上海地區(qū)燃?xì)廨o助太陽能組合系統(tǒng)冬季運行性能特性研究

劉 凱，蔡穎玲

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

近年來，國家大力推廣可再生能源與清潔能源替代常規(guī)能源，其中太陽能的利用受到廣泛關(guān)注。我國最早使用且最為成熟的領(lǐng)域為光熱利用，占全球太陽能利用的71%［1-2］。在民用建筑中光熱利用主要為太陽能采暖系統(tǒng)和太陽能熱水系統(tǒng)。采暖負(fù)荷具有季節(jié)性，不同月份采暖負(fù)荷差異較大，而熱水負(fù)荷不存在季節(jié)差異性，且二者在供熱溫度上有所區(qū)別［3-4］。太陽能組合系統(tǒng)［5］則是將太陽能采暖系統(tǒng)和太陽能熱水系統(tǒng)集成同一套系統(tǒng)，以實現(xiàn)太陽能的梯級利用。

本文以上海地區(qū)為例，分析一種燃?xì)廨o助太陽能組合系統(tǒng)在不同太陽輻照強(qiáng)度下的太陽能保證率及系統(tǒng)能效比的變化趨勢，為太陽能組合系統(tǒng)工程提供參考。

1 試驗系統(tǒng)及運行方案

1.1 試驗系統(tǒng)

以上海松江區(qū)燃?xì)廨o助太陽能組合系統(tǒng)為研究對象。該試驗系統(tǒng)包括：太陽能集熱系統(tǒng)、地板輻射采暖系統(tǒng)、生活熱水系統(tǒng)及輔助熱源系統(tǒng)，選取燃?xì)獗趻鞝t作為輔助熱源。采暖末端面積35 m2，生活熱水用量以一家三口，每人每天用量50 L為標(biāo)準(zhǔn)選取。試驗系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)流程

1.1.1 硬件設(shè)施

太陽能集熱系統(tǒng)選取LPCR58*1800真空管集熱器，5塊一組，共2組，并聯(lián)連接，正南方向安裝，安裝傾角45°；集熱循環(huán)泵為格蘭富USB25-80，檔位功率165 W；輔助熱源選取A·O史密斯JLG19-B，產(chǎn)熱水能力10.3 L/min，效率90%，耗電量110 W；蓄熱水箱容積350 L。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集

溫度采集器選用PT100熱電偶，測量范圍：0～150 ℃，測量精度：A級。流量通過LWGY-15渦輪流量計，測量范圍：0～10 m3/h，測量精度：0.5級。上位機(jī)采用WinCC組態(tài)軟件，下位機(jī)采用西門子S7-200，通過OPC協(xié)議獲取下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)信息并完成與下位機(jī)之間的通信。系統(tǒng)熱工參數(shù)采集界面如圖2所示。

圖2 蓄熱水箱接管

1.2 系統(tǒng)運行策略

為保證太陽能集熱水環(huán)路、地板采暖水環(huán)路及生活用水三路水質(zhì)安全，采用雙盤管間接換熱方式使三路用水獨立［6］。輔助熱源燃?xì)獗趻鞝t控制較為靈活，初始設(shè)置生活熱水出水溫度為45 ℃，采暖熱水出水溫度為40 ℃。

在陰雨天氣下，關(guān)閉太陽能集熱系統(tǒng)，由燃?xì)獗趻鞝t提供系統(tǒng)所需熱量，當(dāng)采暖盤管回水溫度高于蓄熱水箱上部溫度時，即tbzc＞ts，采暖系統(tǒng)環(huán)路為4→6→3→4，當(dāng)采暖盤管回水溫度低于蓄熱水箱上部溫度時，即tbzc＜ts，采暖系統(tǒng)環(huán)路為4→6→4。生活熱水環(huán)路為3→4→5。

在晴朗天氣下，開啟太陽能集熱系統(tǒng)，太陽能集熱系統(tǒng)環(huán)路為1→3→2→。當(dāng)采暖盤管回水溫度高于蓄熱水箱上部溫度時，即tbzc＞ts，采暖系統(tǒng)環(huán)路為4→6→3→4，當(dāng)采暖盤管回水溫度低于蓄熱水箱上部溫度時，即tbzc＜ts，采暖系統(tǒng)環(huán)路為4→6→4。生活熱水環(huán)路為3→4→5。當(dāng)采暖熱水供水溫度高于40 ℃時，即tdzc＞40 ℃，4燃?xì)獗趻鞝t無需加熱采暖環(huán)路。當(dāng)蓄熱水箱上部溫度高于45 ℃時，即ts＞45 ℃，燃?xì)獗趻鞝t無需加熱生活熱水環(huán)路，直接供給用戶。

1.3 系統(tǒng)冬季工況試驗研究

太陽能組合系統(tǒng)冬季工況試驗開始時間于2019年01月04日，具體試驗安排與測試內(nèi)容見表1。

表1 冬季試驗測試階段試驗安排

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 理論分析

在不考慮管路熱損失的前提下，根據(jù)熱量平衡方程有：集熱系統(tǒng)有效得熱量+輔助熱源供熱量（壁掛爐供熱）=系統(tǒng)總能耗（生活熱水負(fù)荷和采暖負(fù)荷）+蓄熱水箱儲熱量，引入太陽能保證率f及系統(tǒng)能效比EER作為系統(tǒng)評價指標(biāo)。理論計算公式［7］如下。

太陽能集熱器有效集熱量：

式中 Qj——1天中太陽能集熱系統(tǒng)得熱量，J；

n ——總記錄次數(shù)；

mji—— 第i次記錄的集熱系統(tǒng)平均流量，m3/s；

ρw——水的密度，kg/m3，ρw=1 000 kg/m3；

Cw—— 水的比熱容，J/（kg·℃），Cw=4 200 J/（kg·℃）；

tdji，tbji—— 第 i次記錄的集熱系統(tǒng)的出口、進(jìn)口溫度，℃；

ΔTji——第i次記錄的時間間隔，s。輔助熱源供熱量：

式中 Qr——一天中輔助熱源供熱量，J；

η ——燃?xì)獗趻鞝t效率，η =90%；

V ——燃?xì)馊紵w積，m3；

q ——燃?xì)鉄嶂?，J/m3，q=35 588 000 J/m3。

太陽能保證率f：

式中 f ——日太陽能保證率；

Qj——一天中太陽能集熱系統(tǒng)得熱量，J；Qr——一天中輔助熱源供熱量，J。

系統(tǒng)總能耗：

式中 QZ——一天中系統(tǒng)總能耗，J；

n ——總記錄次數(shù)；

mzi——第i次記錄的系統(tǒng)總流量，m3/s；

tdzi—— 第i次記錄的供熱水或供水溫度，℃；

tbji—— 第i次記錄的冷水或回水溫度，℃；

ΔTji—第 i次記錄的時間間隔，s。

蓄熱水箱儲熱量：

式中 QX——一天中蓄熱水箱儲熱量，J；

msx——水箱容積，m3；

tz——試驗結(jié)束水箱平均溫度，℃；

系統(tǒng)能效比 EER［8］：

式中 Q ——一天中系統(tǒng)總集熱量，J；

W ——一天中不可再生能源耗量，J；

Wb——一天中燃?xì)獗趻鞝t燃?xì)饽芎?，J；

Wp——水泵能耗，J；

ηb——電機(jī)效率，取ηb=70%。

“哈！難怪今天厚嘴巴像抹了蜜，屁股卻辣似姜！”汪隊長指點著他，“我可告訴你啊，你有家有口的，不要打我們女護(hù)士的歪主意?！?/p>

2.2 陰雨天氣下數(shù)據(jù)分析

由于陰雨天氣太陽能輻照較低，系統(tǒng)主要由燃?xì)馓峁崮埽詽M足末端用熱需求。陰雨天氣太陽能組合系統(tǒng)運行特性測試時間為2019年1月4-6日及2019年1月8-10日。這6天中室外氣溫相似，室外最低氣溫4 ℃，最高氣溫10 ℃。太陽能組合系統(tǒng)每天運行各項負(fù)荷分布及EER變化趨勢如圖3，4所示。

圖3 間歇運行日熱負(fù)荷及EER變化趨勢

圖4 連續(xù)運行日熱負(fù)荷及EER變化趨勢

在陰雨天氣下，太陽能組合系統(tǒng)的系統(tǒng)運行效率EER主要受采暖負(fù)荷的影響，采暖負(fù)荷越大，EER值越高，同時熱水負(fù)荷對EER也有一定程度的影響，熱水負(fù)荷的增大也會導(dǎo)致EER升高。試驗測試期間，間歇運行模式下平均系統(tǒng)能效比為0.88，連續(xù)運行模式下平均系統(tǒng)能效比為0.87，相比之下連續(xù)運行模式下EER降低趨勢較大，因此在陰雨天氣下間歇運行模式更有利。

2.3 晴朗天氣下數(shù)據(jù)分析

晴朗天氣下，太陽能承擔(dān)部分系統(tǒng)負(fù)荷。晴朗天氣太陽能組合系統(tǒng)運行特性測試時間為2019年 1月 21～23日及 2019年 3月 23～25日。其中A組：1月21～23日室外最低氣溫2 ℃，最高氣溫11 ℃，有效集熱面積為16.92 m2，每平方米集熱器匹配21 L水量；B組：3月23～25日室外最低氣溫7 ℃，最高氣溫16 ℃，有效集熱面積為8.46 m2，每平方米集熱器匹配42 L水量。具體試驗測試結(jié)果如圖5，6所示。

圖5 晴朗天氣下，A組測試期間試驗測試結(jié)果

圖6 晴朗天氣下，B組測試期間試驗測試結(jié)果

圖5 （a）示出了A組測試期間太陽輻照強(qiáng)度，其中A組平均日輻照強(qiáng)度分別：340.30，375.87，412.59 W/m2，均在13：00達(dá)到太陽輻照強(qiáng)度峰值。圖5（b）為對應(yīng)每小時太陽能集熱量及水箱上部溫度，水箱上部初始溫度為15 ℃，集熱量變化趨勢與太陽能輻照強(qiáng)度變化趨勢基本一致，由于在16：30時生活用水量較大，導(dǎo)致水箱大量補(bǔ)水，水箱內(nèi)部溫度降低，使得該時間段集熱量大幅升高。圖5（c）顯示在對應(yīng)不同太陽輻照強(qiáng)度下連續(xù)運行3天平均日系統(tǒng)能效比與太陽能保證率分別為1.55，2.07，2.41 和 0.32，0.45，0.54?？煽闯鲭S著太陽輻照強(qiáng)度的增加系統(tǒng)能效比與太陽能保證率呈遞增趨勢。

圖6（a）示出B組測試期間太陽輻照強(qiáng)度，其中B組平均日輻照強(qiáng)度分別：601.34，518.82，200.98 W/m2，分別在 12：00，11：00，11：00 達(dá)到太陽輻照強(qiáng)度峰值。圖6（b）示出對應(yīng)每小時太陽能集熱量及水箱上部溫度，水箱初始溫度為17℃，由于晝間太陽輻照強(qiáng)度較高，使得水箱內(nèi)部水溫迅速升高。當(dāng)水箱上部溫度高于40 ℃，太陽輻照強(qiáng)度低于300 W/m2時，由于水箱內(nèi)水溫較高，太陽能集熱系統(tǒng)獲取的熱量不足以使水箱內(nèi)部溫度繼續(xù)升高，此時會出現(xiàn)放熱現(xiàn)象。當(dāng)水箱上部溫度高于25 ℃，太陽輻照強(qiáng)度低于200 W/m2時，太陽能集熱系統(tǒng)幾乎無法獲取熱量使得水箱內(nèi)部溫度升高，此時集熱系統(tǒng)的連續(xù)運行會出現(xiàn)放熱現(xiàn)象。圖6（c）示出在對應(yīng)不同太陽輻照強(qiáng)度下連續(xù)運行3天平均日系統(tǒng)能效比與太陽能保證率分別為 1.26，1.23，0.58 和 0.29，0.21，-0.09?？煽闯鲭S著太陽輻照強(qiáng)度的降低，系統(tǒng)能效比與太陽能保證率呈遞減趨勢，當(dāng)日均太陽輻照強(qiáng)度低于200 W/m2時，太陽能集熱系統(tǒng)的開啟不但不能提高系統(tǒng)能效比，反而會使其大幅下降，對系統(tǒng)的節(jié)能十分不利。

A/B兩組第一天太陽輻照強(qiáng)度變化趨勢及水箱初始水溫十分相似，選取A/B兩組第一天系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，A組集熱面積是B組的2倍，B組第一天太陽輻照強(qiáng)度約為A組的1.78倍，而有效集熱量A組是B組的1.04倍，A組太陽能保證率是B組的1.1倍。發(fā)現(xiàn)太陽能保證率與集熱面積和太陽能輻照強(qiáng)度的成積成正比變化。

3 結(jié)語

陰雨天工況下太陽能輻照較低，無法實現(xiàn)太陽能集熱系統(tǒng)的集熱效果，系統(tǒng)完全依靠輔助熱源穩(wěn)定運行。本試驗臺在陰雨天工況下間歇運行模式平均系統(tǒng)能效比為0.88，連續(xù)運行模式平均系統(tǒng)能效比為0.87，間歇運行模式優(yōu)于連續(xù)運行模式。

在晴天工況下，太陽能保證率達(dá)0.2以上時，系統(tǒng)能效比可升高至1.23；太陽能保證率達(dá)0.3以上時，系統(tǒng)能效比可升高至1.55；太陽能保證率達(dá)0.45以上時，系統(tǒng)能效比可升高至2.07。

太陽輻照強(qiáng)度低于200 W/m2時，太陽能集熱系統(tǒng)幾乎無法獲取熱量使得水箱內(nèi)部溫度升高，此時集熱系統(tǒng)的運行不利于整體節(jié)能，應(yīng)關(guān)閉集熱系統(tǒng)。

太陽能輻照強(qiáng)度和集熱面積的乘積與太陽能保證率成正比變化，可通過增加集熱器面積彌補(bǔ)低輻照天氣的影響，但會增加集熱器占地面積。