某工業(yè)廠房太陽能相變蓄熱供暖系統(tǒng)優(yōu)化配置研究

甄子亞，趙樹興，馮 威，于云雁

（1.天津城建大學(xué)，天津 300384；2.信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計研究院科技工程股份有限公司青島分公司，山東 青島 266034）

近年來，太陽能作為一種清潔高效的可再生能源備受青睞.我國大多數(shù)供暖地區(qū)太陽資源相對豐富，而且利用太陽能供暖是一項符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的供熱技術(shù).但是太陽能熱利用受到太陽光照間歇性和季節(jié)性的制約[1]，為了能夠持續(xù)有效地進(jìn)行供暖，蓄熱技術(shù)的應(yīng)用就顯得尤為重要.目前，在實際工程應(yīng)用中，太陽能供暖系統(tǒng)主要以水作為蓄熱介質(zhì)，需要配備較大容量的蓄熱水箱，占地面積大；而相變蓄熱是依靠相變材料（PCM）在相變過程中吸收或釋放熱量來完成蓄熱裝置的蓄熱或放熱，具有體積變化小、儲能密度大的優(yōu)點.現(xiàn)有的研究中更多關(guān)注于如何加強(qiáng)相變蓄熱裝置的蓄放熱速率或?qū)⑾嘧冃顭嵫b置應(yīng)用于小型別墅的太陽能供暖系統(tǒng)中，而將相變蓄熱裝置應(yīng)用于工業(yè)廠房的太陽能供暖系統(tǒng)中的較少.機(jī)加工工業(yè)廠房一般只在白天工作，只需在白天采暖，夜間維持值班溫度即可，而且其采暖要求溫度低，建筑位置、空間結(jié)構(gòu)的特殊性都為利用太陽能采暖創(chuàng)造了有利條件.本文將相變蓄熱技術(shù)應(yīng)用到天津市某工業(yè)廠房的太陽能供暖系統(tǒng)中，對系統(tǒng)的主要設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置研究.

1 太陽能相變蓄熱供暖系統(tǒng)設(shè)計

本文結(jié)合天津市塘沽區(qū)某散熱器加工生產(chǎn)工業(yè)廠房（單層，長 80.48 m×寬 24.48 m×高 8.3 m），進(jìn)行太陽能相變蓄熱供暖系統(tǒng)方案設(shè)計，主要包括太陽能集熱器、相變蓄熱裝置、輔助熱源和供暖末端設(shè)備的確定，并將該方案作為基本研究方案，系統(tǒng)基本組成詳見圖1.

圖1 太陽能相變蓄熱供暖系統(tǒng)基本組成

1.1 太陽能集熱器

本文太陽能集熱系統(tǒng)采用平板型集熱器.平板型集熱器平均集熱效率在50%左右，具有易與建筑物相結(jié)合、承壓性能好、維護(hù)費用低等優(yōu)點.該廠房在初步設(shè)計時，取集熱面積與供暖面積之比為1∶3[2]，安裝角度為59°[2]，單位面積流量為0.06 m3/（h·m2）[3].集熱系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)詳見表1.

表1 集熱系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)

1.2 相變蓄熱裝置

本系統(tǒng)采用相變蓄熱單元作為相變蓄熱裝置的基本單元，相變蓄熱單元基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，具體結(jié)構(gòu)詳見文獻(xiàn)[4].該相變蓄熱單元內(nèi)添加52#石蠟[5]作為相變材料，箱體結(jié)構(gòu)尺寸為長550 mm，寬360 mm，厚80 mm，導(dǎo)熱管管徑為20 mm.該相變蓄熱單元在蓄滿能量時可存儲約5 MJ的能量，根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]提供的計算方法，本系統(tǒng)選用400個相變蓄熱單元組成相變蓄熱裝置，總體積為6.4 m3.該相變蓄熱裝置是將這400個相變蓄熱單元分為20組，每組20個重疊并聯(lián)在一起，相變蓄熱裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖2 相變蓄熱單元基本結(jié)構(gòu)

圖3 相變蓄熱裝置結(jié)構(gòu)示意

1.3 輔助熱源

本系統(tǒng)擬選用電輔助加熱器作為輔助熱源來加熱無法達(dá)到供暖需求的熱水.電輔助加熱器的功率按照完全不考慮太陽能提供熱量（如陰雨天氣）的情況下選取，其電加熱器功率可根據(jù)下式計算[7]

式中：W為電加熱器功率，kW；QH為最大熱負(fù)荷，W；1 000為單位換算系數(shù)；η為電加熱器熱效率，一般取95%～97%，本文取96%.

經(jīng)模擬計算，該建筑最大熱負(fù)荷為170 kW；代入式（1）計算得電加熱器功率約為177.08 kW，本文取180 kW.

1.4 供暖末端設(shè)備

太陽能供暖末端設(shè)備常采用低溫?zé)崴┡┒搜b置，主要包括自然循環(huán)散熱器、強(qiáng)制對流散熱器、采暖地板以及采暖裝飾輻射板這4類.本系統(tǒng)選用適應(yīng)于工業(yè)廠房的強(qiáng)制對流散熱器作為供暖末端設(shè)備.

2 太陽能相變蓄熱供暖系統(tǒng)仿真平臺

2.1 供暖熱負(fù)荷計算模型

利用TRNBuild建立該工業(yè)廠房的建筑信息模型，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料特性參數(shù)按照表2中的數(shù)值進(jìn)行設(shè)置.利用TRNSYS建立供暖熱負(fù)荷計算模型，主要包括氣象參數(shù)、建筑信息模型、積分器、在線輸出等模塊，詳見圖4.該廠房的室內(nèi)設(shè)計溫度：工作時段（8：00AM～6：00PM）為 12℃，其它時間段為 5℃.模擬時間為7 632 h至10 535 h（天津供暖期為當(dāng)年11月15日到次年3月15日），該廠房供暖期逐時熱負(fù)荷結(jié)果如圖5所示.

表2 廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工條件

圖4 廠房供暖熱負(fù)荷計算模型

圖5 廠房供暖期逐時熱負(fù)荷

2.2 太陽能相變蓄熱供暖系統(tǒng)仿真平臺

太陽能相變蓄熱供暖系統(tǒng)仿真平臺主要包括：氣象數(shù)據(jù)、集熱器、建筑物、電輔助加熱器、強(qiáng)制散熱器組合、供暖系統(tǒng)溫控閥、合流三通、分流三通、循環(huán)泵、時間方程、積分器、房間供暖熱負(fù)荷讀入器、在線輸出、結(jié)果打印、計算模塊等模塊.太陽能相變蓄熱供暖系統(tǒng)仿真平臺如圖6所示.

2.3 仿真平臺運行的控制

圖6 太陽能相變蓄熱供暖系統(tǒng)仿真平臺

根據(jù)廠房的供暖需求，供暖系統(tǒng)需為廠房提供60℃的熱水用于末端散熱裝置.根據(jù)集熱器的出水溫度分為以下三種情況：第一，當(dāng)供水溫度高于60℃時，經(jīng)過相變蓄熱裝置使熱水溫度降低再為廠房供熱；第二，當(dāng)供水溫度高于55℃而低于60℃時直接向廠房供熱；第三，當(dāng)供水溫度低于55℃時，通過輔助加熱器加熱直到水溫上升到設(shè)定溫度（白天的設(shè)置為55℃，夜間設(shè)置為60℃）后停止加熱.白天上班前提前半小時開啟供暖運行模式，使人員在投入工作時廠房的室內(nèi)溫度能夠滿足需求，同時利用相變蓄熱裝置的蓄熱性在下班前提前半小時進(jìn)入夜間供暖運行模式，減少對電輔助加熱量的需求.

3 供暖系統(tǒng)優(yōu)化配置分析

對于太陽能供暖系統(tǒng)而言，集熱面積決定著集熱量的大小，相變蓄熱裝置的容積直接影響其蓄存的熱量大小，因此，最佳集熱面積與蓄熱裝置容積的確定對太陽能供暖系統(tǒng)極其重要.本文選取太陽能保證率作為該工業(yè)廠房太陽能相變蓄熱供暖系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)，利用TRNSYS軟件[8]所搭建的系統(tǒng)仿真平臺研究集熱面積、相變蓄熱裝置容積對太陽能保證率的影響并對其進(jìn)行優(yōu)化.

3.1 集熱面積對太陽能保證率的影響

相變蓄熱容積一定（為6.4 m3），對不同的集熱面積的系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬.比較分析整個供暖季的集熱有用能、相變蓄熱量、電輔助加熱量以及系統(tǒng)太陽能保證率，結(jié)果見表3，太陽能保證率隨集熱面積的變化曲線如圖7所示.

由表3可看出，系統(tǒng)的集熱有用能與相變蓄熱量隨著集熱面積的增加而增大，電輔助加熱量則隨著集熱面積的增加不斷減少.集熱面積的增加使集熱量相應(yīng)增加，延長了太陽能作為熱源的供暖時間，減少了輔助熱源的運行時間，節(jié)省電耗.由圖7可看出，隨著集熱面積的增大，太陽能保證率逐漸增大，但其增大的幅度越來越小.

表3 不同集熱面積下的系統(tǒng)能量與太陽能保證率

圖7 太陽能保證率隨集熱面積變化曲線

3.2 相變蓄熱裝置容積對太陽能保證率的影響

在熱器面積一定（為660 m2）的條件下，對不同相變蓄熱裝置容積的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬.比較分析其能耗情況，結(jié)果如表4所示，相應(yīng)的太陽能保證率隨相變蓄熱裝置容積的變化規(guī)律如圖8所示.

表4 不同蓄熱裝置容積下的系統(tǒng)能量與太陽能保證率

圖8 太陽能保證率隨相變蓄熱裝置容積變化曲線

從表4和圖8可以看出，太陽能保證率隨著相變蓄熱裝置容積的增大呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律.當(dāng)相變蓄熱裝置容積較小時，蓄存的熱量有限，不能充分利用太陽能，系統(tǒng)有效得熱量少，太陽能保證率低；當(dāng)相變蓄熱裝置容積較大時，蓄熱單元蓄存的熱量不能完全釋放，太陽能保證率低.

3.3 系統(tǒng)配置優(yōu)化分析

在前面的分析中，主要討論了相變蓄熱裝置容積和集熱器面積分別作為單一變量對太陽能保證率的影響，但不能全面地反映系統(tǒng)的運行效果.因此，選取集熱器面積為 460，560，660，760，860，960 m2，相變蓄熱裝置容積為 5.5，5.8，6.1，6.4，6.7，7，7.3，7.6 m3，進(jìn)行不同的配比.對不同的配比的集熱器面積和相變蓄熱裝置容積的系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，得到太陽能保證率隨集熱器面積及相變蓄熱裝置容積關(guān)系曲線，如圖9所示.

圖9 太陽能保證率隨集熱器面積及相變蓄熱裝置容積的變化曲線

由圖9可以看出，在集熱器面積與相變蓄熱裝置容積不同配比情況下，太陽能保證率變化趨勢不盡相同.在集熱器面積為860 m2、相變蓄熱裝置容積為7 m3時，太陽能保證率達(dá)到最大為67.60%，此時系統(tǒng)配置最優(yōu).對優(yōu)化配置前后的系統(tǒng)進(jìn)行模擬計算，得到系統(tǒng)整體的能耗與太陽能保證率，其數(shù)值詳見表5.

表5 系統(tǒng)整體優(yōu)化前后能耗與太陽能保證率對比

由表5可以看出，對系統(tǒng)配置優(yōu)化后，系統(tǒng)總的集熱有用能增大了81 008 MJ，相變蓄熱量增大了31 445 MJ，電輔助加熱量減少了57 409 MJ，太陽能保證率增加了5.55%.該系統(tǒng)使太陽能得到了更加充分利用，節(jié)能與環(huán)保性能大大提升.

為了更好地為相同類型的工業(yè)建筑的相變蓄熱供暖系統(tǒng)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，得到單位建筑面積下，最優(yōu)系統(tǒng)配置的集熱器面積為0.437 m2、相變蓄熱裝置容積為3.56×10-3m3.

4 結(jié)論

本文將太陽能保證率作為優(yōu)化目標(biāo)，以集熱器面積與相變蓄熱裝置容積為優(yōu)化對象，對天津市某工業(yè)廠房的太陽能相變蓄熱供暖系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬研究，得出以下結(jié)論.

（1）當(dāng)相變蓄熱裝置容積一定時，太陽能保證率隨著集熱器面積的增大而增大，但其增大的幅度會越來越??；當(dāng)集熱器面積一定時，太陽能保證率隨著相變蓄熱裝置容積的增大先增大后減小.

（2）對于該工業(yè)廠房的太陽能相變蓄熱供暖系統(tǒng)，最佳集熱面積為860 m2、最佳相變蓄熱裝置容積為7 m，此時系統(tǒng)的太陽能保證率達(dá)到67.60%.對于同類工業(yè)建筑的相變蓄熱供暖系統(tǒng)，單位建筑面積下，最優(yōu)系統(tǒng)配置的集熱器面積為0.437 m2、相變蓄熱裝置容積為3.56×10-3m3.