太陽(yáng)能分布式供熱系統(tǒng)一次和二次網(wǎng)運(yùn)行分析*

董昌偉 趙斌，** 馮婧恒 盧大為 劉誠(chéng)鵬

（1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210；2.西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 拉薩 850001）

受限于化石燃料資源的匱乏及生態(tài)環(huán)境的脆弱，無(wú)法建立大規(guī)模熱電聯(lián)產(chǎn)的燃煤電站進(jìn)行供熱，使得西藏地區(qū)居民供暖方式受到制約［1-3］。西藏地區(qū)太陽(yáng)能極其豐富，年均輻射量6000-8000 MJ/m2，年均日照約3000 h且穩(wěn)定度高［4，5］。太陽(yáng)能作為未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，主要分為光伏發(fā)電與太陽(yáng)能熱利用，太陽(yáng)能供熱是把太陽(yáng)輻射能作為熱源的一種既節(jié)約資源又滿足環(huán)保要求的綠色供熱方式［6，7］。然而，太陽(yáng)能具有不穩(wěn)定性和間歇性的特點(diǎn)，在特殊天氣等情況下不能滿足用戶的供熱需求［8，9］。因此，采用多能互補(bǔ)的供熱方式構(gòu)成西藏自治區(qū)的供熱熱源，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)層面考慮均是最佳的選擇［10］。

太陽(yáng)能分布式供熱系統(tǒng)可有效地提高太陽(yáng)能保證率，且燃?xì)獗趻鞝t等輔助熱源可克服太陽(yáng)能不連續(xù)的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)藏區(qū)居民冬季持續(xù)穩(wěn)定供熱［11，12］。文章結(jié)合西藏帶補(bǔ)燃的太陽(yáng)能分布式供熱系統(tǒng)進(jìn)行了供熱調(diào)試試驗(yàn)，從一次網(wǎng)、二次網(wǎng)日溫度變化對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行分析，為該系統(tǒng)在藏區(qū)的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

1 供熱系統(tǒng)集成

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

以西藏自治區(qū)能源研究示范中心辦公樓供熱為例，建設(shè)一套供熱面積不低于570m2帶補(bǔ)燃的太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)，太陽(yáng)能使用率不低于70%.帶補(bǔ)燃的太陽(yáng)能分布式供熱系統(tǒng)將太陽(yáng)能作為主要熱源、燃?xì)庾鳛檩o助熱源，天然氣可在太陽(yáng)能不滿足需求的情況下為系統(tǒng)提供熱源支持，是太陽(yáng)能和燃?xì)獾淖罴疡詈戏绞剑?3，14］。同時(shí)，蓄熱水箱既可以克服太陽(yáng)能的缺點(diǎn)，又可降低常規(guī)能源消耗和保護(hù)環(huán)境［15，16］。此系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 帶補(bǔ)燃的太陽(yáng)能分布式供熱系統(tǒng)工作原理圖

1.2 主要設(shè)備

1.2.1 平板集熱器。在太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)中平板集熱器按一定傾角放置，陽(yáng)光穿過蓋板入射到涂有選擇性涂層的吸熱板上，其中吸熱板收集大多數(shù)輻射能，轉(zhuǎn)化為熱能。此系統(tǒng)選用了15塊大平板和兩種厚度的各3塊小平板集熱器。大、小平板集熱器主要技術(shù)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 大平板集熱器技術(shù)參數(shù)

表2 小平板集熱器技術(shù)參數(shù)

1.2.2 蓄熱水箱。太陽(yáng)能利用過程中蓄熱主要為彌補(bǔ)太陽(yáng)能的不連續(xù)性帶來(lái)的影響，將吸收的太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存?zhèn)溆?。此系統(tǒng)選用一個(gè)直立的圓柱體承壓蓄熱水箱，其技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 蓄熱水箱技術(shù)參數(shù)

1.2.3 燃?xì)獗趻鞝t。此系統(tǒng)選用2臺(tái)型號(hào)為L(zhǎng)N1GBQ50-NCN52HD冷凝式燃?xì)獗趻鞝t作為輔助熱源，其主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 燃?xì)獗趻鞝t技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由于系統(tǒng)處于試運(yùn)行階段，燃?xì)獗趻鞝t已安裝完畢但沒有進(jìn)行調(diào)試，而蓄熱水箱由于環(huán)境溫度較低無(wú)法進(jìn)行發(fā)泡保溫，故現(xiàn)在兩者均未投入運(yùn)行。從2017年11月1日開始調(diào)試，12月6日實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)依靠于太陽(yáng)能平板集熱器為單一熱源的初步供熱，供熱效果較為理想，辦公樓各個(gè)房間暖氣片在太陽(yáng)能工作期間均能達(dá)到理想溫度，白天辦公樓室內(nèi)溫度維持在20℃達(dá)7h左右（選取12月30日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析）。

2.1 太陽(yáng)輻射量

太陽(yáng)輻射量隨時(shí)間的變化如圖2所示。由圖2可以看出，從9:00至11:00時(shí)間范圍內(nèi)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度從209W/m2急劇增加至863W/m2，而且平均每日太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度持續(xù)在800W/m2以上的時(shí)間將近6h。因此，西藏地區(qū)獨(dú)有的太陽(yáng)輻射特點(diǎn)為帶補(bǔ)燃的太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)在該地區(qū)的推廣提供了條件。

圖2 太陽(yáng)輻射量隨時(shí)間的變化曲線

2.2 室內(nèi)外溫度

環(huán)境溫度對(duì)太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)集熱和熱損失具有很大影響。室外溫度和室內(nèi)溫度在9:00至19:00范圍內(nèi)的變化如圖3所示。由于蓄熱水箱未投入使用，室內(nèi)溫度和室外溫度變化趨勢(shì)基本相同，受到室外溫度變化的影響比較明顯。如果儲(chǔ)存多余熱量，室內(nèi)的溫度變化將會(huì)更平穩(wěn)，且基本保持在一個(gè)較窄的溫度區(qū)間。

圖3 室內(nèi)外溫度隨時(shí)間的變化曲線

2.3 二次網(wǎng)進(jìn)出口溫度

二次網(wǎng)進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。由于試驗(yàn)過程中系統(tǒng)僅依靠太陽(yáng)能為單一熱源進(jìn)行供熱，因此9:00至10:00二次網(wǎng)進(jìn)口溫度升高較緩慢，10:00至14:00溫度迅速升高并出現(xiàn)最高值，14:00以后溫度慢慢降低，18:30以后二次網(wǎng)將作為熱源為一次網(wǎng)供熱，直到次日9:00以后二次網(wǎng)再次作為末端，從一次網(wǎng)吸熱。對(duì)比圖3可知，二次網(wǎng)進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化曲線與太陽(yáng)輻射量隨時(shí)間變化曲線的變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明太陽(yáng)輻射量的大小直接影響著二次網(wǎng)進(jìn)出口溫度的高低。

圖4 二次網(wǎng)進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化曲線

2.4 一次網(wǎng)進(jìn)出口溫度

一次網(wǎng)集熱器進(jìn)口和出口溫度的變化如圖5所示。集熱器進(jìn)出口溫度較高，進(jìn)口最低溫度3.7℃，最高溫度60℃；集熱器出口最低溫度3.1℃，最高溫度65.6℃。集熱器進(jìn)口和出口溫度的日均值都比室外環(huán)境溫度高，表明集熱器在高溫條件下運(yùn)行，散熱損失很大，對(duì)增大集熱效率無(wú)益。集熱器進(jìn)出口溫差值基本保持在4℃以上，中午時(shí)溫差最大，約為6.6℃。集熱器的出口溫度在9:00后均高于進(jìn)口溫度，表明在白天集熱器吸收陽(yáng)光輻射，集熱量是正值。集熱器進(jìn)口和出口介質(zhì)的溫度變化趨勢(shì)一致，隨著時(shí)間的變化都是先升高后降低，14:00左右達(dá)到極大值，同時(shí)變化趨勢(shì)為在14:00之前迅速升高，14:00以后溫度變化達(dá)到平穩(wěn)，集熱器工作時(shí)進(jìn)口和出口的溫差基本保持不變，其運(yùn)行狀況良好。

圖5 集熱器進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)西藏地區(qū)的地理位置和太陽(yáng)輻照特點(diǎn)，利用太陽(yáng)能輻照儀測(cè)量平板集熱器吸收輻射量，并得出其隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。結(jié)果顯示，太陽(yáng)能輻射量在每天9:00至11:00急劇增加，13:00至14:00達(dá)到最大值。但由于蓄熱水箱未投入使用，室內(nèi)、外溫度變化的趨勢(shì)相同，受到室外溫度變化的影響較為明顯。

由于試驗(yàn)過程中帶補(bǔ)燃的太陽(yáng)能分布式供熱系統(tǒng)依靠于太陽(yáng)能作為單一熱源供熱，致使約18:30后二次網(wǎng)作為熱源為一次網(wǎng)供熱，直到次日約9:00后二次網(wǎng)作為末端，從一次網(wǎng)吸熱。但此系統(tǒng)僅為辦公樓而非居民住宅樓供熱，若天氣晴朗，太陽(yáng)能作為單一熱源可以滿足用戶全天大部分時(shí)間的供熱需求。