穆琳，周晴晴,2（通信作者），霍樹義

1.河北水利電力學(xué)院，河北滄州，061001；2.河北省數(shù)據(jù)中心相變熱管理技術(shù)創(chuàng)新中心，河北滄州，061001

0 引言

“雙碳”背景下，研究儲熱型低碳供暖體系，可助力能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，減少碳排放幅度，推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展走上全面綠色轉(zhuǎn)型道路?；趥鹘y(tǒng)儲熱以煤炭作為主要熱量來源，此種儲熱供暖方式對于有限的資源開發(fā)利用是一種極大的消耗。太陽能是主要的可再生能源之一，易于獲取且具有清潔無污染等特點(diǎn)，故選用太陽能光電領(lǐng)域，對“雙碳”背景下的儲熱型低碳供暖體系進(jìn)行優(yōu)化研究[1]。當(dāng)前，太陽能已成為低碳儲熱供暖系統(tǒng)的首選能源，將其應(yīng)用于光伏發(fā)電或光熱技術(shù)，能避免昂貴的硅晶光電轉(zhuǎn)換工藝，極大地降低傳統(tǒng)發(fā)電成本[2]。本文選取太陽能儲熱體系，對“雙碳”背景下太陽能供暖能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)化研究，通過解讀太陽能儲熱運(yùn)行架構(gòu)，對其導(dǎo)熱技術(shù)做出進(jìn)一步優(yōu)化，最終借助太陽能，實(shí)現(xiàn)了低碳儲熱供暖的目的。該研究對于助力能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整、大力發(fā)展新能源、建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系具有一定的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

1 太陽能熱泵供暖體系運(yùn)行架構(gòu)

隨地球自轉(zhuǎn)，太陽能輻照強(qiáng)度與地球同步發(fā)生變化，因而，太陽能具備能流密度低、晝夜間歇性強(qiáng)等基本特征。一般條件下，地球地表的太陽輻射強(qiáng)度均小于1.5kW/m2，由于部分光能無法被有效吸收轉(zhuǎn)換，所以地表通過光熱所轉(zhuǎn)換形成的熱流密度通常較低[4]。若需高效捕集太陽能，其光熱材料要布置在太陽輻射能量富集的光譜段，即0.15～4μm區(qū)間，以此獲得較高光吸收能力。通常情況下，采用太陽能熱泵供暖體系可實(shí)現(xiàn)利用太陽能集熱。該體系在獲取熱量后，可對熱量進(jìn)行儲存，若未收集到熱量，也能通過發(fā)電或采用其他低碳能源方式形成循環(huán)供暖[5]。太陽能儲熱運(yùn)行架構(gòu)由太陽能集熱、熱泵、水循環(huán)等三部分運(yùn)行結(jié)構(gòu)組建而成，分別通過太陽能供熱、輔助熱泵供熱、熱泵供熱等3種供熱渠道對太陽能進(jìn)行儲熱供暖，其運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 太陽能集熱供暖系統(tǒng)架構(gòu)圖

當(dāng)太陽能輻照度在滿足供暖需求時，該系統(tǒng)供熱模式可隨時啟動，通過風(fēng)機(jī)驅(qū)動周邊空氣，進(jìn)入風(fēng)聯(lián)箱真空管內(nèi)，吸熱升溫后，隨風(fēng)聯(lián)箱將其導(dǎo)出，供熱需由換熱器循環(huán)加熱水，并在真空管中設(shè)置相變蓄能芯，由此儲存下多余的太陽能，一旦太陽輻照度不足，相變蓄能芯則可隨機(jī)釋放出一定熱量對空氣進(jìn)行加熱，從而保障整個供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若太陽能輻照度衰減至300W/m2以下，真空管內(nèi)獲取熱量則為零。此時采用相變蓄能芯對太陽能儲存熱量持續(xù)供熱，可有效延長系統(tǒng)整體供熱時長，提高太陽能使用效率。若相變蓄能芯的溫度也達(dá)不到設(shè)定的溫度值區(qū)間，則立即啟動空氣源熱泵，采用相變蓄能芯輔助熱泵蒸發(fā)器繼續(xù)傳輸一定熱量，從而可保障供暖需求的連貫性。在無法搜集到太陽能期間，如夜晚或陰雨天時，則通過電熱泵供熱的工作方式持續(xù)供熱目標(biāo)。

2 導(dǎo)熱技術(shù)優(yōu)化

2.1 太陽能光熱轉(zhuǎn)換

太陽能具有寬光譜、低強(qiáng)度、間歇性等特點(diǎn)。要高效利用太陽輻射能熱能，需借助相應(yīng)聚焦系統(tǒng)，或采用集熱器等方法，將太陽能光能轉(zhuǎn)化為熱能資源，其作用是依靠集熱器中的特殊物質(zhì)結(jié)構(gòu)，或采用相應(yīng)材料體系，以實(shí)現(xiàn)太陽能光譜選擇性吸收功能[6]。筆者選取了高倍聚光的菲涅爾透鏡對太陽能進(jìn)行熱電互補(bǔ)，應(yīng)用于太陽能集熱體系。工作時，太陽能光通過菲涅爾透鏡匯聚，聚焦至二次光伏組件處，通過二次光伏組件，對聚集的太陽光進(jìn)行再次匯聚勻化，經(jīng)匯聚勻化后的太陽光，抵達(dá)至太陽能電池表面三結(jié)砷化鎵部分，此時太陽能電池能源逐步轉(zhuǎn)化成為相應(yīng)的電能與熱能資源。其中，轉(zhuǎn)換的熱能資源可用于滿足電能電負(fù)荷供暖，其他部分由蓄電池對其進(jìn)行儲蓄，或轉(zhuǎn)由電網(wǎng)對剩余負(fù)荷電量進(jìn)行持續(xù)輸送，一旦出現(xiàn)供暖電負(fù)荷不足時，可由蓄電池釋放出一定電能或利用電網(wǎng)對其進(jìn)行供暖補(bǔ)充。太陽能所轉(zhuǎn)化的熱能資源主要用于一般熱負(fù)荷供暖，剩余部分熱能則通過儲熱罐進(jìn)行儲存，當(dāng)太陽能熱能資源不足時，剩余部分通過儲熱罐進(jìn)行釋放，繼續(xù)提供熱能供暖。

太陽能電池供電功率計(jì)算公式如式（1）所示：

式（1）中：DNI指代太陽在對地球表面直射期間的輻照強(qiáng)度，單位為W/m2；C指代菲涅爾透鏡在匯聚太陽光期間所占的比例；APV代表所持太陽能電池的面積，單位為m2；ηopt為太陽能聚光期間所達(dá)成的光學(xué)效率；ηPV(T)指太陽能電池的運(yùn)行溫度在T階段所發(fā)生的效率，如式（2）所示：

式（2）中，T指代太陽能電池在運(yùn)行期間的飽和溫度，單位為K，光伏、光熱的互補(bǔ)模塊散熱損失如式（3）所示：

式（3）中：n指代光伏、光熱的互補(bǔ)模塊其占總表面積與太陽能電池之間的面積比率；h指代光伏、光熱對流換熱系數(shù)，其單位用W(m2·K4)表示；σ表示斯特藩——玻爾茲曼常數(shù)，為5.67*10-8W(m2·K4)；T0指代互補(bǔ)模塊的周邊的環(huán)境溫度，一般在測試中取典型日的室外溫度，用單位K表示。根據(jù)以上公式，可推出光伏、光熱互補(bǔ)模塊的太陽能供熱功率表達(dá)式如式（4）所示：

式（4）中，QPV(T)為太陽能在供熱期間的功率值，用單位kW表示；Qloss(T)代表光伏光熱互補(bǔ)模塊在散熱期間出現(xiàn)的損失，用單位kW表示。通過上述公式可得光伏、光熱互補(bǔ)系統(tǒng)的太陽能供熱效率以及太陽能利用總效率，太陽能供熱效率ηheat如式（5）所示，太陽能利用總效率ηtotal如式（6）所示：

室外溫度可通過DeST軟件獲取，DNI數(shù)據(jù)可通過SAM軟件獲得輸出。在確保光伏、光熱互補(bǔ)模塊能夠產(chǎn)生熱能的情況下，可將所述光伏、光熱互補(bǔ)模塊應(yīng)用于太陽能儲熱供暖體系，從而滿足一般太陽能儲熱供暖需求。

2.2 輔助熱泵儲熱

當(dāng)太陽能集熱器收集到當(dāng)天熱量后，采用輔助熱泵蓄熱體對其進(jìn)行熱量儲蓄，輔助熱泵蓄熱器作為太陽能集熱器提供熱量的次熱源，可持續(xù)為用戶提供供暖服務(wù)。輔助熱泵蓄熱系統(tǒng)在非供暖季節(jié)期間，通過打開熱泵供熱閥門，可向儲熱系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)性蓄熱，當(dāng)蓄熱端側(cè)閥門被開啟后，向蓄熱系統(tǒng)中傳輸熱量，并通過供熱水箱提供生活用熱水。在供暖季打開蓄熱閥門，則可為用戶提供供暖服務(wù)。通過Energy Plus軟件，可依照網(wǎng)格尋優(yōu)方式，計(jì)算出逐時熱負(fù)荷數(shù)據(jù)，求解系統(tǒng)性能參數(shù)。利用網(wǎng)格尋優(yōu)法分別對集熱面積和水箱容量進(jìn)行測算，以一定精度值，將集熱面積和水箱容量離散化，隨后生成相應(yīng)網(wǎng)格，通過計(jì)算水箱能量平衡度，即可得到該精度下集熱面積和水箱容積的最優(yōu)配比，該測試方式便于輔助熱泵蓄熱器依照參數(shù)平衡儲熱溫度。

2.3 熱泵供熱

在持續(xù)陰雨天氣狀態(tài)下，熱泵需要承擔(dān)整個供熱系統(tǒng)所有的熱負(fù)荷工作。因而，熱泵機(jī)組應(yīng)依照最大供暖負(fù)荷條件對其進(jìn)行選型。一般條件下，熱泵的制熱量Qh計(jì)算方法如式（7）所示：

式（7）中，Qh指熱泵名義制熱量，用單位kW表示；K2指陰雨天氣狀態(tài)下的熱泵溫度計(jì)算修正系數(shù)，取值為0.76；K3指出現(xiàn)霜凍期間，熱泵機(jī)組進(jìn)行化霜修正的系數(shù)，每化霜一次，取值為0.9/h，化霜兩次，取值為0.8/h?？紤]節(jié)能減排因素，有熱負(fù)荷時熱泵就持續(xù)運(yùn)行，沒有熱負(fù)荷時熱泵就停止運(yùn)行，嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)可采用乙二醇防凍液對熱泵集熱器做防凍處理，完善熱泵供暖需求。

3 實(shí)驗(yàn)測試

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)選用DF-905422離心式風(fēng)機(jī)用于太陽能集熱，其運(yùn)行期間軸功率及配套電機(jī)功率為0.75W，啟動期間，該離心式風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2900r/min，可產(chǎn)生最大風(fēng)量為21m3/min；在水循環(huán)系統(tǒng)中，設(shè)置膨脹水箱，該水箱容積量為500L，主要用于緩解管路壓力過高問題或回補(bǔ)循環(huán)水；水泵采用CDLF輕型立式多級離心泵，額定功率為0.55kW，額定流量為20.6m3/h，額定揚(yáng)程為10m；配置輔助電加熱功率為18kW，該配置適用于極端天氣，可滿足用戶的長時段供熱需求。

3.2 測試結(jié)果

該測試進(jìn)行于2022年秋季某日，在中國北部地區(qū)，通過SAM軟件輸出，推算得到當(dāng)日太陽能供熱效率及太陽能利用總效率。經(jīng)計(jì)算，該日的太陽能供熱效率、總效率同DNI逐時變化，如圖2所示。

由圖2可知，太陽能供熱效率、總效率與DNI（太陽在對地球表面直射期間的輻照強(qiáng)度）三者之間同一時段出現(xiàn)的峰值不同，但總體走勢大致相同，即在上午06:00-08:00期間，三者同步呈上升狀態(tài)，隨后在08:00-16:00區(qū)間基本保持平穩(wěn)，其中供熱效率在16:00期間出現(xiàn)下降，總效率在18:00期間出現(xiàn)急速下滑，DNI在13:00左右開始出現(xiàn)逐步下降，由此可見，光伏、光熱的互補(bǔ)利用系統(tǒng)在特定日期的供熱效率在中午12:00前后達(dá)到峰值，此時段的太陽能供熱效率及總效率最高。

圖2 太陽能供熱效率、總效率與DNI 變化

由于在00:00-07:00與18:00-24:00時段內(nèi)，太陽能無法提供相應(yīng)熱量，此時借助輔助熱泵進(jìn)行儲熱，為實(shí)現(xiàn)太陽能熱量與輔助熱泵存儲熱量相匹配，采用網(wǎng)格尋優(yōu)方式，平衡太陽能與熱泵蓄熱器，經(jīng)測算，熱泵蓄熱量如圖3所示。

圖3 未調(diào)控期間熱泵太陽能功率與熱泵熱負(fù)荷匹配情況

為解決熱泵熱負(fù)荷同太陽能加熱功率不匹配等問題，采用虛擬儲能策略對熱泵負(fù)荷曲線路徑進(jìn)行優(yōu)化。由于熱泵自身具備一定的蓄熱性，因而在上午日照時間短、熱量不足的情況下，通過適時降低熱泵供暖溫度，可有效減少熱泵中的熱負(fù)荷，待午后太陽照射輻射量足夠，且熱泵收集到一定的太陽能熱能后，通過設(shè)置調(diào)節(jié)熱泵中的加熱溫度，對熱泵太陽能熱量吸收情況進(jìn)行調(diào)整，將白天所存儲的多余的太陽能儲蓄起來。

設(shè)定熱泵溫度隨日照時間的推移逐漸降低，此時將熱泵內(nèi)儲存的熱量進(jìn)行釋放，從而降低熱泵的熱負(fù)荷量，在將熱泵負(fù)荷進(jìn)行調(diào)控后，該日熱負(fù)荷同太陽能之間的供熱功率匹配情況如圖4所示。

圖4 調(diào)控后熱泵太陽能功率與熱泵熱負(fù)荷匹配情況

對比圖3與圖4可知，通過對熱泵儲熱負(fù)荷進(jìn)行調(diào)控，太陽能供熱功率同熱泵的負(fù)荷匹配度大幅提升，熱負(fù)荷及太陽能供熱功率幾乎趨于一致，通過熱泵對太陽能進(jìn)行儲熱，在一定時期內(nèi)，可持續(xù)為用戶提供供暖服務(wù)，該測試對太陽能提供的熱量進(jìn)行了有效存儲，降低了太陽能熱源的損耗及浪費(fèi)，改善了以往太陽能持續(xù)供暖時長較短、供暖效率低下等問題。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一套采用新能源技術(shù)用于低碳供暖的太陽能光伏、光熱互補(bǔ)熱電體系。通過對太陽能儲熱技術(shù)在低碳供暖中的儲熱運(yùn)行架構(gòu)分析，設(shè)計(jì)了太陽能光熱轉(zhuǎn)換、輔助熱泵導(dǎo)熱構(gòu)筑、熱泵集中輸出熱能等太陽能集熱供暖體系。針對太陽能集熱、熱泵儲熱、熱泵供熱等多渠道能源設(shè)計(jì)互補(bǔ)辦法，實(shí)現(xiàn)了將太陽能轉(zhuǎn)換成為熱能、電能，實(shí)現(xiàn)了熱泵儲蓄太陽能熱量，實(shí)現(xiàn)了陰雨天氣狀態(tài)下提供供暖服務(wù)的供暖目標(biāo)，借助虛擬儲能技術(shù)手段，優(yōu)化了熱泵儲熱性能，提高了太陽能集熱供熱的能量實(shí)用度，解決了傳統(tǒng)儲熱過程中的能量損失問題，有效推進(jìn)了低碳能源建設(shè)，對于實(shí)現(xiàn)太陽能高效利用具有積極意義。