李澤瑞，姜曉霞，劉克為

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱150046)

0 引 言

作為一項能源布局的重要技術，跨季節(jié)儲熱供暖可實現(xiàn)能源的跨季調(diào)度，在采暖季利用非采暖季儲存的熱量進行供暖。近年來，清潔供暖、“碳中和”和“碳達峰”的能源戰(zhàn)略對跨季節(jié)供暖提出了更高的要求。由于太陽能是一種零碳排放的可再生能源，利用太陽能進行跨季節(jié)儲熱供暖便成為了降低供暖系統(tǒng)碳排放的有效途徑。在這一原理基礎上，逐漸形成了跨季節(jié)儲熱太陽能供暖技術，即在非供暖季，通過蓄熱裝置將太陽能轉化為熱能并儲存起來；在供暖季，將蓄熱裝置中的熱能放出，從而實現(xiàn)碳零排放供暖。斜溫層儲罐作為一種可以同時存儲兩種溫度儲熱介質(zhì)的蓄熱裝置，在燃煤機組調(diào)峰改造方面進行了大范圍推廣，其蓄熱能力實現(xiàn)了跨季節(jié)儲熱太陽能供暖技術中對大容量儲熱的需求。

目前在跨季節(jié)儲熱太陽能供暖領域已有大量關于蓄水箱和儲熱介質(zhì)的研究。

張廣宇等人[1]建立太陽能季節(jié)蓄熱供暖系統(tǒng)的數(shù)學模型，獲得了能量平衡關系，分析了蓄熱水箱外保溫厚度和蓄熱水箱體積與散熱率和散熱量的關系；王蓮蓮等人[2]以濟南地區(qū)為研究對象建立了跨季節(jié)蓄熱太陽能供熱系統(tǒng)，計算分析了在不同保溫方案下供熱面積與集熱器面積的關系，其蓄熱系統(tǒng)的主要蓄熱裝置為位于地下的蓄熱水箱；郭占全等人[3]基于地下埋管建立了跨季節(jié)土壤太陽能儲熱系統(tǒng)，采用仿真分析方法，得到了不同埋管深度、管內(nèi)流體溫度、土壤條件、埋管間距的不同的土壤蓄熱效果；馬小琨[4]通過數(shù)值方法對水合鹽吸附跨季節(jié)儲熱進行了研究，建立考慮多孔介質(zhì)模型和熱化學吸附模型的數(shù)值模型，分析了反應床脫附過程中的溫度變化、顆粒吸附量變化和水蒸氣質(zhì)量分數(shù)及相對濕度變化?，F(xiàn)有的跨季節(jié)儲熱太陽能供暖技術多采用蓄熱水箱、埋管等蓄熱裝置，尚無采用斜溫層儲罐的研究成果。

本文針對太原集中供暖困難的某收費站，根據(jù)當?shù)靥柲苜Y源分布條件，提出了采用斜溫層儲罐作為蓄熱裝置的跨季節(jié)蓄熱太陽能供暖系統(tǒng)，建立了熱平衡關系，得到了蓄熱裝置外形尺寸和太陽能鏡場集熱面積，對比了采用不同熱水溫度的方案的關鍵設備參數(shù)，研究結果可用于跨季節(jié)蓄熱太陽能供暖系統(tǒng)的分析與選型。

1 方案設計

1.1 設計背景

本文針對太原某收費站用戶進行了跨季節(jié)斜溫層儲罐蓄熱太陽能供暖方案的設計，假設用戶需要設計一套可供2 000 m2的跨季節(jié)儲熱供暖系統(tǒng)，供熱量為80 W/m2。項目地點為太原某收費站，供暖時間為11月1日到第二年的3月31日，按閏年計算共152天，此時供暖期比非閏年的供暖期多一天。據(jù)此，收費站供暖期所需的總熱量為2 101 248 MJ，并以此進行分析設計。

跨季節(jié)蓄熱供暖系統(tǒng)主要有集熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)，用太陽能集熱系統(tǒng)在全年收集太陽能，加熱儲熱介質(zhì)后儲存于斜溫層儲罐，在非供暖期將其儲滿有效容積，在供暖期，太陽能集熱系統(tǒng)與斜溫層儲熱系統(tǒng)一起向用戶輸送供暖熱水，若水溫過高，可通過換熱器轉化為用戶可用的供暖溫度。其中換熱系統(tǒng)是按一般小型供熱區(qū)域需求的熱參數(shù)確定的熱水溫度與回水溫度，可依據(jù)實際情況考慮是否設置。系統(tǒng)流程圖見圖1、圖2。

圖1 不帶有換熱系統(tǒng)的跨季節(jié)斜溫層儲熱太陽能供暖系統(tǒng)

圖2 帶有換熱系統(tǒng)的跨季節(jié)斜溫層儲熱太陽能供暖系統(tǒng)

經(jīng)查取國家氣象中心的資料，太原地區(qū)全年的輻射總量為5 148.09 MJ/m2，具體的每月日平均輻射量見表1。

表1 太原地區(qū)各月日平均太陽能輻射量

根據(jù)表1數(shù)據(jù)計算可知，非供暖期輻射總量為3 618.96 MJ/m2，供暖期輻射總量為1 529.13 MJ/m2。

1.2 集熱系統(tǒng)

由于太原市地處北方，冬季時溫度常為零下，相比于集熱管易于凍壞的太陽能平板集熱器，本文選取防凍和散熱損失更小的太陽能真空管集熱器。考慮太陽能集熱系統(tǒng)本身的散熱損失，經(jīng)轉化后設置其集熱效率為60%。通過表1計算得到：非供暖期集熱系統(tǒng)的集熱量為2 171.38 MJ/m2，供暖期集熱體統(tǒng)的集熱量為917.48 MJ/m2(按閏年計算)。

1.3 儲熱系統(tǒng)

本文選取斜溫層儲罐作為儲熱裝置，斜溫層儲罐相較于普通的蓄水箱，具有長時間同時儲存熱水與冷水的能力，以斜溫層將兩者分開，可以根據(jù)冷熱水需求獨立供應，調(diào)控能力更強。系統(tǒng)啟停迅速，適用于收費站等偏遠地區(qū)在日常生活中的使用。斜溫層儲罐可以使用水、油、熔融鹽等作為儲熱介質(zhì)，而油與熔融鹽往往應用于高溫儲熱。對于太原某收費站，本文選擇水作為儲熱介質(zhì)，它不僅取用方便，價格經(jīng)濟，而且具有更高的比熱容。在相同熱量下，所需的斜溫層儲罐體積最小。在本文中，根據(jù)項目地點的實際情況，先選取兩種斜溫層儲罐的存水溫度，方案一中冷水溫度為15 ℃，熱水溫度為60 ℃，此時供暖季從儲罐輸出的熱水可直接用于供暖使用；方案二中冷水溫度為15 ℃，熱水溫度為90 ℃,匯總集熱器廠家提供的信息，90 ℃為一般太陽能真空管集熱器在不設置輔助熱源時，理想狀態(tài)下能達到的最高溫度，但在供暖時需要設置換熱器進行換熱，使熱水溫度降到可供用戶供暖使用的60 ℃。

對于斜溫層儲罐，根據(jù)工程經(jīng)驗，保溫材料選取較為經(jīng)濟的高溫玻璃棉，其導熱系數(shù)為0.05 W/(m·℃)。對于斜溫層儲罐，其24小時熱損耗不應大于有效總釋熱量的2%，查取GB 50019-2015《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》中太原市的室外空氣條件，計算得保溫層厚度選取為0.15 m時，既經(jīng)濟又能有效的減少散熱損失。以此計算儲存不同溫度熱水時斜溫層儲罐單位面積的熱損失量。

2 計算公式

現(xiàn)根據(jù)熱量守衡，建立跨季節(jié)斜溫層儲熱太陽能供暖系統(tǒng)的熱量計算公式。第一部分，供暖期用戶所需熱量等于太陽能集熱系統(tǒng)在供暖期收集的熱量與斜溫層儲罐儲存的熱量減去供暖期斜溫層儲罐損失的熱量；第二部分，太陽能集熱系統(tǒng)在非供暖期收集的熱量等于斜溫層儲罐儲存的熱量與斜溫層儲罐在非供暖期損失的熱量之和。

根據(jù)熱量平衡，跨季節(jié)斜溫層儲熱太陽能供暖系統(tǒng)的熱量計算公式為：

Q=(hr-hl)Vρ+Q1A1-αA2t1

(1)

Q2A1=(hr-hl)Vρ+αA2t2

(2)

式中：V——斜溫層儲罐的有效儲熱體積，m3；

Q——用戶供暖期所需供熱量，kJ；

hr——斜溫層儲罐的熱水焓值，kJ/kg；

hl——斜溫層儲罐的冷水焓值，kJ/kg；

ρ——斜溫層儲罐的熱水密度，kg/m3；

Q1——供暖期太陽能集熱器的集熱量，kJ/m2；

Q2——非供暖期太陽能集熱器的集熱量，kJ/m2；

A1——太陽能集熱面積，m2；

A2——斜溫層儲罐的保溫表面積，m2；

t1——供暖期時間，s；

t2——非供暖期時間，s；

α——斜溫層儲罐的單位面積熱損失，kW/m2。

對于斜溫層儲罐，在罐壁直段高度與儲罐內(nèi)徑比達到1.6時，儲罐的結構形式達到最佳。但在計算斜溫層儲罐時，儲罐有效容積往往小于儲罐直壁段的體積，這是因為斜溫層儲罐為了安全穩(wěn)定地運行，會留有一定的膨脹余量，膨脹余量高度往往占儲罐直壁段的0.15到0.25，在本文中取膨脹系數(shù)γ為0.2。據(jù)此斜溫層儲罐的儲熱有效體積計算公式為：

V=(1-γ)V1

(3)

V1=πβD3

(4)

式中：V1——斜溫層儲罐的直臂段體積，m3；

β——斜溫層儲罐高徑比；

γ——膨脹系數(shù)；

D——斜溫層儲罐的內(nèi)徑，m。

斜溫層儲罐罐頂為拱頂，外壁全部鋪有保溫材料，保溫層厚度為0.15 m。由于罐壁厚度相對于儲罐直徑過小，在計算中忽略不計，據(jù)此斜溫層儲罐保溫面積的計算公式為：

(5)

式中：

d——保溫層厚度，m。

3 計算結果

針對于太原收費站方案，不同溫度的高溫水對應不同的焓值，同時裝有該溫度熱水的斜溫層儲罐有不同的單位面積散熱損失，因此我們分別對方案一與方案二進行討論，其中共性的參數(shù)有：非供暖季集熱器的集熱量Q2為2 171 380 kJ/m2，供暖季集熱器的集熱量Q1為917 480 kJ/m2，非供暖時間t2為18 489 600 s，供暖時間t1為13 132 800 s, 收費站供暖期所需的總熱量Q為2 101 248 000 kJ。

對于方案一，冷水為15 ℃，熱水為60 ℃，此時計算參數(shù)見表2。

表2 方案一的計算參數(shù)

根據(jù)已知參數(shù)，考慮到管道等設備的散熱，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，需要在散熱面積A再增加5%的余量，將參數(shù)帶入公式(1)、(2)、(3)、(4)與(5)中，可以得到最佳的集熱面積與儲熱內(nèi)徑，經(jīng)計算得儲罐內(nèi)徑為21 m，太陽能集熱面積為1 308.5 m2。系統(tǒng)流程如圖1。

對于方案二，冷水為15 ℃，熱水為90 ℃，此時計算輸入的參數(shù)見表3。

表3 方案二的計算參數(shù)

計算方法參照方案一，但對于熱水溫度為90 ℃的斜溫層儲罐，在冬季供暖時需要加入換熱系統(tǒng)將90 ℃熱水轉換為60 ℃熱水為用戶安全穩(wěn)定的供暖，所以在整個系統(tǒng)中需要添加一個換熱系統(tǒng)，在這里我們選用管殼式換熱器，其熱交換率設置為95%，供暖所需的總熱量需增加5.26%左右，將參數(shù)帶入公式(1)、(2)、(3)、(4)與(5)中，可以得到最佳的集熱面積與儲罐內(nèi)徑，儲罐內(nèi)徑為18 m，太陽能集熱面積為1 360 m2。系統(tǒng)流程如圖2。

我們進一步對加裝換熱系統(tǒng)的存水溫度進行進一步計算分析討論，取熱水溫度為70 ℃、80 ℃，冷水溫度仍為15 ℃，其物性參數(shù)見表4。

表4 70 ℃、80 ℃的物性參數(shù)

在計算后，結果與方案一、方案二匯總，見表5。

表5 不同熱水溫度下的計算結果

通過對方案一與方案二的計算結果對比，以太原收費站為例，在不設置輔助熱源的情況下，斜溫層儲罐儲存熱水溫度為60 ℃時，儲罐的體積更大，所需的太陽能集熱面積相對較小，斜溫層儲罐儲存熱水溫度為90 ℃時，儲罐的體積更小，所需的太陽能集熱面積稍大。但斜溫層儲罐儲存熱水溫度為90 ℃時，太陽能集熱面積未比斜溫層儲罐儲存熱水溫度為60 ℃時的太陽能集熱面積多5%，斜溫層儲罐的體積卻遠遠小于儲存熱水溫度為60 ℃的斜溫層儲罐，在同為常壓罐的情況下，斜溫層儲罐材質(zhì)基本相同。雖然斜溫層儲罐儲存熱水溫度為90 ℃時，跨季節(jié)斜溫層儲熱太陽能供暖系統(tǒng)增加了換熱系統(tǒng)，但其價格與占地面積遠小于太陽能集熱系統(tǒng)與斜溫層儲熱系統(tǒng)，暫可忽略。所以，對于跨季節(jié)斜溫層儲熱太陽能供暖系統(tǒng)，方案二比方案一具有更好的經(jīng)濟性與實用性。

進一步對加裝換熱系統(tǒng)的跨季節(jié)斜溫層儲熱太陽能供暖系統(tǒng)進行計算分析，在供暖總量一定的條件下，隨著儲存熱水溫度的升高，由70 ℃到90 ℃，斜溫層儲罐的內(nèi)徑逐步增大，斜溫層儲罐的有效容積也隨之變大，即斜溫層儲罐的體積逐漸增大。但太陽能集熱面積隨著輸出熱水溫度的升高先變大后變小，但相對面積變化不大。

4 結 論

對于供暖期供暖量一定的跨季節(jié)斜溫層儲熱太陽能供暖系統(tǒng)，冷水溫度不變，隨著儲熱熱水溫度的升高，斜溫層儲熱系統(tǒng)單位面積的散熱量逐步增大，斜溫層儲罐的有效容積隨著溫度的升高而減小，在熱水溫度高于60 ℃，設置換熱系統(tǒng)后，太陽能集熱系統(tǒng)的集熱面積隨熱水溫度升高先變大后變小，總體變化不大。對于整個跨季節(jié)斜溫層儲熱太陽能供暖系統(tǒng)，在供暖期供熱量一定，不設置輔助熱源的情況下，儲熱水的溫度越高，系統(tǒng)的經(jīng)濟性與實用性越好。