上海地区燃气辅助太阳能组合系统冬季运行性能特性研究

刘 凯，蔡颖玲

（上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620）

0 引言

近年来，国家大力推广可再生能源与清洁能源替代常规能源，其中太阳能的利用受到广泛关注。我国最早使用且最为成熟的领域为光热利用，占全球太阳能利用的71%［1-2］。在民用建筑中光热利用主要为太阳能采暖系统和太阳能热水系统。采暖负荷具有季节性，不同月份采暖负荷差异较大，而热水负荷不存在季节差异性，且二者在供热温度上有所区别［3-4］。太阳能组合系统［5］则是将太阳能采暖系统和太阳能热水系统集成同一套系统，以实现太阳能的梯级利用。

本文以上海地区为例，分析一种燃气辅助太阳能组合系统在不同太阳辐照强度下的太阳能保证率及系统能效比的变化趋势，为太阳能组合系统工程提供参考。

1 试验系统及运行方案

1.1 试验系统

以上海松江区燃气辅助太阳能组合系统为研究对象。该试验系统包括：太阳能集热系统、地板辐射采暖系统、生活热水系统及辅助热源系统，选取燃气壁挂炉作为辅助热源。采暖末端面积35 m2，生活热水用量以一家三口，每人每天用量50 L为标准选取。试验系统流程如图1所示。

图1 试验系统流程

1.1.1 硬件设施

太阳能集热系统选取LPCR58*1800真空管集热器，5块一组，共2组，并联连接，正南方向安装，安装倾角45°；集热循环泵为格兰富USB25-80，档位功率165 W；辅助热源选取A·O史密斯JLG19-B，产热水能力10.3 L/min，效率90%，耗电量110 W；蓄热水箱容积350 L。

1.1.2 数据采集

温度采集器选用PT100热电偶，测量范围：0～150 ℃，测量精度：A级。流量通过LWGY-15涡轮流量计，测量范围：0～10 m3/h，测量精度：0.5级。上位机采用WinCC组态软件，下位机采用西门子S7-200，通过OPC协议获取下位机采集的数据信息并完成与下位机之间的通信。系统热工参数采集界面如图2所示。

图2 蓄热水箱接管

1.2 系统运行策略

为保证太阳能集热水环路、地板采暖水环路及生活用水三路水质安全，采用双盘管间接换热方式使三路用水独立［6］。辅助热源燃气壁挂炉控制较为灵活，初始设置生活热水出水温度为45 ℃，采暖热水出水温度为40 ℃。

在阴雨天气下，关闭太阳能集热系统，由燃气壁挂炉提供系统所需热量，当采暖盘管回水温度高于蓄热水箱上部温度时，即tbzc＞ts，采暖系统环路为4→6→3→4，当采暖盘管回水温度低于蓄热水箱上部温度时，即tbzc＜ts，采暖系统环路为4→6→4。生活热水环路为3→4→5。

在晴朗天气下，开启太阳能集热系统，太阳能集热系统环路为1→3→2→。当采暖盘管回水温度高于蓄热水箱上部温度时，即tbzc＞ts，采暖系统环路为4→6→3→4，当采暖盘管回水温度低于蓄热水箱上部温度时，即tbzc＜ts，采暖系统环路为4→6→4。生活热水环路为3→4→5。当采暖热水供水温度高于40 ℃时，即tdzc＞40 ℃，4燃气壁挂炉无需加热采暖环路。当蓄热水箱上部温度高于45 ℃时，即ts＞45 ℃，燃气壁挂炉无需加热生活热水环路，直接供给用户。

1.3 系统冬季工况试验研究

太阳能组合系统冬季工况试验开始时间于2019年01月04日，具体试验安排与测试内容见表1。

表1 冬季试验测试阶段试验安排

2 试验数据分析

2.1 理论分析

在不考虑管路热损失的前提下，根据热量平衡方程有：集热系统有效得热量+辅助热源供热量（壁挂炉供热）=系统总能耗（生活热水负荷和采暖负荷）+蓄热水箱储热量，引入太阳能保证率f及系统能效比EER作为系统评价指标。理论计算公式［7］如下。

太阳能集热器有效集热量：

式中 Qj——1天中太阳能集热系统得热量，J；

n ——总记录次数；

mji—— 第i次记录的集热系统平均流量，m3/s；

ρw——水的密度，kg/m3，ρw=1 000 kg/m3；

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

tdji，tbji—— 第 i次记录的集热系统的出口、进口温度，℃；

ΔTji——第i次记录的时间间隔，s。辅助热源供热量：

式中 Qr——一天中辅助热源供热量，J；

η ——燃气壁挂炉效率，η =90%；

V ——燃气燃烧体积，m3；

q ——燃气热值，J/m3，q=35 588 000 J/m3。

太阳能保证率f：

式中 f ——日太阳能保证率；

Qj——一天中太阳能集热系统得热量，J；Qr——一天中辅助热源供热量，J。

系统总能耗：

式中 QZ——一天中系统总能耗，J；

n ——总记录次数；

mzi——第i次记录的系统总流量，m3/s；

tdzi—— 第i次记录的供热水或供水温度，℃；

tbji—— 第i次记录的冷水或回水温度，℃；

ΔTji—第 i次记录的时间间隔，s。

蓄热水箱储热量：

式中 QX——一天中蓄热水箱储热量，J；

msx——水箱容积，m3；

tz——试验结束水箱平均温度，℃；

系统能效比 EER［8］：

式中 Q ——一天中系统总集热量，J；

W ——一天中不可再生能源耗量，J；

Wb——一天中燃气壁挂炉燃气能耗，J；

Wp——水泵能耗，J；

ηb——电机效率，取ηb=70%。

“哈！难怪今天厚嘴巴像抹了蜜，屁股却辣似姜！”汪队长指点着他，“我可告诉你啊，你有家有口的，不要打我们女护士的歪主意。”

2.2 阴雨天气下数据分析

由于阴雨天气太阳能辐照较低，系统主要由燃气提供热能，以满足末端用热需求。阴雨天气太阳能组合系统运行特性测试时间为2019年1月4-6日及2019年1月8-10日。这6天中室外气温相似，室外最低气温4 ℃，最高气温10 ℃。太阳能组合系统每天运行各项负荷分布及EER变化趋势如图3，4所示。

图3 间歇运行日热负荷及EER变化趋势

图4 连续运行日热负荷及EER变化趋势

在阴雨天气下，太阳能组合系统的系统运行效率EER主要受采暖负荷的影响，采暖负荷越大，EER值越高，同时热水负荷对EER也有一定程度的影响，热水负荷的增大也会导致EER升高。试验测试期间，间歇运行模式下平均系统能效比为0.88，连续运行模式下平均系统能效比为0.87，相比之下连续运行模式下EER降低趋势较大，因此在阴雨天气下间歇运行模式更有利。

2.3 晴朗天气下数据分析

晴朗天气下，太阳能承担部分系统负荷。晴朗天气太阳能组合系统运行特性测试时间为2019年 1月 21～23日及 2019年 3月 23～25日。其中A组：1月21～23日室外最低气温2 ℃，最高气温11 ℃，有效集热面积为16.92 m2，每平方米集热器匹配21 L水量；B组：3月23～25日室外最低气温7 ℃，最高气温16 ℃，有效集热面积为8.46 m2，每平方米集热器匹配42 L水量。具体试验测试结果如图5，6所示。

图5 晴朗天气下，A组测试期间试验测试结果

图6 晴朗天气下，B组测试期间试验测试结果

图5 （a）示出了A组测试期间太阳辐照强度，其中A组平均日辐照强度分别：340.30，375.87，412.59 W/m2，均在13：00达到太阳辐照强度峰值。图5（b）为对应每小时太阳能集热量及水箱上部温度，水箱上部初始温度为15 ℃，集热量变化趋势与太阳能辐照强度变化趋势基本一致，由于在16：30时生活用水量较大，导致水箱大量补水，水箱内部温度降低，使得该时间段集热量大幅升高。图5（c）显示在对应不同太阳辐照强度下连续运行3天平均日系统能效比与太阳能保证率分别为1.55，2.07，2.41 和 0.32，0.45，0.54。可看出随着太阳辐照强度的增加系统能效比与太阳能保证率呈递增趋势。

图6（a）示出B组测试期间太阳辐照强度，其中B组平均日辐照强度分别：601.34，518.82，200.98 W/m2，分别在 12：00，11：00，11：00 达到太阳辐照强度峰值。图6（b）示出对应每小时太阳能集热量及水箱上部温度，水箱初始温度为17℃，由于昼间太阳辐照强度较高，使得水箱内部水温迅速升高。当水箱上部温度高于40 ℃，太阳辐照强度低于300 W/m2时，由于水箱内水温较高，太阳能集热系统获取的热量不足以使水箱内部温度继续升高，此时会出现放热现象。当水箱上部温度高于25 ℃，太阳辐照强度低于200 W/m2时，太阳能集热系统几乎无法获取热量使得水箱内部温度升高，此时集热系统的连续运行会出现放热现象。图6（c）示出在对应不同太阳辐照强度下连续运行3天平均日系统能效比与太阳能保证率分别为 1.26，1.23，0.58 和 0.29，0.21，-0.09。可看出随着太阳辐照强度的降低，系统能效比与太阳能保证率呈递减趋势，当日均太阳辐照强度低于200 W/m2时，太阳能集热系统的开启不但不能提高系统能效比，反而会使其大幅下降，对系统的节能十分不利。

A/B两组第一天太阳辐照强度变化趋势及水箱初始水温十分相似，选取A/B两组第一天系统运行数据进行对比，A组集热面积是B组的2倍，B组第一天太阳辐照强度约为A组的1.78倍，而有效集热量A组是B组的1.04倍，A组太阳能保证率是B组的1.1倍。发现太阳能保证率与集热面积和太阳能辐照强度的成积成正比变化。

3 结语

阴雨天工况下太阳能辐照较低，无法实现太阳能集热系统的集热效果，系统完全依靠辅助热源稳定运行。本试验台在阴雨天工况下间歇运行模式平均系统能效比为0.88，连续运行模式平均系统能效比为0.87，间歇运行模式优于连续运行模式。

在晴天工况下，太阳能保证率达0.2以上时，系统能效比可升高至1.23；太阳能保证率达0.3以上时，系统能效比可升高至1.55；太阳能保证率达0.45以上时，系统能效比可升高至2.07。

太阳辐照强度低于200 W/m2时，太阳能集热系统几乎无法获取热量使得水箱内部温度升高，此时集热系统的运行不利于整体节能，应关闭集热系统。

太阳能辐照强度和集热面积的乘积与太阳能保证率成正比变化，可通过增加集热器面积弥补低辐照天气的影响，但会增加集热器占地面积。