太陽能供暖系統(tǒng)用即熱式蓄熱水箱熱工性能的試驗研究

胡晶晶，杜震宇

(太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

太陽能具有資源豐富、分布廣泛和綠色環(huán)保等優(yōu)點，是具有廣闊應(yīng)用前景的可再生能源，但同時太陽能的利用也存在間歇性、不穩(wěn)定性和供需不匹配等缺點。蓄熱水箱作為太陽能供暖系統(tǒng)的熱量調(diào)控單元，具有削峰填谷的作用，可以有效彌補太陽能熱利用系統(tǒng)的缺陷。目前針對蓄熱水箱主要是有關(guān)溫度分層的研究，溫度分層形成的原因是在熱壓差作用下，高溫低密度的水上升，低溫高密度的水下降，從而在蓄熱水箱內(nèi)形成上部溫度高、下部溫度低的分層現(xiàn)象[1]。蓄熱水箱合理的溫度分層既可以利用低溫水層的水降低集熱器進(jìn)口溫度，從而提高集熱器集熱效率；又可以提高水箱內(nèi)高溫水的比例，減少輔助熱源的使用[2]。SAVICKI et al[3]模擬了水箱內(nèi)部流體運動的過程, 研究表明水箱內(nèi)溫度分層效果與熱力參數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。SPUR et al[4-5]對水箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)間接式水箱、合適的換熱盤管布置[6]、合理的水箱高徑比[7]等結(jié)構(gòu)形式均有助于形成良好的溫度分層。YA?CI et al[8]研究運行條件對溫度分層的影響發(fā)現(xiàn)，蓄熱水箱進(jìn)口流速的增大、流量的增加均不利于溫度分層的形成[9]，進(jìn)出口溫差的增大則有助于溫度分層的形成，從而提高系統(tǒng)的太陽能保證率[10-11]。朱寧等[12]通過模擬分析得出結(jié)構(gòu)簡單的水箱不易形成明顯的溫度分層，必須對水箱的結(jié)構(gòu)以及操作工況進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

目前改進(jìn)蓄熱水箱的方法多是通過結(jié)構(gòu)改造減弱水箱內(nèi)部冷熱流體的摻混，依靠流體浮升力達(dá)到更好的溫度分層，但水箱內(nèi)冷熱流體換熱形式以自然對流為主，換熱效率低，且使用中需加熱整個水箱內(nèi)流體，因而普遍存在升溫慢的缺陷。本文研發(fā)的即熱式蓄熱水箱換熱空間小、換熱效率高，早上集熱器啟動后，可依靠太陽能快速地將地暖供水溫度加熱到設(shè)計值，解決了傳統(tǒng)溫度分層蓄熱水箱早上集熱器啟動后升溫慢、太陽能供暖不及時的缺點，減少輔助熱源的使用，本文對其實際應(yīng)用效果進(jìn)行了試驗研究。

1 系統(tǒng)簡介及即熱式蓄熱水箱構(gòu)造

1.1 太陽能-空氣源熱泵復(fù)合地板輻射供暖系統(tǒng)簡介

研究所采用的太陽能-空氣源熱泵復(fù)合地板輻射供暖系統(tǒng)主要由集熱裝置、空氣源熱泵、即熱式蓄熱水箱、地板輻射供暖末端裝置等4部分組成，如圖1所示。

圖1 太陽能-空氣源熱泵復(fù)合地板輻射供暖系統(tǒng)Fig.1 Solar-air source heat pump composite floor radiant heating system

集熱裝置為2組并聯(lián)的微通道太陽能平板型集熱器，每組集熱器由7塊太陽能光熱板和1塊太陽能光伏光熱板組成，單塊板的長、寬分別為2 m，1 m.集熱器在運行期間為供暖系統(tǒng)和蓄熱水箱提供熱量,同時光伏板生產(chǎn)的電能可用于系統(tǒng)水泵和空氣源熱泵耗電。

空氣源熱泵為系統(tǒng)的輔助熱源，額定功率為2 400 W，額定制熱量為8 500 W，在集熱器集熱量和水箱蓄熱量不足以滿足房間熱負(fù)荷需求時進(jìn)行補熱，維持室溫在設(shè)計區(qū)間。

即熱式蓄熱水箱作為系統(tǒng)熱量調(diào)控單元根據(jù)工況變化分配熱量，室內(nèi)溫度低于設(shè)計值時，集熱器集熱量全部用于供暖；室內(nèi)溫度高于設(shè)計值時，集熱器集熱量全部用于蓄熱。

測試房間為朝正南方向的普通農(nóng)村住宅，長寬高分別為12 m，9 m，3 m，供暖面積為108 m2，房間采用地板輻射供暖，房間結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 房間結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of room

集熱器防凍液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的乙二醇水溶液，在集熱板中吸熱溫度升高后，經(jīng)集熱器循環(huán)泵加壓送入換熱水箱，被冷卻后回流到集熱板，形成集熱循環(huán)系統(tǒng)；房間地暖回水經(jīng)地暖循環(huán)泵加壓送入換熱水箱，被加熱后回流到房間地暖盤管，形成供暖循環(huán)系統(tǒng)；潛水泵將蓄熱水箱的水提升至換熱水箱，換熱后流回蓄熱水箱，形成蓄熱循環(huán)系統(tǒng)；空氣源熱泵盤管置于即熱式蓄熱水箱中下部，熱泵工質(zhì)為氟利昂，從環(huán)境中吸收熱量后，從水箱上部流入、下部流出，形成補熱循環(huán)系統(tǒng)。

1.2 即熱式蓄熱水箱結(jié)構(gòu)參數(shù)

由圖1可知，本文所研發(fā)的即熱式蓄熱水箱由換熱水箱、潛水泵、蓄熱水箱、空氣源熱泵盤管4部分組成。

即熱式蓄熱水箱尺寸見表2，保溫層采用聚氨酯現(xiàn)場發(fā)泡制成，厚度為80 mm.

表2 即熱式蓄熱水箱尺寸Table 2 Size of instantaneous hot water storage tank

即熱式蓄熱水箱采用內(nèi)置波紋管換熱水箱換熱，從而分離換熱和蓄熱單元并用潛水泵連接，因此集熱器供熱、地暖供暖和水箱蓄熱過程可獨立或同時進(jìn)行，系統(tǒng)更加靈活、實用。波紋管由于內(nèi)外形如波形的構(gòu)造，折疊面積大、占用空間小，而且波峰波谷處的流速、壓力變化可產(chǎn)生雙向擾動，較小流速即能形成湍流，因此與普通光管相比，波紋管換熱器具有傳熱系數(shù)高、換熱面積大和難結(jié)垢等優(yōu)點[13]，波紋管換熱器總傳熱系數(shù)比光管換熱器高50%以上[14]，所以采用波紋管的換熱水箱相比傳統(tǒng)分層蓄熱水箱換熱效率更高、占用水箱空間更小。

換熱水箱結(jié)構(gòu)如圖2所示，換熱水箱為敞口的長方體，地暖供回水管道接口設(shè)于幾何尺寸為0.66 m×0.15 m的側(cè)壁上，換熱器進(jìn)出口設(shè)于幾何尺寸為0.75 m×0.15 m的側(cè)壁上，換熱管道采用304不銹鋼U型波紋管，外徑20 mm，內(nèi)徑16 mm，換熱管道在垂直方向分為四路并聯(lián)管道，以傾斜的蛇形

管形式均勻布置于換熱水箱內(nèi)，縱向管間距35 mm，橫向管間距45 mm，潛水泵出水口與地暖回水管道接口設(shè)于換熱水箱同側(cè)。

圖2 換熱水箱結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of heat exchange water tank

由換熱水箱結(jié)構(gòu)特點可知，地暖回水或蓄熱水箱的水沿?fù)Q熱水箱較小截面流動，流速更大，有助于提高傳熱系數(shù)；換熱管道以蛇形管的形式布置，管內(nèi)集熱器防凍液流速慢而停留時間長、換熱面積大，有助于防凍液的充分冷卻，從而降低集熱器進(jìn)口溫度，冷熱流體換熱形式為混合流，換熱更加充分。防凍液流入口緊靠地暖供水流出口，有助于快速提高地暖供水溫度，保證供暖質(zhì)量；防凍液流出口緊靠地暖回水和潛水泵出水流入口，有助于降低集熱器進(jìn)口溫度從而提高集熱器集熱效率。

1.3 系統(tǒng)運行模式及熱量交換

采用即熱式蓄熱水箱的系統(tǒng)運行工況主要有4種模式，如表3所示。

表3 系統(tǒng)運行模式Table 3 Operation mode of system

1.3.1系統(tǒng)各部分熱量計算公式

1) 集熱器供熱量Q1為:

(1)

式中：q1為集熱器瞬時供熱量，kW；m1為集熱器防凍液質(zhì)量流量，kg/s；cp1為防凍液的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；tc,o為集熱器瞬時出口溫度，℃；tc,i為集熱器瞬時進(jìn)口溫度，℃.

2) 房間得熱量Q2為:

(2)

式中：q2為房間瞬時得熱量，kW；m2為地暖循環(huán)水質(zhì)量流量，kg/s；cp為水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；tr,i為地暖瞬時進(jìn)口溫度，℃；tr,o為地暖瞬時出口溫度，℃.

(3)

3) 水箱蓄熱量Q3為：

(4)

式中：q3為瞬時蓄熱量，kW；m為蓄熱水質(zhì)量，kg；Δt為蓄熱水瞬時溫差，℃；Δθ為總蓄熱溫差，℃.

4) 空氣源熱泵制熱量Qheating為:

(5)

式中：qheating為空氣源熱泵機組瞬時制熱量，kW；qsource為空氣源熱泵機組從環(huán)境側(cè)瞬時吸熱量，kW；pheating為空氣源熱泵機組制熱工況下瞬時功率，kW.

1.3.24種系統(tǒng)運行模式下各部分熱量關(guān)系公式

忽略系統(tǒng)熱損失前提下，根據(jù)能量守恒定律：

1) 系統(tǒng)集熱器運行期間，集熱器供熱量、房間得熱量和蓄熱量關(guān)系式為

(6)

模式1：系統(tǒng)熱量瞬時值關(guān)系式為q2=q1.

采用普通水箱的系統(tǒng)供暖工況下，房間瞬時得熱和瞬時蓄熱得熱同時存在，房間得熱量q2=q1-q3.

相同供熱量下，采用即熱式蓄熱水箱的系統(tǒng)供暖工況下房間得熱量更大，因此房間升溫更快。

模式2：系統(tǒng)熱量瞬時值關(guān)系式為q3=q1.

房間得熱量為0，集熱器供熱量全部被儲存于蓄熱水箱。

2) 集熱器停止運行期間，房間得熱量、蓄熱量與熱泵制熱量關(guān)系式為：

(7)

房間得熱量確定時，蓄熱量增大可減小熱泵功耗，由公式(1)(3)(6)可得蓄熱量為：

由上式可知，蓄熱量由集熱器供熱量和房間得熱量關(guān)于時間函數(shù)積分的差值決定，即與兩項熱量的波動規(guī)律有關(guān)。系統(tǒng)配置、供暖房間和環(huán)境條件確定時，兩項熱量主要受集熱器和地暖進(jìn)口溫度影響，因此，集熱器運行期間根據(jù)工況實時調(diào)控,使兩項溫度穩(wěn)定在設(shè)計區(qū)間，可以提高蓄熱量從而降低熱泵功耗，根據(jù)地暖供水溫度要求，建議35～55 ℃.

夜間低溫供暖可減少熱泵功耗，根據(jù)地暖供水要求，建議35～40 ℃.

2 即熱式蓄熱水箱工程應(yīng)用的試驗研究

2.1 系統(tǒng)測試及誤差分析

在系統(tǒng)運行中，使用鉑電阻傳感器、流量計、太陽輻照儀等儀器對系統(tǒng)各部分溫度、流量、太陽輻照度等參數(shù)進(jìn)行測量，測試數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集儀采集后傳送至電腦保存，數(shù)據(jù)采集時間間隔為30 s.測量儀器型號及精度如表4所示。

表4 測試儀器Table 4 List of testing instrument

試驗測試計算結(jié)果R是測試中各個獨立變量x1，x2，x3,…,xn的函數(shù)[15],即

R=R(x1，x2，x3,…,xn) .

則誤差傳遞函數(shù)為

(8)

實驗房間得熱量公式為

q2=ρVcp(tr,i-tr,o) .

(9)

式中：V為地暖的體積流量，m3/h.

可以得到其測試結(jié)果的不確定度為：

(10)

測試結(jié)果相對不確定度為：

(11)

獨立變量不確定度可以由儀器誤差Δins表示[16]，求得供熱量相對不確定度為2.6%.

2.2 集熱器早上啟動時間和地暖供水溫升速率分析

當(dāng)?shù)?2月份日出均在7:30后，日落均在17:30前。在7:30-17:30的時間段內(nèi)，選取該月室外平均氣溫較高和較低的兩天，分別為27日和24日，高溫天室外氣溫平均值7.7 ℃，低溫天室外氣溫平均值-2.8 ℃，兩天天氣均為微風(fēng)、晴天，分析室外氣溫對集熱器啟動時間和地暖供水溫升速率的影響。

集熱器啟動條件為板溫35 ℃，兩天集熱器啟動時刻，集熱器和地暖進(jìn)出口溫度均相同，地暖供水溫度為33 ℃.早上集熱器啟動后系統(tǒng)運行模式為模式1，即啟動集熱器和地暖循環(huán)泵。如圖3所示，高溫天集熱器啟動時刻為9:36，地暖供水溫度經(jīng)過26 min，于10:02升溫至40 ℃；低溫天集熱器啟動時刻為10:16，地暖供水溫度經(jīng)過49 min，于11:05升溫至40 ℃.高溫天集熱器剛啟動時，太陽輻照度較小，地暖供水溫升速率較慢，9:54后太陽輻照度迅速增大，水溫也快速上升；低溫天集熱器啟動時，太陽輻照度已較高且較穩(wěn)定，所以地暖供水溫升速率較穩(wěn)定，但整體較高溫天低。

圖3 集熱器啟動初期地暖供水溫度變化Fig.3 Variation of heating water supply temperature at the beginning of collector start-up

兩天在7:30-11:05時間段測得的太陽輻照度及室外氣溫變化如圖4所示，兩天輻照度變化趨勢及數(shù)值均相近，但室外氣溫相差較大。

圖4 太陽輻照度與室外氣溫變化Fig.4 Variation of solar irradiance and outdoor air temperature

高溫天集熱器9:36啟動，此時刻前太陽總輻照量372 kJ/m2，室外氣溫平均值-3.2 ℃；低溫天集熱器10:16啟動，此時刻前太陽總輻照量810 kJ/m2，室外氣溫平均值-8.1 ℃.不同室外氣溫下，低溫天集熱器達(dá)到啟動條件需太陽總輻照量是高溫天的2.2倍，由此可知，集熱器啟動時間受室外氣溫影響很大，因為晴天的早上太陽輻照度相差不大且處于較低水平，若室外氣溫較低，則集熱器熱損失較大，溫度提升較慢。

集熱器啟動初期，地暖供水溫升7 ℃的時間段內(nèi)，高溫天太陽總輻照量313 kJ/m2，室外氣溫平均值1.8 ℃，地暖供水平均溫升速率0.27 ℃/min；低溫天太陽總輻照量1 008 kJ/m2，室外氣溫平均值-4.7 ℃，地暖供水平均溫升速率0.14 ℃/min.對比可知，達(dá)到相同溫升的時間段內(nèi)，低溫天太陽總輻照量是高溫天的3.2倍，溫升速率是高溫天的52%，所以工程應(yīng)用中，地暖供水溫升速率受室外氣溫影響很大，因為室外氣溫越低，系統(tǒng)熱損失和房間熱負(fù)荷越大，地暖供水溫度提升越困難。

綜上，晴天早上集熱器啟動后，換熱水箱均能較快將地暖供水溫度加熱到設(shè)計值，室外氣溫是影響集熱器啟動時間和地暖供水溫升速率的重要因素。

2.3 即熱式蓄熱水箱在太陽能供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用

選取系統(tǒng)運行期間的2017年12月25日0點至12月27日24點連續(xù)3天共4 320 min，分析不同環(huán)境條件下即熱式蓄熱水箱在太陽能供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。3天輻照度和室外氣溫如圖5所示，太陽輻照度平均值分別為280，295，290 W/m2，室外氣溫平均值分別為-4.7 ℃，-2.9 ℃，1.7 ℃.其中，25日為多云天氣，26日和27日為晴天。3天整體趨勢為輻照度變化不大，室外氣溫逐天升高。

圖5 太陽輻照度及室外氣溫連續(xù)3天的(2017年12月25日-12月27日)變化Fig.5 Variation of solar irradiance and outdoor air temperature for 3 days (From Dec.25 to Dec.27, 2017)

3天換熱水箱溫度和室內(nèi)溫度變化如圖6所示，集熱器運行期間，系統(tǒng)完全不需要輔助熱源即可滿足房間供暖需求，換熱水箱水溫日變化趨勢與太陽輻照度一致，均是先增大后減小，由于室外氣溫逐天升高，所以換熱水箱水溫也逐天增高，但基本保持在35～55 ℃，室溫維持在15～22 ℃；夜間房間低溫供暖，空氣源熱泵間歇啟動，換熱水箱溫度保持在35～40 ℃，室內(nèi)溫度維持在14～18 ℃.

分析集熱器啟動初期換熱水箱和室內(nèi)溫度變化可知，3天不同環(huán)境條件下，早上集熱器板溫達(dá)到30 ℃時，空氣源熱泵停止供熱，系統(tǒng)僅依靠換熱水箱供暖，因此水溫快速下降至30 ℃左右，板溫達(dá)到35 ℃時集熱器啟動，換熱水箱水溫約需1 h即可從30 ℃左右上升到40 ℃左右，室內(nèi)溫度也隨之迅速上升，均在1.5 h內(nèi)增長2 ℃左右。換熱水箱升溫快的優(yōu)勢使其對工況變化具有更好的適應(yīng)性，在集熱器啟動初期能夠充分利用太陽能快速滿足供暖需求，從而減少輔助熱源的使用。

圖6 換熱水箱及室內(nèi)溫度連續(xù)3天的(2017年12月25日-12月27日)變化Fig.6 Variation of the temperature of heat transfer water tank and room for 3 days (From Dec.25 to Dec.27, 2017)

根據(jù)表1中房間結(jié)構(gòu)參數(shù)及所測室內(nèi)溫度和室外氣溫，可以計算得到房間熱負(fù)荷，由地暖進(jìn)出口溫度及流量可以計算得到房間得熱量，兩部分熱量隨時間變化如圖7所示。集熱器停止運行且蓄熱量不足時，由空氣源熱泵為供暖提供熱量，當(dāng)熱泵開啟時系統(tǒng)停止供暖，水箱水溫被加熱到設(shè)定溫度后，熱泵停止運行，系統(tǒng)開始供暖，以此實現(xiàn)間歇供暖，從而減少熱泵開啟時間。由于地暖停止運行期間供暖循環(huán)水溫度降低，因此地暖循環(huán)泵重新啟動后房間得熱量迅速達(dá)到峰值，之后緩慢降低，由圖7可知，房間熱負(fù)荷較大時，熱泵開啟時間較長，供暖時間相對較短，房間得熱量峰值較大。白天集熱器啟動后，房間得熱量能夠快速達(dá)到然后大于房間熱負(fù)荷，所得熱量的余熱被儲存于建筑中。

圖7 連續(xù)3天(2017年12月25日-12月27日)實際房間得熱量及房間熱負(fù)荷變化Fig.7 Variation of the heat supply and heat load for 3 days (From Dec.25 to Dec.27, 2017)

3 結(jié)論

1) 換熱水箱容積較小，且換熱管道采用波紋管，所以換熱形式為有限空間的受迫對流，因此早上集熱器啟動后，地暖供水溫度可快速升溫至設(shè)計值，具有即熱的效果，從而提早太陽能供暖時間，減少系統(tǒng)輔助熱源的使用。

2) 比較所選12月份的晴天，集熱器達(dá)到啟動條件以及地暖供水達(dá)到相同溫升值，低溫天的太陽總輻照量分別為高溫天的2.2倍和3.2倍，因此，室外氣溫是影響集熱器啟動時間和地暖供水溫升速率的重要因素。

3) 工程所在地晴天和多云天氣集熱器運行期間，采用即熱式蓄熱水箱的系統(tǒng)能夠依靠太陽能而不使用輔助熱源，維持室溫在15～22 ℃，其余時間依靠蓄熱和空氣源熱泵維持室溫在14～18 ℃.

4) 即熱式蓄熱水箱換熱與蓄熱單元分離的結(jié)構(gòu)特點和換熱水箱升溫快的優(yōu)勢使系統(tǒng)更加靈活、實用，除本文所提出的系統(tǒng)運行模式外，系統(tǒng)還可以實施僅加熱換熱水箱、供暖和蓄熱同時進(jìn)行的運行模式，合理的控制模式可以更好地發(fā)揮水箱的優(yōu)勢、提高系統(tǒng)性能。