太阳能复合热源系统最优集热参数匹配

王琼高军于水利

1同济大学机械与能源工程学院

2同济大学环境科学与工程学院

21世纪以来，化石燃料燃烧后造成的环境污染问题日益凸显[1]。太阳能作为一种取之不尽、无任何污染的可再生能源，无疑具有极大的发展潜力。我国具有丰富的太阳能资源，太阳能年辐照总量超过5000 MJ/m2·a[2]，但是太阳能具有间断性和不稳定性，不仅随昼夜、季节、维度、海拔等因素的规律性变化，还受天气影响的随机性变化[3]。因此太阳能需要与其他稳定的常规能源联合使用，在最大化发挥太阳能优势的同时，保证系统运行的稳定性，降低运行成本[4]。复合式太阳能供热系统在生活热水和采暖中的应用较多[5-7]，在某些工业生产（如海水淡化等）中，需要24 h连续不断提供稳定负荷，本文将对几种常见的太阳能复合供热系统在24 h连续提供稳定负荷的工况下进行经济性比较。对经济性较好的系统讨论比较不同供水温度，集热器面积和水箱体积对经济性的影响，为此类技术在今后的工程应用提供参考。

1 太阳能复合热源控制系统

图1为两种太阳能复合热源系统的原理图。图1（a）在太阳能集热器的出入口设置温度检测器，当出口温度高于入口温度时，阀门1打开，回水流经集热器进行集热，当出口温度低于入口温度时，阀门1关闭，阀门2打开，回水直接进入蓄热水箱。水箱内置温度测点，当水箱内温度低于设定下限时，辅助热源启动对水箱进行加热，直到水箱内温度到达设定温度。图1（b）有两种运行模式：串联和并联，在太阳能集热器的出入口设置温度检测器。串联使用时，当出口温度高于入口温度时，打开阀门3，回水流经集热器进行集热，当集热器出口水温高于设定温度时，阀门1、3开启，阀门2、4关闭，此时太阳能充足。当出口水温度低于设定值时，开启阀门2关闭阀门1进行热源切换，此时太阳能不足需要加入辅助热源进行串联。当太阳能集热器出口温度低于入口温度时，关闭阀门1、2、3，开启阀门4，水不流经集热器，而是直接通过辅助热源进行加热，可以减少管路损失。并联使用时，当出口温度高于入口温度时，打开阀门1、3、4，关闭阀门2，系统内循环回水分别经太阳能集热器和生物质热水锅炉加热（通过管路阀门的开度、调节适宜回水流量的分配值）后流入蓄热水箱。当太阳能集热器出口温度低于入口温度时，与串联相同直接由辅助热源加热。

图1（a）系统以水箱温度为控制对象，图1（b）的串联模式以集热器出口水温为控制对象，并联模式以分流比（流经辅助热源的回水流量与系统总回水流量的比值）R为控制对象。几种系统都可以充分利用太阳能，并自动切换热源，自动蓄热，可以提供稳定的负荷，并且24 h连续运行，通过设置不同的温度还可以切换不同的供水温度。对于太阳能供热系统而言，为了弥补太阳能的不稳定性和间断性，蓄热往往是必要的条件，即把太阳能集热器在晴朗白天吸收的部分太阳辐射能储存起来，以备夜间或阴雨天使用。蓄热水箱起到了良好的热量平衡作用[8]。

本文以天津市为研究地区，天津市属于日照丰富区，全年逐月太阳辐射量如图2所示。其中5月太阳辐射量最高，11月-1月太阳辐射量较低。

图1 太阳能复合热源控制原理图

图2 天津市月太阳辐射量

2 数学模型

利用TRNSYS[9]软件进行模拟，计算太阳能与辅助热源分别提供的热量，并进行讨论。TRNSYS由于采用了模块化结构，多种部件可以灵活连接，并且拥有精确的控制器模型，这为太阳能复合热源控制系统的模拟仿真提供了条件。

2.1 集热器模型

在相同的周围环境条件和工作温度下，真空管集热器的热损较小。真空管集热器适用于寒冷地区[10]，Hazim[11]认为虽然真空管集热器初始投资成本高，但是运行成本相对较低，因此选用热管式真空管集热器。天津纬度为39.1°，最佳倾角为44.1°，为方便设计，选取倾角为45°。

集热器的瞬时效率方程：

式中：a0、a1、a2为常数，由集热器性能决定；Ti为集热器入口温度，K；Ta为环境温度，K；I为太阳能集热器总辐射，kJ/(h·m2)

2.2 水箱模型

由于冷热水密度不同，水箱内会存在分层，即水箱下部分水温较低而上部分水温较高。水箱采用分层模型。水箱内设置泄压阀以解决沸腾效应。水箱温度最高值设定为95℃，当温度高于95℃时，排气将释放足够的能量以保持水箱处于该温度。由于排气而导致的质量损失被忽略。能量损失视为对环境的能量损失。图1（a）系统设定辅助热源的启动温差为5℃，即当设置的出水温度为85℃时，当水箱内水温低于80℃时开启辅助热源对水箱进行加热，达到85℃时停止加热。水箱内水温变化如下：

式中：Ts+为t+△t时刻水箱内的水温，K；Ts为t时刻水箱内的水温，K；m为水箱内水的质量，kg；Cp为水的比热容，取4.19 kJ/(kg·K)；Qu为集热器和辅助热源存储的热量，kJ；Qloss为热损失，kJ；Qload为供给系统的热负荷，kJ。

2.3 太阳能系统优化

从低碳环保、节能减排的角度考虑，应该尽可能多地使用太阳能，即增大太阳能系统的面积，但是一味增大集热器面积会导致集热器成本上升，因此在实际工程中，应合理设计太阳能集热器的面积，使系统有更优的经济性。在太阳能供热系统中，集热器的造价占总造价的比例较高，因此对集热器面积优化的研究得到了重视[12]。

由于采用了太阳能而减少常规能源消耗所带来的收益，可按下式计算：

式中：n为太阳能集热器系统寿命，年；p为补充常规能源价格，元/MJ；Qs为太阳能提供的能量，M J/m2；A为太阳能集热器面积，m2。

一般情况下，水箱体积越大可以存储的热量就越多，但是同时水箱的成本会上升，且所占空间增大。因此在实际应用中，应合理设计水箱体积。同时不同的供水温度也会影响水箱的蓄热能力。

水箱成本由表1给出。

表1 水箱成本表

太阳能集热器系统的净收益为：

式中：Z为单位面积太阳能集热系统造价，取1200元/m2；Stank为水箱成本，元。

由分析可知，太阳能集热器系统的净收益受集热器面积，水箱体积和供水温度的影响，太阳能系统净收益最大时对应的集热器面积称为最优集热器面积。

2.4 经济性比较

在几种工况下对两种系统的三种运行模式进行经济性比较。结果由表2所示，其中并联模式选取分流比R=0.5，在±5℃的温度波动范围内，水温全年保证率为78%，在24 h连续提供稳定负荷时并联模式需要增大分流比，此时太阳能的利用率较低。

表2 不同运行模式净收益对比

由表2可以看出，相同工况下系统1a的净收益更大，因此选择图1（a）的系统继续进行最优参数匹配计算，并联模式随集热器面积的增大净收益降低，这是由于太阳能利用率增加较小，不足以弥补成本的增加。

3 模拟结果及分析

3.1 供水温度和集热器面积的影响

图3为系统以燃气作为补充能源（价格2.77元/m3）条件下，稳定提供64 kW负荷时不同供水温度下的太阳能集热系统净收益与集热器面积的关系，此时水箱体积为10m3。由图可以看出，当集热器面积较小时，集热器面积越大太阳能集热系统净收益越高。当集热器面积继续增加时，太阳能集热系统净收益开始下降，此时减少常规能源消耗带来的收益小于集热器成本的上升。这是由于水箱体积一定时，在太阳能辐射量较高的月份（如5月、6月、7月），较大的集热器面积会使水箱出现过热，当水箱内温度到达95℃时，不会再进行热量的存储。在热源温度为85℃时，与使用1000m2集热器面积相比，净收益可从54万元增加至76万元，可提高42%。在对比不同热源温度下的净收益可以看出，供水温度越低，净收益越高，在集热器面积为700m2时，净收益可由76万元增加至150万元，提高97%。供水温度改变系统最大收益对应的集热器面积为500m2左右。在不同供水温度下，虽然净收益相差较大，但是对应的最优集热器面积基本相同，这表明此系统在提供不同温度热水时，无需更改集热器面积就可使太阳能集热器系统有较好的经济性，因此适用范围较广。

图3 不同集热器面积与净收益的关系

3.2 水箱体积的影响

图4为系统以燃气作为补充能源条件下，稳定提供64 kW负荷时水箱体积对集热器系统净收益的影响。当集热器面积为100m2时，水箱体积越大净收益越低，此时太阳能集热器蓄热量较少，增大水箱体积增大了水箱成本，是总收益降低。集热器面积增大，净收益随水箱体积的增大而增加，增加幅度较小，当集热器面积为500 m2时，水箱体积从10 m3提高到50m3，净收益由82万增加到87万，仅提高7%，此时改变水箱体积对净收益没有显著影响，在实际使用中，应结合实际情况选择合适的水箱体积。因此在研究供水温度和集热器面积对净收益的影响时选取不同的水箱体积对最优集热器面积的影响较小。

图4 不同水箱体积与净收益的关系

3.3 负荷改变的影响

上述研究表明，在负荷一定时，最优集热器面积和水箱体积均可以提前进行选择和优化，接下来将进一步对负荷变化的情况进行模拟研究。

图5为以燃气作为补充能源条件下，供水温度75℃，水箱体积30m3时，净收益与负荷的变化关系。由图中可以看出，当负荷小幅度波动时，最大净收益对应的集热器面积基本相同，仍在500m2左右，且负荷越大净收益越高，此时太阳能集热器的热损失较低。

图5 不同负荷与净收益的关系

4 结论

1）本文使用TRNSYS对几种太阳能复合热源系统在24 h连续稳定运行工况下进行模拟，并通过成本计算对比太阳能系统的净收益，结果表明，通过监测蓄热水箱温度控制辅助热源的启停具有更好的稳定性和经济性。

2）供水温度和集热器面积对太阳能集热系统的净收益影响较大，供水温度越低净收益越大，对于不同的供水温度对应的最优集热器面积基本相同。在不确定供水温度的情况下，可以先对集热器面积进行优化，即使在供水温度需要改变时，也无需对集热器面积进行改变，就可以继续保持较高的收益。

3）水箱体积对净收益的影响较小，可以结合实际进行选择。如果有较大的空间，可以采用较大体积的水箱实现更高的收益，即使空间较小选用小体积的水箱，也不会对收益产生较大的影响。

4）负荷在小幅度内波动对最优集热器面积的影响较小，且负荷越大净收益越高。因此当系统的负荷确定时，可以对集热器面积进行优化，并进行水箱体积的选择，在变供水温度和变负荷的情况下仍具有较高的经济性。

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