跨季節水蓄熱太陽能集中供暖工程與優化綜述

劉美杉 李祥立 端木琳 劉靚侃

大連理工大學建設工程學部

跨季節水蓄熱太陽能集中供暖工程與優化綜述

劉美杉 李祥立 端木琳 劉靚侃

大連理工大學建設工程學部

本文主要研究國內外跨季節水箱蓄熱的系統。從系統特性、參數配比、分層特性、埋深等因素對跨季節水箱蓄熱的影響研究現狀進行總結。同時整理了現有的太陽能集中供熱跨季節供熱的先進示范工程給出的實際應用。結合實際工程，介紹工程中的應用現狀，對工程的基本情況包括集熱器、水箱等進行概括總結，并對運行現狀和經驗教訓進行分析總結。

太陽能集中供熱 水箱蓄熱 優化

0　引言

太陽能跨季蓄熱這一理論最早提出于20世紀60年代，并于20世紀70年代開展了研究工作。20世紀70年代中期隨著研究工作的深入，這一技術逐漸應用在歐洲的大型太陽能跨季蓄熱供暖工程中[1]。國外最初的工作是依托國際能源署（IEA）1981年啟動的跨季節蓄熱太陽能集中供熱系統研究項目，主要針對的是蓄熱技術，以此減少由能源危機帶來的資源短缺，同時增加能源供應系統的效率[2～3]；2000年之后的研究大多集中于系統的優化，包括系統內部各個構件之間的參數最佳配比。近幾年太陽能的利用技術日趨成熟，太陽能的儲存已成為解決太陽能間歇性和供暖冬夏冷熱不均的一個主要辦法。

隨著科學技術的進步，蓄熱方式的研究也隨之深入。利用太陽能供暖規模也不再局限于單體建筑。越來越多的蓄熱方式在實際工程中被加以應用，人們也通過實際工程發現供暖規模越大，跨季蓄熱太陽能供暖的經濟性愈好。綜合現有的研究進展，顯熱蓄熱是最具應用價值的蓄熱方式。水作為儲熱介質，具有很多優點，例如傳熱及流動性能好，比熱容大；粘性、熱傳導性、密度等適合自然循環和強制循環的要求；無毒、無污染等。但由于水本身是液體，用它做蓄熱介質時就需要考慮它的容器，特別是大規模蓄熱工程。這樣的一個容器其形狀、體積、進出口位置、與其他設備耦合的參數都將對集熱器效率、供暖效果產生一定影響。因此，本文以水箱這一載體為主要對象展開分析。旨在對現有的研究中對水箱蓄熱的研究進展和優化參數范圍加以總結。并對工程中使用太陽能跨季蓄熱技術的案例進行整合，對現有的實際工程、理論研究進行梳理和總結。

1　太陽能蓄熱

蓄熱主要是針對太陽能這一可再生資源的間歇性特點做出的合理技術應用。根據蓄熱時間的長短，通常會將蓄熱分為短期蓄熱和跨季蓄熱。短期蓄熱通常收集一天的熱量，蓄熱最長不超過一周[1]。這種方法通常選用體積較小的水箱，水箱內水溫很高，最高可達95℃。這樣的高溫水通常可以直接供給生活熱網。太陽能供暖系統標準提供的水箱容積選擇范圍是對應每平方米太陽能集熱器采光面積而給出的，短期蓄熱給出的參考值是50～150L/m2。水箱溫度高但散熱同時也增大，溫度下降往往較快，通常只能滿足用戶在較短時間的用熱需求。跨季蓄熱通常收集幾個月的熱量，規范提供的容積選擇范圍也是參照集熱器采光面積給出的，為1400～2100L/m2。跨季蓄熱所需的水箱體積大，水箱內水溫低，在水箱無法滿足直供水溫條件時，通常需要其他輔助熱源來提升位能以滿足用戶用熱需求。

現有的儲熱方式可以分為顯熱蓄熱、相變蓄熱和化學蓄熱。三種蓄熱技術中，顯熱蓄熱的應用更為廣泛。水憑借其較大的比熱容成為非常良好的儲熱介質。加上它低廉的造價、較好的流動性、傳熱性能成為人們首選。同樣地埋管蓄熱應用也很多，主要方式是在地表以下安裝地埋管換熱器，并通過它向土壤進行蓄、放熱。此種方式若欲和熱水蓄熱取得相同的蓄熱量，蓄熱容積要比熱水蓄熱容積高出3～5倍。這種蓄熱方式通常和熱泵相結合，從而將土壤中的熱量提取供給用戶。在德國內卡蘇姆有采用該種蓄熱方式的實際工程，該蓄熱體體積約為63400m3，其蓄熱溫度可以達到85℃[4]。潛熱蓄熱和相變蓄熱近幾年的應用也在逐漸增多。通常相變材料蓄熱容量大，蓄熱密度高，蓄放熱過程中系統熱穩定性更優，體積小，但造價較高。我國近些年在相變蓄熱材料上也展開了諸多研究，對其可行性和適用范圍進行了驗證[5]。對于某一特定的太陽能供熱系統，不同的蓄熱方式會對整個系統運行、投資帶來不同程度的影響。因此，設計人員更應該因地制宜，合理考慮當地地理條件、氣象條件、集熱系統形式等選擇合理的方式，以用最小的投資達到最大的熱收益。

文獻[6]中給出了不同系統形式下的推薦蓄熱方式，如表1所示。無論選用哪種方式進行蓄熱，主要關注的還是蓄熱效果，這就對單位體積或單位重量的儲熱容量、工作方式和溫度范圍、加進或取出熱量的動力要求、儲熱器的容積、結構和內部溫度的分布情況以及減小儲熱系統熱損失和系統成本的方法等有一定的要求[7]。

表1　蓄熱方式選用表

為了達到較好的供熱效果，也需要對水箱的溫度進行合理控制。王磊、袁磊等人通過對西藏地區28個太陽能供暖系統的調查研究發現，所觀測統計的常見故障中以蓄熱水箱面積與集熱器面積的不匹配導致的故障居多，這種不匹配通常會改變水箱內的蓄熱狀態。在水箱體積過小的情況下，會使得水箱內水溫高于85℃而汽化，嚴重影響蓄熱效果[8]。除此之外，水溫過高也會加劇水箱內水的熱損失。在實際應用中，為了提高集熱器效率，常常希望從水箱回到集熱器的水溫較低。但如果水箱溫度太低，無法直供的情況下通常需要添加輔助熱源。由于實際氣候條件與設計有所偏差，常常導致輔助熱源使用時長大于設計值，從而增大了運行投資。在歐洲重點太陽能跨季蓄熱供暖示范工程中，有17項采用水箱蓄熱。

2　水箱蓄熱研究

2.1系統特性研究

意大利卡拉布里大學G.Oliverti等人模擬了一個太陽能蓄熱供熱系統，太陽能集熱器面積91.2m2，蓄熱水箱500m3。實驗從1995年5月1日模擬至次年11月31日，以水箱溫度變化為研究對象，對單年水箱溫度和兩年同時段內水箱溫度作對比，分析系統效率[9]。N.D.Kaushika和K.S.Reddy對太陽能悶曬式集熱、蓄熱系統蓄熱水箱內溫度變化進行了實驗模擬，得到了水箱內不同高度上溫度的變化規律，給出了此蓄熱水箱容積、集熱效率、水箱最終溫度之間曲線關系[10]。2000年德國D.Lindernberger等人利用Bavarian試點的一個太陽能跨季蓄熱的供熱系統進行模擬，對蓄熱、熱泵部分進行優化[11]。2005年，德國的S.Raab等人利用Trnsys軟件模擬跨季蓄熱太陽能供暖系統，在原有基礎上增加土壤溫度對蓄熱水箱的影響，模擬水箱水溫變化，驗證模型精度[12]。2009年Alireza Hobbi等人同樣利用Trnsys軟件，以太陽能保證率為目標函數，對太陽能熱水系統影響因素做了模擬分析。研究包括集熱器面積、流體類型、集熱器流量、水箱高度體積、熱交換器效率、管道尺寸等。結果顯示，優化后的太陽能保證率大大提高[13]。

2.2水箱體積與集熱器面積

由于針對某一特定的系統，過小的蓄熱容積會使得內部水溫過高而增大蓄熱體的熱損失，而過大的蓄熱容積會使儲存的水溫偏低。現如今，國內外已有多位學者針對不同地區、不同供熱對象的系統做出研究，給出了在一定條件下集熱板與蓄熱水箱最優體積比。

Mo.Chung等人利用Trnsys模擬設計太陽能跨季蓄熱系統，并預測系統性能和經濟性。該系統的熱量一部分向建筑供熱，另一部分向農作物溫室大棚供熱。模擬系統集熱器面積184m2，蓄熱水箱體積600m3。通過模擬給出了最佳水箱容積、集熱器面積和太陽能保證率之間的關系，并進行經濟評估[14]。K.K.Matrawy和I.Farkas以太陽輻射強度與負荷為依托，通過調整不同的集熱器面積與蓄熱水箱容積之比，研究集熱效率。給出了典型月不同集熱器面積與蓄熱水箱容積之比時，集熱器、蓄熱水箱效率、太陽能保證率的變化趨勢，從而判斷影響因素，選擇出最優的集熱器面積和水箱容積的數值[15]。D.Pahud主要研究太陽能跨季蓄熱。在給定不同蓄熱介質——巖石和水時，基于不同種類熱負荷的情況且太陽能保證率在70%的情況下，系統所需集熱器面積以及單位面積集熱器所需的巖石蓄熱或水蓄熱的容積[16]。

2007年，趙軍利用Trnsys軟件對太陽能跨季蓄熱供熱系統的運行特征進行了長期的模擬研究[17]，提出了集熱器面積與蓄熱水箱體積比是影響系統的主要參數且模擬得出集熱器面積與蓄熱水箱體積比在0.1～0.4范圍時，太陽能保證率在運行的第二年可達31%～54%。張廣宇等人通過對虛擬案例的分析初步得出在確定跨季節蓄熱供暖技術中建筑供暖面積、集熱器面積、蓄熱水箱容積等參數的合理取值范圍[18]。王選設計了太陽能蓄熱供熱系統優化設計軟件，通過輸入建筑、集熱器、蓄熱體參數，得出水箱逐時溫度，從而給出推薦蓄熱水箱蓄集熱比[19]。張時聰、姜益強、姚楊對哈爾濱一棟示范樓做數值模擬，以太陽能保證率為目標函數，地下水池體積為約束條件，得到了哈爾濱地區與100m2的集熱器相匹配的地下水池半徑推薦值[20]。

2.3水箱分層

太陽能蓄熱水箱中形成一定溫度分層能夠有效地提高集熱效率，降低熱損失。另一方面可以提高蓄熱水箱內可用熱量，在一定程度上減小輔助能源的使用，降低運行費用。實驗數據表明，在沒有機械擾動的前提下，容積為450L的水箱，水箱頂部與底部的溫差能夠達到32.4℃[21]。影響水箱分層的主要因素有水箱的形狀（方體、圓柱體等）、換熱形式、換熱位置、水箱高度與水箱直徑比、壁厚、壁面導熱性等。而1985年Wustling等人通過模擬發現具有良好分層的熱水系統效率比完全混合的系統高37%[22]。利用這一溫度差的優勢，合理設置水箱進、出水管位置，以使用戶側供水溫度增加來減少輔助熱源的使用。另一方面通過降低集熱器進口溫度來增加集熱器效率，從而有效地提高太陽能保證率。

現有的文獻中對水箱溫度分層的描述主要集中為多節點模型和插栓流兩個模型。主要影響水箱的溫度分層的是水箱的結構、水溫、進出溫度、進出口流量。徐同蘭，湯金華采用插栓流模型對水箱進行模擬研究[23]；羅艷，湯金華通過對一個容積為2.8m3，高2m的蓄熱水箱進行模擬得出分層對不同集熱器效率的影響程度和不同用水模式下分層效果的變化[24]。王登甲，劉艷峰對太陽能采暖系統中蓄熱水箱進行多節點分析研究，對高2m，半徑為1m的圓柱體蓄熱水箱進行模擬研究，得出了水箱進水管最佳流速在0.01～0.05m/s之間并給出了采暖供水管的最佳位置[25]。朱寧等人也通過CFD模擬給出了利于水箱分層的設計措施——降低熱水進口流速、提高熱水進口位置、涉及特殊熱水通道等來降低湍流的形成[26]。曲世琳等人通過對太陽能水源熱泵系統性能特性的研究，判斷了輔助熱源位置、進出口溫度、集熱器溫差對分層的影響[27]。除此之外，國內外諸多學者也對通過改善水箱內部結構來提高分層效果。王智平等人就不同的原理下的不同方法進行整理和綜述[28]。A.A.Dehghan和A. Barzegar從理論上進行研究探尋格拉曉夫數、雷諾數以及水箱進出口大小對水箱熱特性的影響[29]。

2.4埋深、控制方式研究

孫東亮等人利用相似性原理物理性縮小水箱蓄熱模型，考慮水箱內液體流動和溫度分層并通過數值模擬研究了在花崗巖型和沙子型兩種不同土壤中水箱埋入深度對系統太陽能保證率的影響，得出了在花崗巖型土壤中，太陽能保證率隨埋入深度的增加而增加。在沙子型土壤中埋深對太陽能保證率影響不大[30]。國外也有將蓄熱水箱直接放在室外的案例，在這種情況下，除了對冬季室外溫度有一定限制外，良好的保溫措施也是對蓄熱能力的有力保障。

通過理論分析，針對蓄熱的使用情況，可以看出供暖初期太陽能保證率在某些地區可以達到100%，但隨著時間的增加太陽能保證率越來越低。供暖中后期短期蓄熱對太陽能保證率的提升有明顯作用。有學者提出，大容積的蓄熱水箱在供暖初期使用，而在采暖后期使用小容積水箱更有優勢，但小水箱水溫波動大，對控制有一定要求[31]。

2.5研究現狀及存在的問題分析

1）研究對象。我國現如今太陽能供熱水技術已相對成熟，但在供暖方面的應用研究還處于發展中，沒有更為精準的工程參數給出，只能借鑒國外先進工程的經驗參數。另外國內跨季節蓄熱太陽能供熱的實際工程較少。在太陽能供熱方面，目前的研究重點主要集中于單體建筑，區域供熱的研究較少，小型的太陽能供熱項目不能獲得規模效益，太陽能保證率也很低。

2）初投資。限制太陽能大規模應用的主要問題還是初投資。水箱的保溫、施工造價高昂都是限制其大范圍應用的一個難點。現已有學者分析出在區域供熱中用戶數量的增加有利于降低運行費用和初投資。現有的研究中，優化研究的目標函數還是多以太陽能保證率為主。日后的優化應在前面研究的基礎上，將整個系統經濟性作為優化目標。

3）系統優化。以前的研究主要集中在系統的熱特性上，通過實驗給出系統設計的基本參數。近幾年的研究雖然開始綜合考慮系統的耦合特性，但多集中在集熱器面積與水箱體積的最優配比、地埋管體積的最優配比上。但實際工程要遠比研究所做的假設條件復雜，流量、輔件的參數、控制策略同樣會對系統運行優劣產生影響。

3　水箱蓄熱工程實例

3.1工程簡介

太陽能蓄熱系統應根據太陽能集熱系統形式、采暖負荷、太陽能保證率進行技術分析，綜合考慮地理條件、系統初投資和運行成本，選取適宜的蓄熱方式。歐洲、北美在太陽能供熱水、供暖系統方面的工程應用可以追溯到幾十年前。早期的太陽能供熱站沒有季節蓄熱，供熱規模較小，太陽能保證率很低[2]。隨著技術的發展，太陽能供熱站逐漸向大規模的跨季節蓄熱方向發展。但由于技術、經濟等因素，工程大多是針對單體建筑，個別研究也只是針對無需將工質防凍作為考慮因素的冬季溫度較高地區的建筑[14]。可以說，推廣范圍有一定的局限性。但近十余年來，大型太陽能供熱采暖系統工程登上歷史舞臺，并發展迅速。到2013年，共有太陽能供暖工程116項，其中有17項采用了水箱蓄熱技術[9]。

表2　歐洲大型跨季蓄熱太陽能供暖工程概況

3.2工程運行分析

1）控制策略。現有的工程多以溫差控制為主。水箱溫度達到直供溫度要求時直接供給用戶，溫度不達要求時通過輔助熱源，使水溫滿足條件后供給用戶。這一控制方法在工程驗證中，被認為是行之有效的。通過對工程的后期監察不難發現，如果集熱系統出現問題需要臨時關閉或開啟，這個控制策略就略顯簡易。

2）水箱。現有的水箱保溫多以在水箱四周和底面加不銹鋼或聚丙烯內襯并用玻璃棉做保溫。在研究中也有使用黏土做內襯，但容易出現漏水現象影響蓄熱效果。在實際操作中，如果采用其他輔助設備，也要根據實際情況調整以最大程度上滿足經濟性要求。如Attenkirchen的蓄熱工程，就采用了地下水池與地埋管耦合的蓄熱方式。埋地水箱做短期蓄熱，四周不加設保溫，從而提升土壤溫度，增強地埋管蓄熱。

3）水泵。在造成系統運行因為泵的啟停控制而影響運行效果的不在少數。實際運行中，由于泵開啟情況與設計不能達到統一，導致水箱進出口處的流量不一致，從而影響水箱內分層效果，而增大熱損失。因此實際運行中對系統的控制和對水箱水溫的控制也是日后研究的重點。另外有些工程選用多個造價低廉的泵代替一個大功率的水泵，這樣雖然減少了初投資，但運行控制時造成一定混亂，從整個系統運行上考慮，這樣降低初投資的方式并不提倡。

4　結論

本文重點介紹了太陽能水箱蓄熱的優化策略和實際工程應用情況。對供熱工程中蓄熱水箱的研究，如集熱器面積與水箱體積參數配比、水箱構造、水箱進出口位置、進出口流速等參數的研究已經較為成熟。但我國研究多集中于嚴寒、寒冷地區或太陽能資源富裕地區。從現有的研究結果可以看出，優化研究目標函數主要是太陽能保證率。研究內容也主要是在得到較高太陽能保證率的前提下尋找各組件之間的最優參數配比。另外新型保溫材料的研發也會對水箱蓄熱提供有力保障。在關注這一類材料供熱效果的優化的同時，經濟性問題也是考慮的重點。實際應用中，應是在技術成熟的基礎上降低造價，從而達到真正意義上的節能優化。

在實際工程中，為了大力推廣這一技術，減小投資的方案和技術研究應緊跟工程進行。水作為蓄熱介質雖然有諸多優點，但是它的一些缺點卻不容忽視。水融入氧氣后容易引起腐蝕作用，同時結冰時體積膨脹，會破壞管路或儲熱容器。因此在實際工程中要考慮熱脹性，以免水箱破裂漏水而引起不必要的熱量損失。通過理論分析，針對蓄熱的使用情況，可以看出在供暖初期，太陽能保證率在某些地區可以達到100%，然后隨著時間的累積，太陽能保證率越來越低。供暖中后期短期蓄熱對太陽能保證率的提升有明顯作用。優先利用水箱內蓄存的水可以減小水箱的熱損失，如何強化這一方法的控制策略也是在實際中應加以細化的。另外通過在實際工程中也有很多經驗教訓，例如可以考慮做多種蓄熱方式耦合來滿足用戶熱需求。夏季蓄熱水箱溫度過高時可以嘗試夜間運行集熱器來降溫。將現有工程的后期監控做好定會為以后的工程設計提供更多有價值的技術依據。

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Review of Application and Optimization on Central Solar Heating Plants with Seasonal Water Storage

LIU Mei-shan,LI Xiang-li,DUANMU Lin,LIU Liang-kan
Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology

This article mainly focuses on the central solar heating plants with seasonal water storage.It summarizes the domestic and overseas researches done on the influences on the tank storage including tank characters,system parameters,stratifications and placing depths.Meanwhile organizes central solar heating plants with seasonal water storage projects.The paper also concludes the projects including collectors and tanks.Moreover analyzes the current running situations and lessons.

central solar heating plant,tank storage,optimization

1003-0344（2015）06-026-6

2014-5-29

劉美杉（1990～），女，碩士研究生；遼寧省大連市甘井子區凌工路2號大連理工大學綜合實驗四號樓427（116033）；E-mail:smgsmlk@163.com

中央高校基本科研業務費專項資金資助（DUT14QY13）