太阳能-谷电蓄能供热系统在北京地区的应用

上海理工大学 刘 迟 李保国 罗权权上海筑能环境科技有限公司 苏树强 肖洪海

2017年，我国建筑能源消费总量为9.47亿t标准煤，占全国能源消费总量的21.10%，其中供暖能耗占比较大[1]。随着国民生活水平的提高，居住面积和供暖需求逐年递增，建筑能耗所占比例越来越大。我国太阳能资源丰富，平均辐照度达4 kW/m2以上[2]。在建筑领域中大力推广太阳能利用，有利于缓解大气污染，改善我国能源结构。与此同时，电力资源的分配存在白天电力需求高、夜间电力负荷降低的矛盾，需优化能源结构。

为降低建筑能耗，一些学者将相变蓄能材料应用于建筑围护结构中，取得了较好的节能效果。Saman等人分析了包含相变材料(PCM)蓄热的屋顶集成太阳能空气加热系统的热性能[3]；
Berroug等人提出了一种用于房屋北墙上的太阳辐射相变建筑材料，提高了太阳能使用效率[4]；
Benli等人研究了结合PCM的太阳能辅助电加热供暖系统的热性能，与传统的加热装置相比可节能18%～23%[5]；
李志永等人建立了太阳能相变蓄热供暖系统动态模型，并对该系统进行了优化研究[6]；
Stritih等人采用瞬时系统模拟程序(TRNSYS)对太阳能蓄能供暖系统进行了模拟分析，发现该系统可增加14%的供热量，降低10%的能源消耗量，节约24%的运行成本[7]；
Eltimsahy在俄亥俄州西北地区使用非峰值电力辅助太阳能加热系统供暖，数据显示平板太阳能集热器能够有效改善热泵机组的运行工况，供暖季热泵COP为3.45，太阳能提供的热量占供暖负荷的60%,有效缩短了投资回收期[8]；
徐新举设计了电锅炉辅助太阳能联合供暖系统，该系统使用太阳能对水预热，电锅炉在低谷电时段工作，减少了用电成本，有效提高了能源利用效率[9]；
林坤平等人提出了一种具有相变储能功能的低谷电供暖地板，该地板热舒适性较好[10]；
吕可非等人开发了一套800 m2低谷电蓄能供暖控制系统，用户供暖费用减少88.12%，温室气体排放减少64.89%，节能减排效果显著[11]；
李九如等人提出了太阳能联合谷电蓄冷蓄热系统，相比纯电力驱动系统每月可节省电费89.3%[12]。

使用相变蓄能材料可以减少建筑能源消耗，使用太阳能可有效减少化石燃料燃烧产生的环境污染，使用谷电有利于减小用电成本，提高能源利用率。为结合太阳能与谷电的优势，笔者研发了一种空气式太阳能集热与谷电蓄能联合供热系统，本文结合工程案例对该系统运行状况进行分析，并讨论其综合利用效益。

1.1 整体方案设计

研发的太阳能-谷电蓄能供热系统包括空气式太阳能集热、谷电加热、蓄热、换热循环系统和控制系统，如图1所示。

1.空气式太阳能集热器；
2.气-水换热器；
3.相变蓄能器；
4.相变蓄能材料；
5.供暖设备；
6.循环风机；
7.电加热器；
8.水泵；
9供热水箱；
10热水用户。图1 太阳能-谷电蓄能供热系统示意图

该系统以太阳能为主要热源，电加热为辅助热源；
空气式太阳能集热器内置相变蓄能芯，可储存太阳能以加热空气；
热空气经气-水换热器发生热量交换；
循环热水进入相变蓄能器，一部分用于满足建筑供暖需求，另一部分为用户提供生活热水；
当相变蓄能器内热量充足时，相变蓄能材料储存循环热水多余的热量，当相变蓄能器内热量不足时，启动电加热器加热循环水，以满足建筑热负荷需求；
根据供暖和生活热水需求不同，可直接利用相变蓄能器中的高温热水为建筑供暖，或通过换热，由相变蓄能器为供热水箱提供热水；
系统采用PLC自动控制。

系统中相变蓄能芯和相变蓄能器的蓄能材料采用自主研发的包括乙酰胺、磷酸氢二钠和硫酸钠等多种无机盐复合的相变蓄能材料，熔点为100 ℃，凝固点为54.5 ℃，相变潜热为147.7 kJ/kg。

1.2 控制逻辑设计及运行模式

太阳能-谷电蓄能供热系统运行模式根据气象条件、峰谷电价及实际供热效果等影响因素可分为集热模式、电加热模式、蓄热模式、供暖模式和供热水模式，各模式设定的启停温度可调节。

集热模式：系统为供暖、供热水两用系统，为满足全年热水需求，集热系统全年运行。当集热器出口温度高于30 ℃，且相变蓄能器温度低于90 ℃时，系统按集热模式运行；
当集热器出口温度低于30 ℃，且相变蓄能器温度高于90 ℃时，系统集热模式停止。

电加热模式：为降低电力运行成本，根据峰谷电价，电加热模式分为低谷电时段模式和非低谷电时段模式。低谷电时段模式：当集热器出口温度低于30 ℃，且相变蓄能器温度低于100 ℃时，系统按电加热模式运行；
当相变蓄能器温度高于120 ℃时，系统电加热模式停止。非低谷电时段模式：当集热器出口温度低于30 ℃，且相变蓄能器温度低于80 ℃时，系统按电加热模式运行；
当相变蓄能器温度高于90 ℃时，系统电加热模式停止。

蓄热模式：即将多余热量储存在相变蓄能材料中，当太阳能集热系统或电热器提供足够的热量时，相变蓄能器内循环水温升高，一部分循环水送入供暖设备，另一部分送入供热水箱与生活用水换热。生活用水温度取50 ℃，室内供暖温度取18 ℃[13-14]。当供热水箱温度高于60 ℃，室内温度高于18 ℃时，系统按蓄热模式运行；
当供热水箱温度低于60 ℃，且室内温度低于18 ℃时，系统蓄热模式停止。

供暖模式：当室内温度低于18 ℃时，系统按供暖模式运行；
当室内温度高于18 ℃时，系统供暖模式停止。

供热水模式：生活热水温度取50 ℃，取10 ℃换热温差，则供热水箱内水温上限设定为60 ℃。当供热水箱温度低于60 ℃时，系统按供热水模式运行；
当供热水箱温度高于60 ℃时，系统供热水模式停止。

运行中太阳能集热模式优先级最高，电加热模式启动的必要条件是太阳能集热模式启动条件不足，同时受当地低谷电时间的限制。在白天太阳能充足时，电加热模式只在夜间启动；
而在白天太阳能不充足时，电加热模式就会启动。

2.1 工程概况

该工程位于北京市，年平均气温10～12 ℃，年平均日照时间为2 000～2 800 h，属于寒冷地区[15]。项目总供暖面积6 005 m2，原供暖设备为燃煤锅炉，供暖末端为铸铁散热器，年供暖时间120 d，年运行费用40万元。其建筑形式、功能、供暖需求如表1所示。

表1 建筑形式、功能、供暖需求

2.2 建筑负荷计算

北京地区供暖季为11月至次年3月，依据国家建筑标准设计图集06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》，供暖季倾斜表面平均太阳能辐照量为15.285 MJ/(m2·d)，参考GB 50495—2009《太阳能供热采暖工程技术规范》，北京属于第Ⅲ类资源一般区，季节蓄热系统太阳能保证率为20%～40%，该项目太阳能保证率取30%。办公室、宿舍及车间有供暖需求，宿舍有热水需求，分别计算两部分热负荷。

2.2.1供暖热负荷计算

供暖热负荷按式(1)计算：

式中 QH为供暖日均负荷，MJ；
S为供暖面积，m2；
H为供暖时间，h；
Pn为供暖设计热负荷，W/m2，参照JGJ26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》选取，对非节能建筑取修正系数，该项目办公室使用率为60%，选取热负荷指标时适当降低，车间层高7 m，选取热负荷指标时适当增大。

2.2.2供热水负荷计算

热水日均负荷按式(2)计算：

式中 QW为热水日均负荷，MJ；
c为水的比定压热容，取4.187kJ/(kg·℃)；
qr为热水用量；
m3；
ρ为水的密度，取1 000kg/m3；
tr为设计热水温度，℃；
tl为设计冷水温度，℃。

系统总热负荷为供暖热负荷与供热水负荷之和：

Q=QH+QW

(3)

式中 Q为系统总热负荷，MJ。

经计算，系统总热负荷Q=14 376.64MJ。

2.3 主要部件选型

2.3.1空气式太阳能集热器

空气式太阳能集热器由直流双通真空管、相变蓄能芯、风阀和联箱等组成，集热器以空气为传热介质，直流双通真空管内装有相变蓄能芯，图2为空气式太阳能集热器实物照片。

图2 蓄能型空气式太阳能集热器实物照片

建筑物供暖所需太阳能集热器总面积为

式中 Ac为太阳能集热器面积，m2；
f为太阳能保证率，取30%；
Jt为供暖季日均辐照量，MJ/m2，取15.285 MJ/m2；
ηcd为太阳能集热器全天集热效率，取46.5%；
ηl为管路及贮热装置热损失率，取15%[15]。

经计算，集热器面积Ac=714 m2，选取集热器179台。

2.3.2相变蓄能器

相变蓄能器用于储存来自太阳能集热器的热量及低谷电转化的热量。相变蓄能器设计为双腔结构：外腔由聚氨酯发泡加厚保温材料组成，外壳为镀锌板；
内腔设置相变蓄能材料，如图3所示。根据系统总热负荷14 376.64 MJ选取9台有效蓄热量为1 500 MJ/台、2台有效蓄热量为500 MJ/台的蓄能器。

图3 蓄能器结构图

2.3.3其他部件选型

太阳能集热系统风机型号为GDF 4.0-6，功率为0.8 kW，风量为3 000 m3/h。根据建筑层高7 m 选取的循环水泵型号为ISG-80-100(I)；
供暖水泵型号为ISG-80-160B；
热水泵型号为ISG-15-80。经计算，辅助电加热装置功率为280 kW。为蓄热量1 500 MJ的蓄能器配备30 kW的电加热器，为蓄热量500 MJ的蓄能器配备10 kW的电加热器。

3.1 测试结果与分析

在供暖季内选取12月25日和次年2月15日对系统进行测试，测试日天气晴好，系统运行数据如图4～7所示。图4、5分别显示了12月25日和2月15日蓄能系统的温度变化。由图4、5可以看出：室内温度维持在25.14～29.08 ℃之间；
夜间00:00—08:00为低谷电蓄能阶段，相变蓄能器内温度不断上升，最高达到119.3 ℃，蓄能器可持续放热16 h。

图4 12月25日蓄能系统温度变化

图5 2月15日蓄能系统温度变化

图6 12月25日集热系统参数变化

图7 2月15日集热系统参数日变化

图6、7分别显示了12月25日和2月15日集热系统参数变化。由图6、7可以看出：集热器内相变蓄能芯可使集热器产热时间延长2～3 h；
测试日06：00—12:00集热器内温度随太阳辐照度的增大而升高，当集热器内部温度高于相变蓄能芯的相变温度时，相变蓄能芯开始相变蓄热，储存多余的太阳能；
12：00—14：00太阳辐照度减小，但集热器内温度仍在上升，在14：00达到最高温度；
14：00—18：00集热器内温度随太阳辐照度的减小而降低；
18:00—21:00在没有太阳能情况下，集热器仍可为系统提供2～3 h的热量。

12月25日系统供回水温度及供热量变化如图8所示，平均瞬时供热量为195.90 kW，全天供热总量为4 701.62 kW·h。06：00—07：00为起床洗漱时间，用水量增加使得供水温度出现明显上升，瞬时供热量也随即增大；
白天正常用水量不大，且供暖负荷相对夜间小，供回水温度出现下降，瞬时供热量降低；
18:00用水量及供暖负荷回升时，系统供水温度再次升高，保证室内供暖与用水需求。2月15日系统供回水温度及供热量如图9所示，平均瞬时供热量为231.94 kW，全天供热总量为5 566.57 kW·h。当天热负荷相对平稳，供回水温度波动不大；
当天环境温度呈上升趋势，夜间负荷有所下降，全天瞬时热负荷呈现下降趋势；
在20:00时环境温度仍较高，供回水温度出现明显下降，同时瞬时供热量减小。

图8 12月25日系统供回水温度及供热量变化

图9 2月15日系统供回水温度及供热量变化

太阳能保证率是衡量系统中利用太阳能的百分比，计算公式为

式中 f为太阳能保证率；
QA为辅助电能供热量，kJ；
QR为系统实际供热量，kJ。

表2显示了1月10—20日太阳能-谷电蓄能供热系统的太阳能保证率。1月中旬晴好天气较多，15—17日出现天气条件不佳情况。测试时间内太阳能保证率维持在1.2%～22.2%之间，其中，16日为下雪天气，系统太阳能保证率仅为1.2%，剩余时间多为晴天，太阳能保证率基本维持在20%左右；
12日和20日均为晴天，环境温度相差较大，但太阳能保证率相对变化较小。

表2 测试数据

3.2 效益分析

该项目供暖期按120 d计算，全年节能减排效益如表3所示[16]。通过项目改造，年均可节省203.94 t标准煤，谷电使用率97.4%；
在不计算人工成本的前提下，采用太阳能-谷电蓄能供热比燃煤锅炉供热节约运行费用52.4%，大幅减少了二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及颗粒物排放量。

表3 节能减排效益

北京地区实行三段电价政策，在用电高峰期11:00—14:00和18:00—20:00为高价电，夜间有7 h为低价电，谷电时间占全天时间的29.17%。该系统白天使用太阳能提供热源，夜间利用廉价低谷电能转换为热能储存在蓄能系统中，提供次日供热量。当出现连续阴雨天气时，直接使用电能供热。为提高系统运行效率，降低运行成本，优先使用太阳能集热系统和利用蓄能系统将谷价电能转换为热能，避免使用平价电能和高价电能。整个供暖季系统谷电使用量占97.40%、平电占1.51%、峰电占1.09%；
供暖季总电费为13.47万元，显著降低了运行成本。

1) 带有相变蓄能芯的蓄能型空气式太阳能集热器在太阳辐照度出现下降趋势后，集热器内部温度仍能持续上升；
当太阳辐照度下降为0后，集热器仍可为系统提供热量。

2) 早晨生活用水量增大使得供水温度出现明显上升，瞬时供热量随即增大；
夜间环境温度下降，供暖负荷增大，用水量增大，供水温度出现明显上升；
系统对负荷变化的反应速度较快。

3) 1月中旬系统太阳能保证率维持在1.2%～22.2%之间，晴天时太阳能保证率基本维持在20%左右，环境温度相对于天气条件对太阳能保证率的影响较小。

4) 项目谷电使用率为97.4%，年均可节省203.94 t标准煤，在不计算人工成本的前提下，采用太阳能-谷电蓄能供热系统比燃煤锅炉节省运行费用52.4%。

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