太陽能復合熱源系統最優集熱參數匹配

王瓊高軍于水利

1同濟大學機械與能源工程學院

2同濟大學環境科學與工程學院

21世紀以來，化石燃料燃燒后造成的環境污染問題日益凸顯[1]。太陽能作為一種取之不盡、無任何污染的可再生能源，無疑具有極大的發展潛力。我國具有豐富的太陽能資源，太陽能年輻照總量超過5000 MJ/m2·a[2]，但是太陽能具有間斷性和不穩定性，不僅隨晝夜、季節、維度、海拔等因素的規律性變化，還受天氣影響的隨機性變化[3]。因此太陽能需要與其他穩定的常規能源聯合使用，在最大化發揮太陽能優勢的同時，保證系統運行的穩定性，降低運行成本[4]。復合式太陽能供熱系統在生活熱水和采暖中的應用較多[5-7]，在某些工業生產（如海水淡化等）中，需要24 h連續不斷提供穩定負荷，本文將對幾種常見的太陽能復合供熱系統在24 h連續提供穩定負荷的工況下進行經濟性比較。對經濟性較好的系統討論比較不同供水溫度，集熱器面積和水箱體積對經濟性的影響，為此類技術在今后的工程應用提供參考。

1 太陽能復合熱源控制系統

圖1為兩種太陽能復合熱源系統的原理圖。圖1（a）在太陽能集熱器的出入口設置溫度檢測器，當出口溫度高于入口溫度時，閥門1打開，回水流經集熱器進行集熱，當出口溫度低于入口溫度時，閥門1關閉，閥門2打開，回水直接進入蓄熱水箱。水箱內置溫度測點，當水箱內溫度低于設定下限時，輔助熱源啟動對水箱進行加熱，直到水箱內溫度到達設定溫度。圖1（b）有兩種運行模式：串聯和并聯，在太陽能集熱器的出入口設置溫度檢測器。串聯使用時，當出口溫度高于入口溫度時，打開閥門3，回水流經集熱器進行集熱，當集熱器出口水溫高于設定溫度時，閥門1、3開啟，閥門2、4關閉，此時太陽能充足。當出口水溫度低于設定值時，開啟閥門2關閉閥門1進行熱源切換，此時太陽能不足需要加入輔助熱源進行串聯。當太陽能集熱器出口溫度低于入口溫度時，關閉閥門1、2、3，開啟閥門4，水不流經集熱器，而是直接通過輔助熱源進行加熱，可以減少管路損失。并聯使用時，當出口溫度高于入口溫度時，打開閥門1、3、4，關閉閥門2，系統內循環回水分別經太陽能集熱器和生物質熱水鍋爐加熱（通過管路閥門的開度、調節適宜回水流量的分配值）后流入蓄熱水箱。當太陽能集熱器出口溫度低于入口溫度時，與串聯相同直接由輔助熱源加熱。

圖1（a）系統以水箱溫度為控制對象，圖1（b）的串聯模式以集熱器出口水溫為控制對象，并聯模式以分流比（流經輔助熱源的回水流量與系統總回水流量的比值）R為控制對象。幾種系統都可以充分利用太陽能，并自動切換熱源，自動蓄熱，可以提供穩定的負荷，并且24 h連續運行，通過設置不同的溫度還可以切換不同的供水溫度。對于太陽能供熱系統而言，為了彌補太陽能的不穩定性和間斷性，蓄熱往往是必要的條件，即把太陽能集熱器在晴朗白天吸收的部分太陽輻射能儲存起來，以備夜間或陰雨天使用。蓄熱水箱起到了良好的熱量平衡作用[8]。

本文以天津市為研究地區，天津市屬于日照豐富區，全年逐月太陽輻射量如圖2所示。其中5月太陽輻射量最高，11月-1月太陽輻射量較低。

圖1 太陽能復合熱源控制原理圖

圖2 天津市月太陽輻射量

2 數學模型

利用TRNSYS[9]軟件進行模擬，計算太陽能與輔助熱源分別提供的熱量，并進行討論。TRNSYS由于采用了模塊化結構，多種部件可以靈活連接，并且擁有精確的控制器模型，這為太陽能復合熱源控制系統的模擬仿真提供了條件。

2.1 集熱器模型

在相同的周圍環境條件和工作溫度下，真空管集熱器的熱損較小。真空管集熱器適用于寒冷地區[10]，Hazim[11]認為雖然真空管集熱器初始投資成本高，但是運行成本相對較低，因此選用熱管式真空管集熱器。天津緯度為39.1°，最佳傾角為44.1°，為方便設計，選取傾角為45°。

集熱器的瞬時效率方程：

式中：a0、a1、a2為常數，由集熱器性能決定；Ti為集熱器入口溫度，K；Ta為環境溫度，K；I為太陽能集熱器總輻射，kJ/(h·m2)

2.2 水箱模型

由于冷熱水密度不同，水箱內會存在分層，即水箱下部分水溫較低而上部分水溫較高。水箱采用分層模型。水箱內設置泄壓閥以解決沸騰效應。水箱溫度最高值設定為95℃，當溫度高于95℃時，排氣將釋放足夠的能量以保持水箱處于該溫度。由于排氣而導致的質量損失被忽略。能量損失視為對環境的能量損失。圖1（a）系統設定輔助熱源的啟動溫差為5℃，即當設置的出水溫度為85℃時，當水箱內水溫低于80℃時開啟輔助熱源對水箱進行加熱，達到85℃時停止加熱。水箱內水溫變化如下：

式中：Ts+為t+△t時刻水箱內的水溫，K；Ts為t時刻水箱內的水溫，K；m為水箱內水的質量，kg；Cp為水的比熱容，取4.19 kJ/(kg·K)；Qu為集熱器和輔助熱源存儲的熱量，kJ；Qloss為熱損失，kJ；Qload為供給系統的熱負荷，kJ。

2.3 太陽能系統優化

從低碳環保、節能減排的角度考慮，應該盡可能多地使用太陽能，即增大太陽能系統的面積，但是一味增大集熱器面積會導致集熱器成本上升，因此在實際工程中，應合理設計太陽能集熱器的面積，使系統有更優的經濟性。在太陽能供熱系統中，集熱器的造價占總造價的比例較高，因此對集熱器面積優化的研究得到了重視[12]。

由于采用了太陽能而減少常規能源消耗所帶來的收益，可按下式計算：

式中：n為太陽能集熱器系統壽命，年；p為補充常規能源價格，元/MJ；Qs為太陽能提供的能量，M J/m2；A為太陽能集熱器面積，m2。

一般情況下，水箱體積越大可以存儲的熱量就越多，但是同時水箱的成本會上升，且所占空間增大。因此在實際應用中，應合理設計水箱體積。同時不同的供水溫度也會影響水箱的蓄熱能力。

水箱成本由表1給出。

表1 水箱成本表

太陽能集熱器系統的凈收益為：

式中：Z為單位面積太陽能集熱系統造價，取1200元/m2；Stank為水箱成本，元。

由分析可知，太陽能集熱器系統的凈收益受集熱器面積，水箱體積和供水溫度的影響，太陽能系統凈收益最大時對應的集熱器面積稱為最優集熱器面積。

2.4 經濟性比較

在幾種工況下對兩種系統的三種運行模式進行經濟性比較。結果由表2所示，其中并聯模式選取分流比R=0.5，在±5℃的溫度波動范圍內，水溫全年保證率為78%，在24 h連續提供穩定負荷時并聯模式需要增大分流比，此時太陽能的利用率較低。

表2 不同運行模式凈收益對比

由表2可以看出，相同工況下系統1a的凈收益更大，因此選擇圖1（a）的系統繼續進行最優參數匹配計算，并聯模式隨集熱器面積的增大凈收益降低，這是由于太陽能利用率增加較小，不足以彌補成本的增加。

3 模擬結果及分析

3.1 供水溫度和集熱器面積的影響

圖3為系統以燃氣作為補充能源（價格2.77元/m3）條件下，穩定提供64 kW負荷時不同供水溫度下的太陽能集熱系統凈收益與集熱器面積的關系，此時水箱體積為10m3。由圖可以看出，當集熱器面積較小時，集熱器面積越大太陽能集熱系統凈收益越高。當集熱器面積繼續增加時，太陽能集熱系統凈收益開始下降，此時減少常規能源消耗帶來的收益小于集熱器成本的上升。這是由于水箱體積一定時，在太陽能輻射量較高的月份（如5月、6月、7月），較大的集熱器面積會使水箱出現過熱，當水箱內溫度到達95℃時，不會再進行熱量的存儲。在熱源溫度為85℃時，與使用1000m2集熱器面積相比，凈收益可從54萬元增加至76萬元，可提高42%。在對比不同熱源溫度下的凈收益可以看出，供水溫度越低，凈收益越高，在集熱器面積為700m2時，凈收益可由76萬元增加至150萬元，提高97%。供水溫度改變系統最大收益對應的集熱器面積為500m2左右。在不同供水溫度下，雖然凈收益相差較大，但是對應的最優集熱器面積基本相同，這表明此系統在提供不同溫度熱水時，無需更改集熱器面積就可使太陽能集熱器系統有較好的經濟性，因此適用范圍較廣。

圖3 不同集熱器面積與凈收益的關系

3.2 水箱體積的影響

圖4為系統以燃氣作為補充能源條件下，穩定提供64 kW負荷時水箱體積對集熱器系統凈收益的影響。當集熱器面積為100m2時，水箱體積越大凈收益越低，此時太陽能集熱器蓄熱量較少，增大水箱體積增大了水箱成本，是總收益降低。集熱器面積增大，凈收益隨水箱體積的增大而增加，增加幅度較小，當集熱器面積為500 m2時，水箱體積從10 m3提高到50m3，凈收益由82萬增加到87萬，僅提高7%，此時改變水箱體積對凈收益沒有顯著影響，在實際使用中，應結合實際情況選擇合適的水箱體積。因此在研究供水溫度和集熱器面積對凈收益的影響時選取不同的水箱體積對最優集熱器面積的影響較小。

圖4 不同水箱體積與凈收益的關系

3.3 負荷改變的影響

上述研究表明，在負荷一定時，最優集熱器面積和水箱體積均可以提前進行選擇和優化，接下來將進一步對負荷變化的情況進行模擬研究。

圖5為以燃氣作為補充能源條件下，供水溫度75℃，水箱體積30m3時，凈收益與負荷的變化關系。由圖中可以看出，當負荷小幅度波動時，最大凈收益對應的集熱器面積基本相同，仍在500m2左右，且負荷越大凈收益越高，此時太陽能集熱器的熱損失較低。

圖5 不同負荷與凈收益的關系

4 結論

1）本文使用TRNSYS對幾種太陽能復合熱源系統在24 h連續穩定運行工況下進行模擬，并通過成本計算對比太陽能系統的凈收益，結果表明，通過監測蓄熱水箱溫度控制輔助熱源的啟停具有更好的穩定性和經濟性。

2）供水溫度和集熱器面積對太陽能集熱系統的凈收益影響較大，供水溫度越低凈收益越大，對于不同的供水溫度對應的最優集熱器面積基本相同。在不確定供水溫度的情況下，可以先對集熱器面積進行優化，即使在供水溫度需要改變時，也無需對集熱器面積進行改變，就可以繼續保持較高的收益。

3）水箱體積對凈收益的影響較小，可以結合實際進行選擇。如果有較大的空間，可以采用較大體積的水箱實現更高的收益，即使空間較小選用小體積的水箱，也不會對收益產生較大的影響。

4）負荷在小幅度內波動對最優集熱器面積的影響較小，且負荷越大凈收益越高。因此當系統的負荷確定時，可以對集熱器面積進行優化，并進行水箱體積的選擇，在變供水溫度和變負荷的情況下仍具有較高的經濟性。

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