跨季节水蓄热太阳能集中供暖工程与优化综述
刘美杉;李祥立;端木琳;刘靓侃
【摘 要】本文主要研究国内外跨季节水箱蓄热的系统.从系统特性、参数配比、分层特性、埋深等因素对跨季节水箱蓄热的影响研究现状进行总结.同时整理了现有的太阳能集中供热跨季节供热的先进示范工程给出的实际应用.结合实际工程,介绍工程中的应用现状,对工程的基本情况包括集热器、水箱等进行概括总结,并对运行现状和经验教训进行分析总结.
【期刊名称】《建筑热能通风空调》
【年(卷),期】2015(034)006
【总页数】6页(P26-30,22)
【关键词】太阳能集中供热;水箱蓄热;优化
【作 者】刘美杉;李祥立;端木琳;刘靓侃
【作者单位】大连理工大学建设工程学部;大连理工大学建设工程学部;大连理工大学建设工程学部;大连理工大学建设工程学部
【正文语种】中 文
太阳能跨季蓄热这一理论最早提出于20世纪60年代，并于20世纪70年代开展了研究工作。20世纪70年代中期随着研究工作的深入，这一技术逐渐应用在欧洲的大型太阳能跨季蓄热供暖工程中[1]。国外最初的工作是依托国际能源署（IEA）1981年启动的跨季节蓄热太阳能集中供热系统研究项目，主要针对的是蓄热技术，以此减少由能源危机带来的资源短缺，同时增加能源供应系统的效率[2～3]；2000年之后的研究大多集中于系统的优化，包括系统内部各个构件之间的参数最佳配比。近几年太阳能的利用技术日趋成熟，太阳能的储存已成为解决太阳能间歇性和供暖冬夏冷热不均的一个主要办法。
随着科学技术的进步，蓄热方式的研究也随之深入。利用太阳能供暖规模也不再局限于单体建筑。越来越多的蓄热方式在实际工程中被加以应用，人们也通过实际工程发现供暖规模越大，跨季蓄热太阳能供暖的经济性愈好。综合现有的研究进展，显热蓄热是最具应用价值的蓄热方式。水作为储热介质，具有很多优点，例如传热及流动性能好，比热容大；
粘性、热传导性、密度等适合自然循环和强制循环的要求；无毒、无污染等。但由于水本身是液体，用它做蓄热介质时就需要考虑它的容器，特别是大规模蓄热工程。这样的一个容器其形状、体积、进出口位置、与其他设备耦合的参数都将对集热器效率、供暖效果产生一定影响。因此，本文以水箱这一载体为主要对象展开分析。旨在对现有的研究中对水箱蓄热的研究进展和优化参数范围加以总结。并对工程中使用太阳能跨季蓄热技术的案例进行整合，对现有的实际工程、理论研究进行梳理和总结。
蓄热主要是针对太阳能这一可再生资源的间歇性特点做出的合理技术应用。根据蓄热时间的长短，通常会将蓄热分为短期蓄热和跨季蓄热。短期蓄热通常收集一天的热量，蓄热最长不超过一周[1]。这种方法通常选用体积较小的水箱，水箱内水温很高，最高可达95℃。这样的高温水通常可以直接供给生活热网。太阳能供暖系统标准提供的水箱容积选择范围是对应每平方米太阳能集热器采光面积而给出的，短期蓄热给出的参考值是50～150L/m2。水箱温度高但散热同时也增大，温度下降往往较快，通常只能满足用户在较短时间的用热需求。跨季蓄热通常收集几个月的热量，规范提供的容积选择范围也是参照集热器采光面积给出的，为1400～2100L/m2。跨季蓄热所需的水箱体积大，水箱内水温低，在水箱无法满足直供水温条件时，通常需要其他辅助热源来提升位能以满足用户用热
需求。
现有的储热方式可以分为显热蓄热、相变蓄热和化学蓄热。三种蓄热技术中，显热蓄热的应用更为广泛。水凭借其较大的比热容成为非常良好的储热介质。加上它低廉的造价、较好的流动性、传热性能成为人们首选。同样地埋管蓄热应用也很多，主要方式是在地表以下安装地埋管换热器，并通过它向土壤进行蓄、放热。此种方式若欲和热水蓄热取得相同的蓄热量，蓄热容积要比热水蓄热容积高出3～5倍。这种蓄热方式通常和热泵相结合，从而将土壤中的热量提取供给用户。在德国内卡苏姆有采用该种蓄热方式的实际工程，该蓄热体体积约为63400m3，其蓄热温度可以达到85℃[4]。潜热蓄热和相变蓄热近几年的应用也在逐渐增多。通常相变材料蓄热容量大，蓄热密度高，蓄放热过程中系统热稳定性更优，体积小，但造价较高。我国近些年在相变蓄热材料上也展开了诸多研究，对其可行性和适用范围进行了验证[5]。对于某一特定的太阳能供热系统，不同的蓄热方式会对整个系统运行、投资带来不同程度的影响。因此，设计人员更应该因地制宜，合理考虑当地地理条件、气象条件、集热系统形式等选择合理的方式，以用最小的投资达到最大的热收益。
文献[6]中给出了不同系统形式下的推荐蓄热方式，如表1所示。无论选用哪种方式进行蓄
热，主要关注的还是蓄热效果，这就对单位体积或单位重量的储热容量、工作方式和温度范围、加进或取出热量的动力要求、储热器的容积、结构和内部温度的分布情况以及减小储热系统热损失和系统成本的方法等有一定的要求[7]。
为了达到较好的供热效果，也需要对水箱的温度进行合理控制。王磊、袁磊等人通过对西藏地区28个太阳能供暖系统的调查研究发现，所观测统计的常见故障中以蓄热水箱面积与集热器面积的不匹配导致的故障居多，这种不匹配通常会改变水箱内的蓄热状态。在水箱体积过小的情况下，会使得水箱内水温高于85℃而汽化，严重影响蓄热效果[8]。除此之外，水温过高也会加剧水箱内水的热损失。在实际应用中，为了提高集热器效率，常常希望从水箱回到集热器的水温较低。但如果水箱温度太低，无法直供的情况下通常需要添加辅助热源。由于实际气候条件与设计有所偏差，常常导致辅助热源使用时长大于设计值，从而增大了运行投资。在欧洲重点太阳能跨季蓄热供暖示范工程中，有17项采用水箱蓄热。
2.1　系统特性研究
意大利卡拉布里大学G.Oliverti等人模拟了一个太阳能蓄热供热系统，太阳能集热器面积91.
2m2，蓄热水箱500m3。实验从1995年5月1日模拟至次年11月31日，以水箱温度变化为研究对象，对单年水箱温度和两年同时段内水箱温度作对比，分析系统效率[9]。N.D.Kaushika和K.S.Reddy对太阳能闷晒式集热、蓄热系统蓄热水箱内温度变化进行了实验模拟，得到了水箱内不同高度上温度的变化规律，给出了此蓄热水箱容积、集热效率、水箱最终温度之间曲线关系[10]。2000年德国D.Lindernberger等人利用Bavarian试点的一个太阳能跨季蓄热的供热系统进行模拟，对蓄热、热泵部分进行优化[11]。2005年，德国的S.Raab等人利用Trnsys软件模拟跨季蓄热太阳能供暖系统，在原有基础上增加土壤温度对蓄热水箱的影响，模拟水箱水温变化，验证模型精度[12]。2009年Alireza Hobbi等人同样利用Trnsys软件，以太阳能保证率为目标函数，对太阳能热水系统影响因素做了模拟分析。研究包括集热器面积、流体类型、集热器流量、水箱高度体积、热交换器效率、管道尺寸等。结果显示，优化后的太阳能保证率大大提高[13]。
2.2　水箱体积与集热器面积
由于针对某一特定的系统，过小的蓄热容积会使得内部水温过高而增大蓄热体的热损失，而过大的蓄热容积会使储存的水温偏低。现如今，国内外已有多位学者针对不同地区、不同供热对象的系统做出研究，给出了在一定条件下集热板与蓄热水箱最优体积比。
Mo.Chung等人利用Trnsys模拟设计太阳能跨季蓄热系统，并预测系统性能和经济性。该系统的热量一部分向建筑供热，另一部分向农作物温室大棚供热。模拟系统集热器面积184m2，蓄热水箱体积600m3。通过模拟给出了最佳水箱容积、集热器面积和太阳能保证率之间的关系，并进行经济评估[14]。K.K.Matrawy和I.Farkas以太阳辐射强度与负荷为依托，通过调整不同的集热器面积与蓄热水箱容积之比，研究集热效率。给出了典型月不同集热器面积与蓄热水箱容积之比时，集热器、蓄热水箱效率、太阳能保证率的变化趋势，从而判断影响因素，选择出最优的集热器面积和水箱容积的数值[15]。D.Pahud主要研究太阳能跨季蓄热。在给定不同蓄热介质——岩石和水时，基于不同种类热负荷的情况且太阳能保证率在70%的情况下，系统所需集热器面积以及单位面积集热器所需的岩石蓄热或水蓄热的容积[16]。
2007年，赵军利用Trnsys软件对太阳能跨季蓄热供热系统的运行特征进行了长期的模拟研究[17]，提出了集热器面积与蓄热水箱体积比是影响系统的主要参数且模拟得出集热器面积与蓄热水箱体积比在0.1～0.4范围时，太阳能保证率在运行的第二年可达31%～54%。张广宇等人通过对虚拟案例的分析初步得出在确定跨季节蓄热供暖技术中建筑供暖面积、集热器面积、蓄热水箱容积等参数的合理取值范围[18]。王选设计了太阳能蓄热供热系统
优化设计软件，通过输入建筑、集热器、蓄热体参数，得出水箱逐时温度，从而给出推荐蓄热水箱蓄集热比[19]。张时聪、姜益强、姚杨对哈尔滨一栋示范楼做数值模拟，以太阳能保证率为目标函数，地下水池体积为约束条件，得到了哈尔滨地区与100m2的集热器相匹配的地下水池半径推荐值[20]。
2.3　水箱分层
太阳能蓄热水箱中形成一定温度分层能够有效地提高集热效率，降低热损失。另一方面可以提高蓄热水箱内可用热量，在一定程度上减小辅助能源的使用，降低运行费用。实验数据表明，在没有机械扰动的前提下，容积为450L的水箱，水箱顶部与底部的温差能够达到32.4℃[21]。影响水箱分层的主要因素有水箱的形状（方体、圆柱体等）、换热形式、换热位置、水箱高度与水箱直径比、壁厚、壁面导热性等。而1985年Wustling等人通过模拟发现具有良好分层的热水系统效率比完全混合的系统高37%[22]。利用这一温度差的优势，合理设置水箱进、出水管位置，以使用户侧供水温度增加来减少辅助热源的使用。另一方面通过降低集热器进口温度来增加集热器效率，从而有效地提高太阳能保证率。
现有的文献中对水箱温度分层的描述主要集中为多节点模型和插栓流两个模型。主要影响
水箱的温度分层的是水箱的结构、水温、进出温度、进出口流量。徐同兰，汤金华采用插栓流模型对水箱进行模拟研究[23]；罗艳，汤金华通过对一个容积为2.8m3，高2m的蓄热水箱进行模拟得出分层对不同集热器效率的影响程度和不同用水模式下分层效果的变化[24]。王登甲，刘艳峰对太阳能采暖系统中蓄热水箱进行多节点分析研究，对高2m，半径为1m的圆柱体蓄热水箱进行模拟研究，得出了水箱进水管最佳流速在0.01～0.05m/s之间并给出了采暖供水管的最佳位置[25]。朱宁等人也通过CFD模拟给出了利于水箱分层的设计措施——降低热水进口流速、提高热水进口位置、涉及特殊热水通道等来降低湍流的形成[26]。曲世琳等人通过对太阳能水源热泵系统性能特性的研究，判断了辅助热源位置、进出口温度、集热器温差对分层的影响[27]。除此之外，国内外诸多学者也对通过改善水箱内部结构来提高分层效果。王智平等人就不同的原理下的不同方法进行整理和综述　[28]。A.A.Dehghan和A. Barzegar从理论上进行研究探寻格拉晓夫数、雷诺数以及水箱进出口大小对水箱热特性的影响[29]。

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