跨季節(jié)蓄熱太陽能系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用

跨季節(jié)蓄熱太陽能系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用

0太陽能供熱概況太陽能是一種清潔的可支配能源，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于發(fā)電、加熱、空調(diào)等領(lǐng)域。太陽能供熱系統(tǒng)根據(jù)蓄存與使用熱量的時(shí)間跨度可分為短期蓄熱太陽能供熱系統(tǒng)CSHPDS(centralsolarheatingplantswithdiurnalstorage)和跨季節(jié)蓄熱太陽能供熱系統(tǒng)CSHPSS(centralsolarheatingplantswithseasonalstorage)。短期蓄熱太陽能供熱系統(tǒng)主要為住宅、賓館、學(xué)校等建筑提供生活熱水及冬季供暖的部分用熱,全年提供熱量的比例占供熱用戶所需熱量的15-20%。跨季節(jié)蓄熱太陽能供熱系統(tǒng)為區(qū)域建筑提供全年生活熱水用熱和冬季采暖用部分熱量,提供熱量的比例能達(dá)到用戶熱量需求的50%。國際能源署IEA于1981年啟動(dòng)了跨季節(jié)蓄熱太陽能集中供熱系統(tǒng)研究,并先后在德國、瑞典、荷蘭、丹麥等國家建成跨季節(jié)蓄熱太陽能供熱系統(tǒng)。韓國、希臘等國學(xué)者對跨季節(jié)蓄熱太陽能集中供暖系統(tǒng)在本國的應(yīng)用進(jìn)行了研究。德國政府自1993開始資助太陽能集中供熱系統(tǒng)的研究與工程示范項(xiàng)目。截止2009年,丹麥建成9座大型的太陽能熱站,總建筑面積達(dá)到55000m2。預(yù)計(jì)未來10年,丹麥還將建設(shè)50座大型太陽能熱站,屆時(shí)太陽能供熱系統(tǒng)的供熱面積將達(dá)到100-200萬平方米。1cshpss的基本原理跨季節(jié)蓄熱太陽能集中供熱系統(tǒng)(以下簡稱CSHPSS)是供熱用戶數(shù)量在100戶以上的區(qū)域性太陽能供熱系統(tǒng),主要由集熱裝置、蓄熱裝置、輔助熱源、熱水管網(wǎng)等部分組成。圖1說明CSHPSS的基本原理:太陽能集熱裝置吸收太陽熱能,經(jīng)太陽能熱力管網(wǎng)和熱力站的換熱器輸送至跨季節(jié)蓄熱裝置。在冬季需要利用蓄熱裝置內(nèi)熱能的時(shí)候,再通過換熱器將蓄熱裝置內(nèi)熱能輸送至區(qū)域熱力管網(wǎng)?？缂竟?jié)蓄熱裝置可以根據(jù)空間和美觀的需要建設(shè)在地面以下。2蓄熱裝置的選擇CSHPSS中蓄熱裝置的蓄熱性能是一個(gè)很重要的評價(jià)指標(biāo)。根據(jù)儲(chǔ)熱介質(zhì)的不同可以將蓄熱裝置分為四類,分別為熱水蓄熱,簡稱HTES(Hot-waterThermalEnergyStore);地埋管蓄熱,簡稱BTES(BoreholeThermalEnergyStore);含水層蓄熱,簡稱ATES(AquiferThermalEnergyStore);以及礫石-水蓄熱,簡稱GWTES(gravel-waterthermalenergystore)等四種方式。不同蓄熱裝置的選取主要是根據(jù)CSHPSS系統(tǒng)建設(shè)地點(diǎn)土壤、巖石、地下水等情況以及投資規(guī)模等情況確定。圖2為不同蓄熱裝置的示意圖。四種蓄熱裝置蓄熱性能及對建設(shè)地點(diǎn)的要求見表1。2.1熱裝置的傳熱模型熱水蓄熱相對于其他三種蓄熱方式而言,具有單位體積熱容量、流動(dòng)性好,存取熱量較為快捷的特點(diǎn),因此,這種蓄能方式比較常見。CSHPSS中,熱水蓄熱裝置一般為圓柱形,這種結(jié)構(gòu)有助于減小形體系數(shù),以減小熱損失。MInalli等對地下圓柱形熱水蓄熱裝置的傳熱模型等進(jìn)行了理論分析。在德國腓特烈港建設(shè)的熱水蓄熱CSHPSS,蓄熱水裝置容積為12000m3(高20m,直徑32m)。一期工程供熱面積為23000m2,共有2700m2集熱器,為280戶住戶提供部分生活熱水和冬季供暖用熱。2004年,二期工程投入使用,增加110戶住戶,集熱裝置面積增加1350m2。該系統(tǒng)運(yùn)行前,預(yù)計(jì)能為一期住戶提供43%的熱量需求,2003-2007年,該系統(tǒng)實(shí)際提供的太陽能熱量的比例為24~33%不等。沒有達(dá)到預(yù)期供熱比例的原因有以下幾點(diǎn):(1)住戶建筑的冬季熱負(fù)荷比理論計(jì)算值要高出10%左右;(2)太陽能熱水管網(wǎng)的回水溫度比預(yù)期的偏高,熱交換效率沒有達(dá)到預(yù)期要求;(3)蓄熱水裝置的自身熱損失比預(yù)期的220MWh/a要高,實(shí)際蓄熱水裝置的熱損失為382-486MWh/a不等。2.2通過地表等介質(zhì)來交換出土壤和巖石中的熱量地埋管蓄熱裝置是在打入地面以下30-100m的豎井內(nèi)設(shè)置單U形管或雙U形管,在蓄熱過程中,將太陽熱能通過水等介質(zhì)儲(chǔ)存在土壤和巖石中,到冬季供暖時(shí),再通過水等介質(zhì)將豎井旁邊土壤和巖石中的熱量交換出來。BurkhardSanner等對地埋管蓄熱的傳熱模型和工程實(shí)際進(jìn)行了分析和總結(jié)。在德國西南部的內(nèi)卡蘇姆,從1997年開始,分三期建成一個(gè)蓄熱體積為63360m3的地埋管蓄熱裝置。該裝置建有528口雙U管的蓄熱井,使用兩個(gè)100m3的水箱儲(chǔ)存部分熱量,以平衡短期內(nèi)系統(tǒng)換熱高峰與低谷時(shí)的不同要求。從2003-2007年,該系統(tǒng)能提供該區(qū)域住戶生活熱水和冬季供暖26.7-44.8%的熱量需求。2.3與熱水蓄熱裝置的比選礫石-水蓄熱也稱為人工含水層蓄熱,蓄熱介質(zhì)由礫石和水組成。在儲(chǔ)存太陽熱能時(shí),集熱裝置中的熱量通過預(yù)埋在礫石中的熱交換管與礫石-水蓄熱裝置中的水和礫石進(jìn)行換熱。因該蓄熱裝置不需要建設(shè)承重結(jié)構(gòu),因此造價(jià)相對于熱水蓄熱裝置要低。MarkusPfeil對利用礫石-水蓄熱裝置的蓄熱性能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。德國自1984-2008年,先后在斯圖加特等地建成5個(gè)礫石-水蓄熱的CSHPSS,蓄熱裝置容積從1050-4500m3不等。2008年建成的?？怂固挂虻[石-水蓄熱CSHPSS共有平板集熱器1600m2,蓄熱裝置容積為4500m3,冬季供暖面積12000m2。使用2臺(tái)600kW的燃?xì)忮仩t作為輔助熱源,配備一個(gè)30m3的臨時(shí)儲(chǔ)熱水箱。為降低蓄熱裝置的回水溫度,安裝了一臺(tái)60kW的熱泵,使原來GWETS回水溫度由原來的30℃降至10℃,從而提高了GWETS近40%的蓄熱能力。2.4知識(shí)產(chǎn)權(quán)法提取太陽能含水層蓄熱對建設(shè)地點(diǎn)的地質(zhì)構(gòu)造條件的選擇比較苛刻。含水層主要由沙石、礫石、沙子、石灰石等透水性能較好的物質(zhì)組成。含水層的上下兩層為不透水層。在蓄熱裝置中,需要安裝冷水井和熱水井各一口。在夏季太陽能充足的時(shí)候,將獲取的太陽熱能儲(chǔ)存在熱水井中。在冬季,通過抽取熱水井中的熱水給建筑物供暖和生活熱水用熱,然后將提取完熱量后的水灌入冷水井中。MTKangas等對含水層蓄熱進(jìn)行了理論分析和工程實(shí)踐。2000年,德國第一個(gè)利用含水層蓄熱的CSHPSS在羅斯托克投入運(yùn)行。該系統(tǒng)給108個(gè)住戶-(總建筑面積約7000m2),提供50%的冬季建筑供暖用熱和生活熱水用熱。2005年,該系統(tǒng)承擔(dān)了住戶57%的用熱量。該系統(tǒng)得含水層蓄熱的最高溫度限定在50℃,不能直接用于冬季建筑供暖。因此配備有熱泵,將供暖用供水溫度和生活熱水溫度提高到65℃,以此來滿足系統(tǒng)水溫要求。3評估csvCSHPSS的運(yùn)行性能評估,從太陽能保證率和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性兩方面進(jìn)行衡量。3.1單位面積集熱器太陽能輻射與區(qū)域熱網(wǎng)提供的熱量的比較太陽能保證率是指太陽能供熱系統(tǒng)提供的熱量與供熱用戶總的用熱量的比值。表2為德國三個(gè)不同蓄熱類型CSHPSS的太陽能保證率數(shù)據(jù)。在CSHPSS運(yùn)行控制中,單位面積集熱器太陽能輻射總量、單位面積集熱器年吸收太陽能總量、單位面積集熱器為區(qū)域熱網(wǎng)提供的總熱量以及單位面積集熱器為區(qū)域熱網(wǎng)提供的熱量與單位面積集熱器吸收的太陽能的比值都是很重要的地運(yùn)行數(shù)據(jù)。表3數(shù)據(jù)是德國2007年7個(gè)CSHPSS運(yùn)行數(shù)據(jù)。從表3中可以看出,各地的集熱裝置年平均集熱效率在21-27%之間,變化不大。而單位面積集熱器輸送給熱網(wǎng)的熱量與吸收的熱量的比值相差比較大。最大利用效率是克賴爾斯海姆,比值接近90%,而漢堡的只有51.35%。3.2蓄熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析CSHPSS經(jīng)濟(jì)性可以從太陽能熱價(jià)進(jìn)行分析,太陽能熱價(jià)是指太陽能系統(tǒng)每節(jié)省替代終端用能1kWh所需要的總系統(tǒng)投資成本。因CSHPSS的蓄熱時(shí)間較長,熱損失較大。造成單位集熱器上熱用戶最終利用的年均熱量相對于小型熱水系統(tǒng)和短期蓄熱系統(tǒng)都要低,三者分別為:350-500kWh,350-380kWh,230-350kWh。最終的太陽能熱價(jià)分別為0.15-0.3€/kWh,0.08-0.15€/kWh,0.17-0.4€/kWh。AynurUcar針對蓄熱裝置建設(shè)成本與熱損失之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。BoNordell等對不同CSHPSS建設(shè)規(guī)模的太陽能熱價(jià)進(jìn)行了分析。MichaelMeli對在建的CSHPSS進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。BerrinKaracavus等對CSHPSS系統(tǒng)的投資回收時(shí)間作了分析研究。4太陽能資源利用我國三分之二國土的太陽能年輻射量都在5000MJ/a以上,歐洲大部分城市的太陽年輻射量都在4000MJ/a以下,因此相對歐洲國家,我國在利用太陽能方面具有很好的自然條件。CSHPSS建設(shè)的初投資比較大,對比傳統(tǒng)供暖方式來說,單位熱價(jià)比較高,這是在我國發(fā)展CSHPSS的不利因素。但從減少二氧化碳排放,減輕溫室效應(yīng),保護(hù)環(huán)境的角度來說,CSHPSS相對于傳統(tǒng)燃煤供熱系統(tǒng)而言具有優(yōu)勢。4.1關(guān)于積分參數(shù)的選取研究目前,國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者越來越重視對CSHPSS的研究。張廣宇等對CSHPSS中建筑物面積、集熱器面積以及蓄熱裝置容積等參數(shù)的取值范圍進(jìn)行了研究。趙軍等利用TRNSYS軟件,以天津和沈陽兩地自然條件為基礎(chǔ),分析在兩地建設(shè)CSHPSS中集熱器面積與蓄熱水箱容積比的合理范圍,同時(shí)分析得出了兩地比較適宜的太陽能保證率。王恩宇等對利用太陽能土壤蓄熱在小型別墅供熱的可能性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。張文雍、王艷等對地埋管土壤蓄熱進(jìn)行傳熱模型的研究。袁偉峰等對利用含水層蓄熱進(jìn)行了研究。4.2cshpss的運(yùn)行維護(hù)(1)CSHPSS工程建設(shè)是一個(gè)比較復(fù)雜的體系。要搞好CSHPSS在國內(nèi)的使用和推廣,必須要有政府的支持。CSHPSS的熱價(jià)相對于傳統(tǒng)供熱方式的熱價(jià)偏高,同時(shí)初期投資比較大,因此,CSHPSS的建設(shè)中,政府必須給予工程建設(shè)資金上的支持。(2)在集熱器等系統(tǒng)重要部件質(zhì)量上,國家應(yīng)嚴(yán)格制定并執(zhí)行相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),確保CSHPSS運(yùn)行的可靠性。(3)嚴(yán)格執(zhí)行建筑物相應(yīng)的保溫處理規(guī)定,確保降低建筑物冬季單位面積供暖負(fù)荷。(4)采暖建筑內(nèi)傳統(tǒng)散熱裝置為金屬散熱器,這種散熱裝置要求的系統(tǒng)的供回水溫度較高,不利于充分釋放太陽能供熱系統(tǒng)蓄熱裝置中的熱能。因此,應(yīng)發(fā)展太陽能熱