季节性水池储热太阳能供暖系统运行调节研究

摘要

近年来，随着“煤改清洁能源”相关政策的实施，各地逐渐开始实行清洁能源供暖，人们对太阳能供热区域性发展越来越重视。“十三五”能源规划将太阳能供暖作为重点政策推广，应当把握时机深化季节性储热太阳能供暖理论和技术的研究，从而推进工程应用的发展和落实。 目前我国季节性储热太阳能集中供暖（SDHS-SS）技术尚处于起步阶段，在方案论证、设计优化和运行调控等方面尚存在诸多问题，导致太阳能集中供暖系统投入运行后经常出现热能供需不平衡问题，造成热量浪费或供暖不达标现象。丹麦、德国等欧洲国家的季节性储热的太阳能集中供暖技术较为成熟，但由于人口密度、土地资源、建筑形式、供热模式等与我国有较大差异，不宜完全采纳，需结合国外经验，根据我国国情特点，深化相关技术的自主研究。 本研究建立了一种以水池为季节性储热装置、以水源热泵为辅助热源的季节性储热太阳能集中供暖系统，通过系统各子系统的能量传输模型分析影响系统能效的关键参数，并针对季节性储热水池在供暖期的水温变化规律，为该系统提出合理的调节方案和控制策略，并以此为基础建立与系统对应的TRNSYS仿真模型。最后，结合前述理论研究以大连地区某工程为研究对象分析该系统的运行特性，证明本文理论研究的应用价值和意义，为我国大规模季节性储热太阳能集中供暖技术的发展提供理论支撑。 第一，通过分析季节性水池储热太阳能供暖系统各部件的能量平衡数学模型和整个系统的能量传输模型，确定了影响系统能效的关键参数自然参数和设计参数，其中集热器面积、集热器安装倾角、季节性储热水池容积最为关键。 第二，为使季节性储热太阳能供暖系统的供热量与供暖热负荷相匹配，结合供暖期储热水池供水温度不断降低的特点，阐明供暖调节不适合采用质调节方案，因此提出了适用于季节性储热太阳能供暖系统不同工况下的量调节方案，并给出相对应的控制策略。 第三，建立季节性水池储热太阳能供暖系统的TRNSYS仿真模型并通过实测数据验证模型正确性，为探究调控方法的合理性及系统运行特性分析提供仿真模拟平台。同时，归纳了季节性水池储热太阳能供暖系统TRNSYS建模过程的关键问题及解决方法，为今后相关人员的模拟研究提供参考。 第四，以大连地区某住宅小区季节性水池储热太阳能供暖系统为例，依据TRNSYS仿真模型对该供暖系统的运行特性进行模拟分析。在TRNSYS模拟分析过程中，为降低SDHS-SS的系统供热量，利用Dest软件确定间歇供暖运行模式，节能率达8.14%；在此基础上，以太阳能保证率为目标，基于无交互正交试验法优选集热器面积为8000m2、集热倾角为45°及季节性储热水池容积为13300m3；结合本研究所提出的量调节方案和控制策略对TRNSYS模拟结果进行运行特性分析，包括集热器出口介质温度、逐时集热效率、储热水池供回水温度、储热量、系统供热量与热负荷匹配度等；模拟证明，间供和直供模式下，SDHS-SS的逐时供热量等于热负荷，间接供暖模式通过量调节使SDHS-SS的供水温度控制在45～53℃；水源热泵辅助供暖模式下，SDHS-SS的逐时供热量尽可能的满足热负荷需求，受TRNSYS中水源热泵模型的限制，水源热泵辅助供暖模式通过量调节供水温度基本上可以满足直供要求；本文推荐对于大连地区供暖面积为2.4×104m2的住宅小区，采用集热器面积为8000m2、集热倾角为45°及季节性储热水池容积为13300m3的季节性储热太阳能供暖系统，在11和12月太阳能保证率为100%，次年1月至4月的月平均太阳能保证在70%～75%之间。

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