“雙碳”背景下儲熱型低碳供暖體系助力能源結構調整優化研究

穆琳，周晴晴,2（通信作者），霍樹義

1.河北水利電力學院，河北滄州，061001；2.河北省數據中心相變熱管理技術創新中心，河北滄州，061001

0 引言

“雙碳”背景下，研究儲熱型低碳供暖體系，可助力能源結構優化調整，減少碳排放幅度，推動經濟社會發展走上全面綠色轉型道路。基于傳統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，故選用太陽能光電領域，對“雙碳”背景下的儲熱型低碳供暖體系進行優化研究[1]。當前，太陽能已成為低碳儲熱供暖系統的首選能源，將其應用于光伏發電或光熱技術，能避免昂貴的硅晶光電轉換工藝，極大地降低傳統發電成本[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構進行了細化研究，通過解讀太陽能儲熱運行架構，對其導熱技術做出進一步優化，最終借助太陽能，實現了低碳儲熱供暖的目的。該研究對于助力能源結構優化調整、大力發展新能源、建立健全綠色低碳循環發展的經濟體系具有一定的現實意義[3]。

1 太陽能熱泵供暖體系運行架構

隨地球自轉，太陽能輻照強度與地球同步發生變化，因而，太陽能具備能流密度低、晝夜間歇性強等基本特征。一般條件下，地球地表的太陽輻射強度均小于1.5kW/m2，由于部分光能無法被有效吸收轉換，所以地表通過光熱所轉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現利用太陽能集熱。該體系在獲取熱量后，可對熱量進行儲存，若未收集到熱量，也能通過發電或采用其他低碳能源方式形成循環供暖[5]。太陽能儲熱運行架構由太陽能集熱、熱泵、水循環等三部分運行結構組建而成，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行儲熱供暖，其運行原理如圖1所示。

圖1 太陽能集熱供暖系統架構圖

當太陽能輻照度在滿足供暖需求時，該系統供熱模式可隨時啟動，通過風機驅動周邊空氣，進入風聯箱真空管內，吸熱升溫后，隨風聯箱將其導出，供熱需由換熱器循環加熱水，并在真空管中設置相變蓄能芯，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釋放出一定熱量對空氣進行加熱，從而保障整個供熱系統的穩定性。若太陽能輻照度衰減至300W/m2以下，真空管內獲取熱量則為零。此時采用相變蓄能芯對太陽能儲存熱量持續供熱，可有效延長系統整體供熱時長，提高太陽能使用效率。若相變蓄能芯的溫度也達不到設定的溫度值區間，則立即啟動空氣源熱泵，采用相變蓄能芯輔助熱泵蒸發器繼續傳輸一定熱量，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供熱目標。

2 導熱技術優化

2.1 太陽能光熱轉換

太陽能具有寬光譜、低強度、間歇性等特點。要高效利用太陽輻射能熱能，需借助相應聚焦系統，或采用集熱器等方法，將太陽能光能轉化為熱能資源，其作用是依靠集熱器中的特殊物質結構，或采用相應材料體系，以實現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行熱電互補，應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，對聚集的太陽光進行再次匯聚勻化，經匯聚勻化后的太陽光，抵達至太陽能電池表面三結砷化鎵部分，此時太陽能電池能源逐步轉化成為相應的電能與熱能資源。其中，轉換的熱能資源可用于滿足電能電負荷供暖，其他部分由蓄電池對其進行儲蓄，或轉由電網對剩余負荷電量進行持續輸送，一旦出現供暖電負荷不足時，可由蓄電池釋放出一定電能或利用電網對其進行供暖補充。太陽能所轉化的熱能資源主要用于一般熱負荷供暖，剩余部分熱能則通過儲熱罐進行儲存，當太陽能熱能資源不足時，剩余部分通過儲熱罐進行釋放，繼續提供熱能供暖。

太陽能電池供電功率計算公式如式（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成的光學效率；ηPV(T)指太陽能電池的運行溫度在T階段所發生的效率，如式（2）所示：

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

式（3）中：n指代光伏、光熱的互補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，其單位用W(m2·K4)表示；σ表示斯特藩——玻爾茲曼常數，為5.67*10-8W(m2·K4)；T0指代互補模塊的周邊的環境溫度，一般在測試中取典型日的室外溫度，用單位K表示。根據以上公式，可推出光伏、光熱互補模塊的太陽能供熱功率表達式如式（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)代表光伏光熱互補模塊在散熱期間出現的損失，用單位kW表示。通過上述公式可得光伏、光熱互補系統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數據可通過SAM軟件獲得輸出。在確保光伏、光熱互補模塊能夠產生熱能的情況下，可將所述光伏、光熱互補模塊應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

當太陽能集熱器收集到當天熱量后，采用輔助熱泵蓄熱體對其進行熱量儲蓄，輔助熱泵蓄熱器作為太陽能集熱器提供熱量的次熱源，可持續為用戶提供供暖服務。輔助熱泵蓄熱系統在非供暖季節期間，通過打開熱泵供熱閥門，可向儲熱系統進行持續性蓄熱，當蓄熱端側閥門被開啟后，向蓄熱系統中傳輸熱量，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。通過Energy Plus軟件，可依照網格尋優方式，計算出逐時熱負荷數據，求解系統性能參數。利用網格尋優法分別對集熱面積和水箱容量進行測算，以一定精度值，將集熱面積和水箱容量離散化，隨后生成相應網格，通過計算水箱能量平衡度，即可得到該精度下集熱面積和水箱容積的最優配比，該測試方式便于輔助熱泵蓄熱器依照參數平衡儲熱溫度。

2.3 熱泵供熱

在持續陰雨天氣狀態下，熱泵需要承擔整個供熱系統所有的熱負荷工作。因而，熱泵機組應依照最大供暖負荷條件對其進行選型。一般條件下，熱泵的制熱量Qh計算方法如式（7）所示：

式（7）中，Qh指熱泵名義制熱量，用單位kW表示；K2指陰雨天氣狀態下的熱泵溫度計算修正系數，取值為0.76；K3指出現霜凍期間，熱泵機組進行化霜修正的系數，每化霜一次，取值為0.9/h，化霜兩次，取值為0.8/h。考慮節能減排因素，有熱負荷時熱泵就持續運行，沒有熱負荷時熱泵就停止運行，嚴寒或寒冷地區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 實驗測試

3.1 實驗準備

實驗選用DF-905422離心式風機用于太陽能集熱，其運行期間軸功率及配套電機功率為0.75W，啟動期間，該離心式風機轉速為2900r/min，可產生最大風量為21m3/min；在水循環系統中，設置膨脹水箱，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循環水；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 測試結果

該測試進行于2022年秋季某日，在中國北部地區，通過SAM軟件輸出，推算得到當日太陽能供熱效率及太陽能利用總效率。經計算，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度）三者之間同一時段出現的峰值不同，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，隨后在08:00-16:00區間基本保持平穩，其中供熱效率在16:00期間出現下降，總效率在18:00期間出現急速下滑，DNI在13:00左右開始出現逐步下降，由此可見，光伏、光熱的互補利用系統在特定日期的供熱效率在中午12:00前后達到峰值，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，太陽能無法提供相應熱量，此時借助輔助熱泵進行儲熱，為實現太陽能熱量與輔助熱泵存儲熱量相匹配，采用網格尋優方式，平衡太陽能與熱泵蓄熱器，經測算，熱泵蓄熱量如圖3所示。

圖3 未調控期間熱泵太陽能功率與熱泵熱負荷匹配情況

為解決熱泵熱負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荷曲線路徑進行優化。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，通過設置調節熱泵中的加熱溫度，對熱泵太陽能熱量吸收情況進行調整，將白天所存儲的多余的太陽能儲蓄起來。

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

圖4 調控后熱泵太陽能功率與熱泵熱負荷匹配情況

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

4 結語

本文設計了一套采用新能源技術用于低碳供暖的太陽能光伏、光熱互補熱電體系。通過對太陽能儲熱技術在低碳供暖中的儲熱運行架構分析，設計了太陽能光熱轉換、輔助熱泵導熱構筑、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計互補辦法，實現了將太陽能轉換成為熱能、電能，實現了熱泵儲蓄太陽能熱量，實現了陰雨天氣狀態下提供供暖服務的供暖目標，借助虛擬儲能技術手段，優化了熱泵儲熱性能，提高了太陽能集熱供熱的能量實用度，解決了傳統儲熱過程中的能量損失問題，有效推進了低碳能源建設，對于實現太陽能高效利用具有積極意義。