跨季蓄熱多方式可調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)的模擬分析及可行性研究

史靜毅，王萬江，齊典偉，郭 旭，張雪嬌

（1.新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆大學 機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

在太陽能跨季蓄熱供暖技術的發(fā)展中，Li X利用實際數(shù)據(jù)，探討了基于非交互正交試驗法的CSHPSS最優(yōu)運行策略[1]。Pahud采用TRNSYS動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，對某太陽能跨季蓄熱集中供暖系統(tǒng)進行分析，提出了優(yōu)化該系統(tǒng)參數(shù)的方法[2]。程友良為提高蓄熱系統(tǒng)蓄熱效率，采用數(shù)值模擬的方式對蓄熱水箱的流動規(guī)律和傳熱機理進行了研究；同時對蓄熱模型進行了改進，為較為復雜的蓄熱水箱傳熱提供了研究思路[3]。為提高太陽能的穩(wěn)定性和連續(xù)性，程友良利用Fluent軟件對蓄熱水箱分層進行了優(yōu)化[4]。

綜上所述，以往的研究主要集中在對太陽能跨季蓄熱供暖系統(tǒng)整體的優(yōu)化分析，亦或是對局部蓄熱水箱的優(yōu)化研究，而對可調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)的研究成果較少。太陽能跨季蓄熱可解決太陽能資源在季節(jié)上的不均衡性，但仍存在跨季蓄熱量利用不充分的問題。

烏魯木齊市屬于太陽能資源較豐富區(qū)，其緯度角平面輻射照度年總量約為5 740 MJ/（m2.a），這為新疆大力發(fā)展太陽能供暖技術提供了優(yōu)越的自然優(yōu)勢[5]。對此，本文采用TRNSYS動態(tài)仿真軟件，模擬跨季蓄熱多方式可調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)，分析了蓄熱基坑全年蓄熱量的變化情況、3種運行策略各自的運行天數(shù)、負荷與各供暖方式供熱量的匹配情況及采暖期內(nèi)的太陽能保證率。

1 供暖調(diào)節(jié)方式

本文可調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)分為3個閉式循環(huán)回路：太陽能集熱場回路、跨季蓄熱回路和供暖回路[6]。其中供暖回路又分為3個不同供暖方式的子回路，分別為板式換熱器供暖循環(huán)、直接供暖循環(huán)和以蓄熱基坑為低溫熱源的熱泵供暖循環(huán)。如圖1所示，供暖系統(tǒng)主要設備包括太陽能集熱器（COL）、蓄 熱 基 坑 （TSP）、板 式 換 熱 器（HE1，HE2）、水 源 熱 泵（HP）、緩 沖 水 箱（Tank）、控 制 裝置 （K1，K2，K3，K4）、泵（P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7）、管 道 和 閥 門（F1，F(xiàn)2，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6，F(xiàn)7，F(xiàn)8）。用 戶端裝置為地暖盤管，以低溫水輻射供暖。

圖1 供暖系統(tǒng)控制流程圖Fig.1 Heating system control flow chart

COL和TSP同時與HE1連接，COL通過HE1將熱量交換至TSP內(nèi)。TSP與用戶之間的供暖路線有3條，第1條：TSP與用戶端通過HE2交換熱量；第2條：TSP直接與用戶端的地板輻射盤管相連；第3條：TSP內(nèi)的水作為HP的低溫低位熱源，與HP的蒸發(fā)器相連，從TSP中抽取熱量，再輸入少量的高位電能，將低位熱能轉化為高位熱能，經(jīng)Tank向用戶端輸出。閥門與泵控制裝置通過溫度感應器接收到的溫度信號與設定的控制程序?qū)﹂y門與泵進行控制。

2 運行控制策略

2.1 集熱系統(tǒng)的運行控制

圖2 集熱系統(tǒng)運行控制流程圖Fig.2 Flow chart of operation control of heat collection system

集熱系統(tǒng)的運行控制流程如圖2所示，運行控制策略如表1所示。集熱系統(tǒng)和儲熱系統(tǒng)全年運行，集熱系統(tǒng)中的防凍液通過HE1與TSP內(nèi)的低溫水進行換熱，換熱結束通過集熱循環(huán)泵（P1）回到集熱器。P1的啟停、TSP的儲熱溫度限值Tp，max由 控 制 器（K1）進 行 控 制 設 定。K1初 始 控 制信號為0，當COL出口溫度Tc，out與集熱循環(huán)內(nèi)的TSP回水溫度Tp，out之間的溫差大于4.0℃時，K1輸 出 信 號 為1，P1，P7啟 動，F(xiàn)1，F(xiàn)2打 開；低 于4.0℃時，K1輸 出 信 號 為0，P1，P7停 止，F(xiàn)1，F(xiàn)2關 閉。參考丹麥實際工程的經(jīng)驗數(shù)值，TSP內(nèi)水溫最高設定為90.0℃，高出90.0℃，K1將會強制關閉P1。

表1 運行控制策略Table 1 System parameters

2.2 供暖系統(tǒng)的運行控制

多方式可調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)有3種工作模式，通過TRNSYS平臺設計自動控制部件，控制供暖方式之間的轉換。

2.2.1通過HE2間接供暖

控制器K2通過TSP供暖出口溫度Tp，g、采暖季節(jié)設定值、建筑熱負荷值的共同作用，控制分流閥F4的兩個出口流量和板式換熱供暖循環(huán)泵P2，P3。在采暖期內(nèi)，當TSP內(nèi)的溫度傳感器W1的 輸 出 溫 度Tp，g＞60.0℃時，K2輸 出 信 號 為1，則分流閥F4的1出口關閉，2出口開啟，板式換熱循環(huán)泵P2，P3啟動。

2.2.2TSP直接供暖

采暖期內(nèi)，當TSP內(nèi)的溫度傳感器W1的輸出 溫 度 為45.0≤Tp，g≤60.0℃時，K2輸 出 信 號 為0，此時F4的1出口開啟，2出口關閉；K3輸出信號為1，分流閥F5的1出口關閉，2出口開啟，直接供熱循環(huán)泵P4啟動。

2.2.3HP供暖

采暖期內(nèi)，當TSP內(nèi)的溫度傳感器W1的輸 出 溫 度 為Tp，g＜45.0℃時，K2，K3輸 出 信 號 為0，此時F4，F(xiàn)5的1出口開啟，2出口關閉，熱泵供暖循環(huán)泵P5啟動。Tank的工作溫度設定為45.0℃，當Tank內(nèi)的儲水溫度小于45.0℃時，K4輸出信號為1，此時緩沖水箱循環(huán)泵P6啟動。

3 模型構建

3.1 氣象條件與采暖負荷需求

烏魯木齊市地處北緯43.82°，屬于嚴寒C區(qū)。該地區(qū)供暖時間為10月15日-4月15日。本文模擬建筑總采暖面積為12 370 m2，房間采暖設計溫度為18.0℃。采用Dest軟件計算建筑的動態(tài)熱負荷，結果如圖3所示，供暖期總耗熱量為6 374 GJ。建筑圍護結構信息見表2[7]。氣象數(shù)據(jù)采用Meteonorm氣象數(shù)據(jù)庫中1991-2010年的典型氣象年數(shù)據(jù)。室外氣溫和太陽輻射強度如圖4所示。

圖3 建筑冬季熱負荷Fig.3 Thermal load of the building in winter

表2 建筑圍護結構信息Table 2 Building structure information

圖4 烏魯木齊氣候條件Fig.4 Climate conditions in Urumqi

3.2 系統(tǒng)設計參數(shù)

3.2.1模型簡介

本文采用TRNSYS軟件對所提出的多方式可調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)進行建模、模擬和分析，通過輸入各部件模型的精細參數(shù)，保證其性能的正確性。

①平板式COL總面積為6 040 m2，安裝傾角為44°，內(nèi)部工質(zhì)采用54%的乙二醇-水溶液。采用Type1b模塊模擬平板COL的熱性能，該部件可以準確地模擬COL在實際運行條件下的性能。部分外部參數(shù)作為該部件的橫向函數(shù)，可由模塊中的外部數(shù)據(jù)文件讀取。平板式集熱器效率 ηc采用二階方程[8]進行建模，同時考慮非正常太陽入射的影響，采用二階入射角修正（K）方程[8]進行校正。

式 中：Tc，in為 集 熱 器 入 口 溫 度，℃；Ta為 環(huán) 境 溫度，℃；G為太陽輻射照度，kW/m2；θ為太陽入射角。

②TSP總體積為15 100 m3，高12.5 m，最大儲熱溫度為90.0℃。采用Type534型部件進行模擬，為保證TSP的正確性，在該模型中設有12個等溫溫度層。與土壤溫度部件Type707b連接集成TSP與周圍土壤進行傳熱。Type707b[9]是一個周圍土壤模型，該模型與基坑模型之間來回傳遞溫度和能量流信息，從而可以計算出TSP的熱損失。

③HP的COP為4.08，采用Type225型部件，該部件屬于自編寫模塊。根據(jù)樣品參數(shù)和供暖系統(tǒng)的控制策略來確定熱源側和負荷側工作介質(zhì)的流量、溫度、啟停信號等部件參數(shù)。

④Tank體積為500 m3，采用Type4型部件模擬，該部件可正確模擬顯熱蓄熱水箱?？紤]到熱分層，假設水箱包含6個相同的體積分層，且每個節(jié)點的熱損失相等。

⑤板式換熱器采用Type5b型部件模擬，換熱效率為92%，換熱系數(shù)為1 700 W/m2。

3.2.2集熱系統(tǒng)計算模型

建筑供熱量應等于逐時采暖熱負荷在采暖期（τ）的積分，本系統(tǒng)建筑的動態(tài)熱負荷通過Dest-C軟件計算得到。根據(jù)參考文獻[10]，可得集熱器面積Ac為

式 中：Ql（τ）為 逐 時 采 暖 熱 負 荷，W；fn為 太 陽 能 保證 率，%；ηL為 管 路 熱 損 失 率，%；Iθ為 逐 時 太 陽 輻射 強 度，W/m2。

3.2.3蓄熱系統(tǒng)計算模型

TSP的體積應保證滿足建筑熱負荷，TSP體積Vs[5]，[10]，[11]為

式 中：QL（τ）為TSP熱 損 失，W；ρ為 水 的 密 度，kg/m3；Cw為 水 的 比 熱 容，J/（kg·K）；Ts為TSP內(nèi) 儲水平均溫度，℃；Tg為TSP供暖側供水溫度，℃；Qu（τ）為平板式COL逐時有效集熱量，W。

3.3 模型驗證

系統(tǒng)的運行性能由蓄熱部分的出口溫度和集熱部分的出口溫度決定。本文選擇位于烏魯木齊市的某跨季蓄熱太陽能供暖工程，驗證所建立的TRNSYS系統(tǒng)模型的可靠性。該建筑供暖面積為253 m2，COL采 用 平 板 式 集 熱 器，面 積 為88 m2，蓄熱水箱體積為4.50 m3，用戶端為地暖盤管，太陽能供暖系統(tǒng)利用溫差控制原理可自動控制。在2019年11月11-13日對該工程進行連續(xù)3 d的實測，每隔40 min選取一次數(shù)據(jù)。將實測數(shù)據(jù)與仿真軟件模擬結果進行了比較，集熱部分出口溫度和蓄熱部分出口溫度實測值和模擬值隨時間的變化情況如圖5所示。

圖5 集熱部分出口溫度和蓄熱部分出口溫度實測值和模擬值隨時間的變化情況Fig.5 The measured and simulated values of the outlet temperature of the heat collecting part and the outlet temperature of the heat storage part vary with timestorage

由圖5可知，集熱部分出口溫度的模擬結果最大偏差為11.60%，蓄熱部分出口溫度的模擬結果最大偏差為4.60%，偏差在項目允許范圍內(nèi)，表明該模擬系統(tǒng)可靠性較強。造成偏差的原因可能是Type15使用的是Meteonorm氣象數(shù)據(jù)庫中的典型氣象年數(shù)據(jù)，與實際天氣條件有出入，另外實際測量也會產(chǎn)生誤差。

4 模擬結果與分析

4.1 全年蓄熱情況

TSP全年累計蓄熱量為

式 中：Qchs為 累 計 蓄 熱 量，GJ；Qphs為 上 月 蓄 熱 量，GJ；Qu為 當 月 集 熱 量，GJ；Ql為 當 月 熱 負 荷，GJ；QLpit為每月TSP熱損失，GJ；QLpipe為每月管路熱損失，GJ。

圖6 全年累計蓄熱量變化Fig.6 Variation of accumulative heat storage throughout the year

TSP全年累計蓄熱量變化情況如圖6所示。由圖6可知：在非供暖期4月16-10月14日，累計儲存熱量逐月增加至7 528.11 GJ；在供暖期10月15日-4月15日，系統(tǒng)邊供邊蓄，晝間在供暖系統(tǒng)運行的同時，集熱系統(tǒng)與TSP也進行集熱、儲熱；累計蓄熱量谷值出現(xiàn)在2月，為76.34 GJ；對于熱負荷較大的12-2月，TSP的累計儲存熱量仍有一小部分的富余量；4月天氣逐漸回暖，大氣透明度升高，太陽輻射量也大大增加，至4月15日累計蓄熱量逐漸增加至592.74 GJ。通過對全年累計蓄熱量變化進行分析，可以看出，太陽能跨季蓄熱供暖設計在烏魯木齊地區(qū)具有十分重要的研究價值。

TSP出口溫度與室外環(huán)境溫度隨時間變化情況如圖7所示。

圖7 TSP出口溫度與室外環(huán)境溫度隨時間變化情況Fig.7 Change of exit temperature and outdoor environment temperature with time of heat storage foundation pit

由圖7可知，TSP內(nèi)的出口溫度在13.4～90.0℃內(nèi)變化。蓄熱期內(nèi)，出口溫度由28.2℃開始升高，最大溫度至90.0℃；采暖期內(nèi)，出口溫度由90.0℃開始緩慢且持續(xù)地下降，至3月16日儲水溫度降至13.4℃。由于采暖末期采暖熱負荷小，室外溫度升高，且太陽輻射強度也逐漸增強，此時TSP內(nèi)出口溫度呈現(xiàn)回升狀態(tài)，升高至28.0℃左右。

蓄熱期內(nèi)，基坑水溫逐漸升高，無明顯的停滯狀態(tài)，表明15 100 m3的TSP體積與6 040 m2的集熱器面積恰好匹配。采暖期內(nèi)基坑水溫呈緩慢且持續(xù)下降的趨勢，最低水溫為13.4℃。該水溫大于5.0℃，有效避免了系統(tǒng)結冰的風險；且小于15.0℃，處于合理的采暖末期蓄熱溫度范圍內(nèi)，表明TSP內(nèi)的蓄熱量與建筑熱負荷相平衡。綜上所述，對于本建筑供暖，選取的TSP體積和集熱器面積是合適的。

4.2 采暖期內(nèi)3種供暖方式供暖時長

在每個供暖月中，3種供暖方式各自的供熱量占當月采暖熱負荷的比重和啟動天數(shù)如圖8所示。采暖期中，采暖方式隨TSP內(nèi)的溫度變化而改變，該種供暖方式可最大限度地利用TSP內(nèi)的蓄熱量。結果顯示，10月15日-12月31日共78 d，其中，板式換熱器供暖天數(shù)為67 d，直接供熱天數(shù)為11 d，供暖所需熱量完全由TSP儲存的熱量提供，不需消耗電能供暖。從1月1日-4月15日，TSP內(nèi)水溫低于45.0℃，不滿足地板輻射供暖要求，所以采用HP進行供暖，可達105 d。

圖8 采暖期各采暖方式啟動天數(shù)Fig.8 Heating period heating mode start days

4.3 太陽能保證率

圖9為采暖期內(nèi)各月太陽能保證率。由圖可以看出：采暖期前78 d，TSP水溫大于45.0℃，采用板式換熱器供暖和直接供暖，除太陽能外并未消耗其他能源，故太陽能保證率可達100%；采暖后期，由于TSP內(nèi)出水溫度逐漸降低，且1-2月建筑熱負荷較大，供暖方式切換為HP供暖，太陽能保證率逐漸下降，但其平均太陽能保證率也可達到73%，高于烏魯木齊地區(qū)季節(jié)蓄熱系統(tǒng)太陽能保證率推薦值[5]。

圖9 采暖期內(nèi)各月太陽能保證率Fig.9 Monthly solar fraction in heating period

4.4 節(jié)能效益分析

本系統(tǒng)的供暖能力為7 528.11 GJ。TSP儲存的熱量承擔供暖期中85.06%的建筑熱負荷，剩余14.94%的建筑熱負荷由電能供給。按標準煤的熱值為29.31 MJ/kg、天然氣的熱值為35.59 MJ/m3計算，在理想情況下，不考慮鍋爐的熱損失，本文供暖系統(tǒng)可至少替代256.84 t標準煤或211 520.09 m3天然氣。

5 結論

①在本文供暖方式下，TSP全年運行水溫為13.4～90.0℃。在此溫度范圍內(nèi)，既最大限度地儲存了夏季太陽能資源，又充分利用了TSP內(nèi)的蓄熱量，還可以避免系統(tǒng)因溫度過低而結冰。表明15 100 m3的TSP體積與6 040 m2的集熱器面積恰好匹配。

②TSP的蓄熱溫度大于60.0℃時，采用板式換熱器供暖方式可供暖67 d；水溫處于45.0～60.0℃時，采用直接供暖方式可以供暖11 d；水溫低于45.0℃時，HP以TSP內(nèi)的低溫熱水為熱源，外加消耗部分電能，可以供暖105 d。這種多方式可調(diào)節(jié)的供暖系統(tǒng)充分利用了TSP內(nèi)的蓄熱量。

③10月15日-12月31日，太陽能保證率可達100%；1月1日-4月15日本系統(tǒng)的平均太陽能保證率可達73%。

④在非供暖期，TSP儲存的7 528.11 GJ熱量可承擔85.06%的建筑熱負荷，剩余的14.94%由電能供給。與傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)相比，在相同建筑熱負荷的情況下，該供暖方式可節(jié)省標準煤256.84 t或天然氣211 520.09 m3。