量的匹配情況及采暖期內(nèi)的太陽能保證率。

1 供暖調(diào)節(jié)方式

本文可調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)分為3個(gè)閉式循環(huán)回路：太陽能集熱場(chǎng)回路、跨季蓄熱回路和供暖回路[6]。其中供暖回路又分為3個(gè)不同供暖方式的子回路，分別為板式換熱器供暖循環(huán)、直接供暖循環(huán)和以蓄熱基坑為低溫?zé)嵩吹臒岜霉┡h(huán)。如圖1所示，供暖系統(tǒng)主要設(shè)備包括太陽能集熱器（COL）、蓄 熱 基 坑 （TSP）、板 式 換 熱 器（HE1，HE2）、水 源 熱 泵（HP）、緩 沖 水 箱（Tank）、控 制 裝置 （K1，K2，K3，K4）、泵（P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7）、管 道 和 閥 門（F1，F(xiàn)2，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6，F(xiàn)7，F(xiàn)8）。用 戶端裝置為地暖盤管，以低溫水輻射供暖。

圖1 供暖系統(tǒng)控制流程圖Fig.1 Heating system control flow chart

COL和TSP同時(shí)與HE1連接，COL通過HE1將熱量交換至TSP內(nèi)。TSP與用戶之間的供暖路線有3條，第1條：TSP與用戶端通過HE2交換熱量；第2條：TSP直接與用戶端的地板輻射盤管相連；第3條：TSP內(nèi)的水作為HP的低溫低位熱源，與HP的蒸發(fā)器相連，從TSP中抽取熱量，再輸入少量的高位電能，將低位熱能轉(zhuǎn)化為高位熱能，經(jīng)Tank向用戶端輸出。閥門與泵控制裝置通過溫度感應(yīng)器接收到的溫度信號(hào)與設(shè)定的控制程序?qū)﹂y門與泵進(jìn)行控制。

2 運(yùn)行控制策略

2.1 集熱系統(tǒng)的運(yùn)行控制

圖2 集熱系統(tǒng)運(yùn)行控制流程圖Fig.2 Flow chart of operation control of heat collection system

集熱系統(tǒng)的運(yùn)行控制流程如圖2所示，運(yùn)行控制策略如表1所示。集熱系統(tǒng)和儲(chǔ)熱系統(tǒng)全年運(yùn)行，集熱系統(tǒng)中的防凍液通過HE1與TSP內(nèi)的低溫水進(jìn)行換熱，換熱結(jié)束通過集熱循環(huán)泵（P1）回到集熱器。P1的啟停、TSP的儲(chǔ)熱溫度限值Tp，max由 控 制 器（K1）進(jìn) 行 控 制 設(shè) 定。K1初 始 控 制信號(hào)為0，當(dāng)COL出口溫度Tc，out與集熱循環(huán)內(nèi)的TSP回水溫度Tp，out之間的溫差大于4.0℃時(shí)，K1輸 出 信 號(hào) 為1，P1，P7啟 動(dòng)，F(xiàn)1，F(xiàn)2打 開；低 于4.0℃時(shí)，K1輸 出 信 號(hào) 為0，P1，P7停 止，F(xiàn)1，F(xiàn)2關(guān) 閉。參考丹麥實(shí)際工程的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，TSP內(nèi)水溫最高設(shè)定為90.0℃，高出90.0℃，K1將會(huì)強(qiáng)制關(guān)閉P1。

表1 運(yùn)行控制策略Table 1 System parameters

2.2 供暖系統(tǒng)的運(yùn)行控制

多方式可調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)有3種工作模式，通過TRNSYS平臺(tái)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制部件，控制供暖方式之間的轉(zhuǎn)換。

2.2.1通過HE2間接供暖

控制器K2通過TSP供暖出口溫度Tp，g、采暖季節(jié)設(shè)定值、建筑熱負(fù)荷值的共同作用，控制分流閥F4的兩個(gè)出口流量和板式換熱供暖循環(huán)泵P2，P3。在采暖期內(nèi)，當(dāng)TSP內(nèi)的溫度傳感器W1的 輸 出 溫 度Tp，g＞60.0℃時(shí)，K2輸 出 信 號(hào) 為1，則分流閥F4的1出口關(guān)閉，2出口開啟，板式換熱循環(huán)泵P2，P3啟動(dòng)。

2.2.2TSP直接供暖

采暖期內(nèi)，當(dāng)TSP內(nèi)的溫度傳感器W1的輸出 溫 度 為45.0≤Tp，g≤60.0℃時(shí)，K2輸 出 信 號(hào) 為0，此時(shí)F4的1出口開啟，2出口關(guān)閉；K3輸出信號(hào)為1，分流閥F5的1出口關(guān)閉，2出口開啟，直接供熱循環(huán)泵P4啟動(dòng)。

2.2.3HP供暖

采暖期內(nèi)，當(dāng)TSP內(nèi)的溫度傳感器W1的輸 出 溫 度 為Tp，g＜45.0℃時(shí)，K2，K3輸 出 信 號(hào) 為0，此時(shí)F4，F(xiàn)5的1出口開啟，2出口關(guān)閉，熱泵供暖循環(huán)泵P5啟動(dòng)。Tank的工作溫度設(shè)定為45.0℃，當(dāng)Tank內(nèi)的儲(chǔ)水溫度小于45.0℃時(shí)，K4輸出信號(hào)為1，此時(shí)緩沖水箱循環(huán)泵P6啟動(dòng)。

3 模型構(gòu)建

3.1 氣象條件與采暖負(fù)荷需求

烏魯木齊市地處北緯43.82°，屬于嚴(yán)寒C區(qū)。該地區(qū)供暖時(shí)間為10月15日-4月15日。本文模擬建筑總采暖面積為12 370 m2，房間采暖設(shè)計(jì)溫度為18.0℃。采用Dest軟件計(jì)算建筑的動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷，結(jié)果如圖3所示，供暖期總耗熱量為6 374 GJ。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)信息見表2[7]。氣象數(shù)據(jù)采用Meteonorm氣象數(shù)據(jù)庫中1991-2010年的典型氣象年數(shù)據(jù)。室外氣溫和太陽輻射強(qiáng)度如圖4所示。

圖3 建筑冬季熱負(fù)荷Fig.3 Thermal load of the building in winter

表2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)信息Table 2 Building structure information

圖4 烏魯木齊氣候條件Fig.4 Climate conditions in Urumqi

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2.1模型簡(jiǎn)介

本文采用TRNSYS軟件對(duì)所提出的多方式可調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)進(jìn)行建模、模擬和分析，通過輸入各部件模型的精細(xì)參數(shù)，保證其性能的正確性。

①平板式COL總面積為6 040 m2，安裝傾角為44°，內(nèi)部工質(zhì)采用54%的乙二醇-水溶液。采用Type1b模塊模擬平板COL的熱性能，該部件可以準(zhǔn)確地模擬COL在實(shí)際運(yùn)行條件下的性能。部分外部參數(shù)作為該部件的橫向函數(shù)，可由模塊中的外部數(shù)據(jù)文件讀取。平板式集熱器效率 ηc采用二階方程[8]進(jìn)行建模，同時(shí)考慮非正常太陽入射的影響，采用二階入射角修正（K）方程[8]進(jìn)行校正。

式 中：Tc，in為 集 熱 器 入 口 溫 度，℃；Ta為 環(huán) 境 溫度，℃；G為太陽輻射照度，kW/m2；θ為太陽入射角。

②TSP總體積為15 100 m3，高12.5 m，最大儲(chǔ)熱溫度為90.0℃。采用Type534型部件進(jìn)行模擬，為保證TSP的正確性，在該模型中設(shè)有12個(gè)等溫溫度層。與土壤溫度部件Type707b連接集成TSP與周圍土壤進(jìn)行傳熱。Type707b[9]是一個(gè)周圍土壤模型，該模型與基坑模型之間來回傳遞溫度和能量流信息，從而可以計(jì)算出TSP的熱損失。

③HP的COP為4.08，采用Type225型部件，該部件屬于自編寫模塊。根據(jù)樣品參數(shù)和供暖系統(tǒng)的控制策略來確定熱源側(cè)和負(fù)荷側(cè)工作介質(zhì)的流量、溫度、啟停信號(hào)等部件參數(shù)。

④Tank體積為500 m3，采用Type4型部件模擬，該部件可正確模擬顯熱蓄熱水箱。考慮到熱分層，假設(shè)水箱包含6個(gè)相同的體積分層，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱損失相等。

⑤板式換熱器采用Type5b型部件模擬，換熱效率為92%，換熱系數(shù)為1 700 W/m2。

3.2.2集熱系統(tǒng)計(jì)算模型

建筑供熱量應(yīng)等于逐時(shí)采暖熱負(fù)荷在采暖期（τ）的積分，本系統(tǒng)建筑的動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷通過Dest-C軟件計(jì)算得到。根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]，可得集熱器面積Ac為

式 中：Ql（τ）為 逐 時(shí) 采 暖 熱 負(fù) 荷，W；fn為 太 陽 能 保證 率，%；ηL為 管 路 熱 損 失 率，%；Iθ為 逐 時(shí) 太 陽 輻射 強(qiáng) 度，W/m2。

3.2.3蓄熱系統(tǒng)計(jì)算模型

TSP的體積應(yīng)保證滿足建筑熱負(fù)荷，TSP體積Vs[5]，[10]，[11]為

式 中：QL（τ）為TSP熱 損 失，W；ρ為 水 的 密 度，kg/m3；Cw為 水 的 比 熱 容，J/（kg·K）；Ts為TSP內(nèi) 儲(chǔ)水平均溫度，℃；Tg為TSP供暖側(cè)供水溫度，℃；Qu（τ）為平板式COL逐時(shí)有效集熱量，W。

3.3 模型驗(yàn)證

系統(tǒng)的運(yùn)行性能由蓄熱部分的出口溫度和集熱部分的出口溫度決定。本文選擇位于烏魯木齊市的某跨季蓄熱太陽能供暖工程，驗(yàn)證所建立的TRNSYS系統(tǒng)模型的可靠性。該建筑供暖面積為253 m2，COL采 用 平 板 式 集 熱 器，面 積 為88 m2，蓄熱水箱體積為4.50 m3，用戶端為地暖盤管，太陽能供暖系統(tǒng)利用溫差控制原理可自動(dòng)控制。在2019年11月11-13日對(duì)該工程進(jìn)行連續(xù)3 d的實(shí)測(cè)，每隔40 min選取一次數(shù)據(jù)。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真軟件模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，集熱部分出口溫度和蓄熱部分出口溫度實(shí)測(cè)值和模擬值隨時(shí)間的變化情況如圖5所示。

圖5 集熱部分出口溫度和蓄熱部分出口溫度實(shí)測(cè)值和模擬值隨時(shí)間的變化情況Fig.5 The measured and simulated values of the outlet temperature of the heat collecting part and the outlet temperature of the heat storage part vary with timestorage

由圖5可知，集熱部分出口溫度的模擬結(jié)果最大偏差為11.60%，蓄熱部分出口溫度的模擬結(jié)果最大偏差為4.60%，偏差在項(xiàng)目允許范圍內(nèi)，表明該模擬系統(tǒng)可靠性較強(qiáng)。造成偏差的原因可能是Type15使用的是Meteonorm氣象數(shù)據(jù)庫中的典型氣象年數(shù)據(jù)，與實(shí)際天氣條件有出入，另外實(shí)際測(cè)量也會(huì)產(chǎn)生誤差。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 全年蓄熱情況

TSP全年累計(jì)蓄熱量為

式 中：Qchs為 累 計(jì) 蓄 熱 量，GJ；Qphs為 上 月 蓄 熱 量，GJ；Qu為 當(dāng) 月 集 熱 量，GJ；Ql為 當(dāng) 月 熱 負(fù) 荷，GJ；QLpit為每月TSP熱損失，GJ；QLpipe為每月管路熱損失，GJ。

圖6 全年累計(jì)蓄熱量變化Fig.6 Variation of accumulative heat storage throughout the year

TSP全年累計(jì)蓄熱量變化情況如圖6所示。由圖6可知：在非供暖期4月16-10月14日，累計(jì)儲(chǔ)存熱量逐月增加至7 528.11 GJ；在供暖期10月15日-4月15日，系統(tǒng)邊供邊蓄，晝間在供暖系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)，集熱系統(tǒng)與TSP也進(jìn)行集熱、儲(chǔ)熱；累計(jì)蓄熱量谷值出現(xiàn)在2月，為76.34 GJ；對(duì)于熱負(fù)荷較大的12-2月，TSP的累計(jì)儲(chǔ)存熱量仍有一小部分的富余量；4月天氣逐漸回暖，大氣透明度升高，太陽輻射量也大大增加，至4月15日累計(jì)蓄熱量逐漸增加至592.74 GJ。通過對(duì)全年累計(jì)蓄熱量變化進(jìn)行分析，可以看出，太陽能跨季蓄熱供暖設(shè)計(jì)在烏魯木齊地區(qū)具有十分重要的研究?jī)r(jià)值。

TSP出口溫度與室外環(huán)境溫度隨時(shí)間變化情況如圖7所示。

圖7 TSP出口溫度與室外環(huán)境溫度隨時(shí)間變化情況Fig.7 Change of exit temperature and outdoor environment temperature with time of heat storage foundation pit

由圖7可知，TSP內(nèi)的出口溫度在13.4～90.0℃內(nèi)變化。蓄熱期內(nèi)，出口溫度由28.2℃開始升高，最大溫度至90.0℃；采暖期內(nèi)，出口溫度由90.0℃開始緩慢且持續(xù)地下降，至3月16日儲(chǔ)水溫度降至13.4℃。由于采暖末期采暖熱負(fù)荷小，室外溫度升高，且太陽輻射強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)，此時(shí)TSP內(nèi)出口溫度呈現(xiàn)回升狀態(tài)，升高至28.0℃左右。

蓄熱期內(nèi)，基坑水溫逐漸升高，無明顯的停滯狀態(tài)，表明15 100 m3的TSP體積與6 040 m2的集熱器面積恰好匹配。采暖期內(nèi)基坑水溫呈緩慢且持續(xù)下降的趨勢(shì)，最低水溫為13.4℃。該水溫大于5.0℃，有效避免了系統(tǒng)結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)；且小于15.0℃，處于合理的采暖末期蓄熱溫度范圍內(nèi)，表明TSP內(nèi)的蓄熱量與建筑熱負(fù)荷相平衡。綜上所述，對(duì)于本建筑供暖，選取的TSP體積和集熱器面積是合適的。

4.2 采暖期內(nèi)3種供暖方式供暖時(shí)長(zhǎng)

在每個(gè)供暖月中，3種供暖方式各自的供熱量占當(dāng)月采暖熱負(fù)荷的比重和啟動(dòng)天數(shù)如圖8所示。采暖期中，采暖方式隨TSP內(nèi)的溫度變化而改變，該種供暖方式可最大限度地利用TSP內(nèi)的蓄熱量。結(jié)果顯示，10月15日-12月31日共78 d，其中，板式換熱器供暖天數(shù)為67 d，直接供熱天數(shù)為11 d，供暖所需熱量完全由TSP儲(chǔ)存的熱量提供，不需消耗電能供暖。從1月1日-4月15日，TSP內(nèi)水溫低于45.0℃，不滿足地板輻射供暖要求，所以采用HP進(jìn)行供暖，可達(dá)105 d。

圖8 采暖期各采暖方式啟動(dòng)天數(shù)Fig.8 Heating period heating mode start days

4.3 太陽能保證率

圖9為采暖期內(nèi)各月太陽能保證率。由圖可以看出：采暖期前78 d，TSP水溫大于45.0℃，采用板式換熱器供暖和直接供暖，除太陽能外并未消耗其他能源，故太陽能保證率可達(dá)100%；采暖后期，由于TSP內(nèi)出水溫度逐漸降低，且1-2月建筑熱負(fù)荷較大，供暖方式切換為HP供暖，太陽能保證率逐漸下降，但其平均太陽能保證率也可達(dá)到73%，高于烏魯木齊地區(qū)季節(jié)蓄熱系統(tǒng)太陽能保證率推薦值[5]。

圖9 采暖期內(nèi)各月太陽能保證率Fig.9 Monthly solar fraction in heating period

4.4 節(jié)能效益分析

本系統(tǒng)的供暖能力為7 528.11 GJ。TSP儲(chǔ)存的熱量承擔(dān)供暖期中85.06%的建筑熱負(fù)荷，剩余14.94%的建筑熱負(fù)荷由電能供給。按標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為29.31 MJ/kg、天然氣的熱值為35.59 MJ/m3計(jì)算，在理想情況下，不考慮鍋爐的熱損失，本文供暖系統(tǒng)可至少替代256.84 t標(biāo)準(zhǔn)煤或211 520.09 m3天然氣。

5 結(jié)論

①在本文供暖方式下，TSP全年運(yùn)行水溫為13.4～90.0℃。在此溫度范圍內(nèi)，既最大限度地儲(chǔ)存了夏季太陽能資源，又充分利用了TSP內(nèi)的蓄熱量，還可以避免系統(tǒng)因溫度過低而結(jié)冰。表明15 100 m3的TSP體積與6 040 m2的集熱器面積恰好匹配。

②TSP的蓄熱溫度大于60.0℃時(shí)，采用板式換熱器供暖方式可供暖67 d；水溫處于45.0～60.0℃時(shí)，采用直接供暖方式可以供暖11 d；水溫低于45.0℃時(shí)，HP以TSP內(nèi)的低溫?zé)崴疄闊嵩?，外加消耗部分電能，可以供?05 d。這種多方式可調(diào)節(jié)的供暖系統(tǒng)充分利用了TSP內(nèi)的蓄熱量。

③10月15日-12月31日，太陽能保證率可達(dá)100%；1月1日-4月15日本系統(tǒng)的平均太陽能保證率可達(dá)73%。

④在非供暖期，TSP儲(chǔ)存的7 528.11 GJ熱量可承擔(dān)85.06%的建筑熱負(fù)荷，剩余的14.94%由電能供給。與傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)相比，在相同建筑熱負(fù)荷的情況下，該供暖方式可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤256.84 t或天然氣211 520.09 m3。