跨季节蓄热太阳能系统在建筑中的应用

跨季节蓄热太阳能系统在建筑中的应用

0太阳能供热概况太阳能是一种清洁的可支配能源，现在广泛应用于发电、加热、空调等领域。太阳能供热系统根据蓄存与使用热量的时间跨度可分为短期蓄热太阳能供热系统CSHPDS(centralsolarheatingplantswithdiurnalstorage)和跨季节蓄热太阳能供热系统CSHPSS(centralsolarheatingplantswithseasonalstorage)。短期蓄热太阳能供热系统主要为住宅、宾馆、学校等建筑提供生活热水及冬季供暖的部分用热,全年提供热量的比例占供热用户所需热量的15-20%。跨季节蓄热太阳能供热系统为区域建筑提供全年生活热水用热和冬季采暖用部分热量,提供热量的比例能达到用户热量需求的50%。国际能源署IEA于1981年启动了跨季节蓄热太阳能集中供热系统研究,并先后在德国、瑞典、荷兰、丹麦等国家建成跨季节蓄热太阳能供热系统。韩国、希腊等国学者对跨季节蓄热太阳能集中供暖系统在本国的应用进行了研究。德国政府自1993开始资助太阳能集中供热系统的研究与工程示范项目。截止2009年,丹麦建成9座大型的太阳能热站,总建筑面积达到55000m2。预计未来10年,丹麦还将建设50座大型太阳能热站,届时太阳能供热系统的供热面积将达到100-200万平方米。1cshpss的基本原理跨季节蓄热太阳能集中供热系统(以下简称CSHPSS)是供热用户数量在100户以上的区域性太阳能供热系统,主要由集热装置、蓄热装置、辅助热源、热水管网等部分组成。图1说明CSHPSS的基本原理:太阳能集热装置吸收太阳热能,经太阳能热力管网和热力站的换热器输送至跨季节蓄热装置。在冬季需要利用蓄热装置内热能的时候,再通过换热器将蓄热装置内热能输送至区域热力管网。跨季节蓄热装置可以根据空间和美观的需要建设在地面以下。2蓄热装置的选择CSHPSS中蓄热装置的蓄热性能是一个很重要的评价指标。根据储热介质的不同可以将蓄热装置分为四类,分别为热水蓄热,简称HTES(Hot-waterThermalEnergyStore);地埋管蓄热,简称BTES(BoreholeThermalEnergyStore);含水层蓄热,简称ATES(AquiferThermalEnergyStore);以及砾石-水蓄热,简称GWTES(gravel-waterthermalenergystore)等四种方式。不同蓄热装置的选取主要是根据CSHPSS系统建设地点土壤、岩石、地下水等情况以及投资规模等情况确定。图2为不同蓄热装置的示意图。四种蓄热装置蓄热性能及对建设地点的要求见表1。2.1热装置的传热模型热水蓄热相对于其他三种蓄热方式而言,具有单位体积热容量、流动性好,存取热量较为快捷的特点,因此,这种蓄能方式比较常见。CSHPSS中,热水蓄热装置一般为圆柱形,这种结构有助于减小形体系数,以减小热损失。MInalli等对地下圆柱形热水蓄热装置的传热模型等进行了理论分析。在德国腓特烈港建设的热水蓄热CSHPSS,蓄热水装置容积为12000m3(高20m,直径32m)。一期工程供热面积为23000m2,共有2700m2集热器,为280户住户提供部分生活热水和冬季供暖用热。2004年,二期工程投入使用,增加110户住户,集热装置面积增加1350m2。该系统运行前,预计能为一期住户提供43%的热量需求,2003-2007年,该系统实际提供的太阳能热量的比例为24~33%不等。没有达到预期供热比例的原因有以下几点:(1)住户建筑的冬季热负荷比理论计算值要高出10%左右;(2)太阳能热水管网的回水温度比预期的偏高,热交换效率没有达到预期要求;(3)蓄热水装置的自身热损失比预期的220MWh/a要高,实际蓄热水装置的热损失为382-486MWh/a不等。2.2通过地表等介质来交换出土壤和岩石中的热量地埋管蓄热装置是在打入地面以下30-100m的竖井内设置单U形管或双U形管,在蓄热过程中,将太阳热能通过水等介质储存在土壤和岩石中,到冬季供暖时,再通过水等介质将竖井旁边土壤和岩石中的热量交换出来。BurkhardSanner等对地埋管蓄热的传热模型和工程实际进行了分析和总结。在德国西南部的内卡苏姆,从1997年开始,分三期建成一个蓄热体积为63360m3的地埋管蓄热装置。该装置建有528口双U管的蓄热井,使用两个100m3的水箱储存部分热量,以平衡短期内系统换热高峰与低谷时的不同要求。从2003-2007年,该系统能提供该区域住户生活热水和冬季供暖26.7-44.8%的热量需求。2.3与热水蓄热装置的比选砾石-水蓄热也称为人工含水层蓄热,蓄热介质由砾石和水组成。在储存太阳热能时,集热装置中的热量通过预埋在砾石中的热交换管与砾石-水蓄热装置中的水和砾石进行换热。因该蓄热装置不需要建设承重结构,因此造价相对于热水蓄热装置要低。MarkusPfeil对利用砾石-水蓄热装置的蓄热性能和经济性进行了分析。德国自1984-2008年,先后在斯图加特等地建成5个砾石-水蓄热的CSHPSS,蓄热装置容积从1050-4500m3不等。2008年建成的埃克斯坦因砾石-水蓄热CSHPSS共有平板集热器1600m2,蓄热装置容积为4500m3,冬季供暖面积12000m2。使用2台600kW的燃气锅炉作为辅助热源,配备一个30m3的临时储热水箱。为降低蓄热装置的回水温度,安装了一台60kW的热泵,使原来GWETS回水温度由原来的30℃降至10℃,从而提高了GWETS近40%的蓄热能力。2.4知识产权法提取太阳能含水层蓄热对建设地点的地质构造条件的选择比较苛刻。含水层主要由沙石、砾石、沙子、石灰石等透水性能较好的物质组成。含水层的上下两层为不透水层。在蓄热装置中,需要安装冷水井和热水井各一口。在夏季太阳能充足的时候,将获取的太阳热能储存在热水井中。在冬季,通过抽取热水井中的热水给建筑物供暖和生活热水用热,然后将提取完热量后的水灌入冷水井中。MTKangas等对含水层蓄热进行了理论分析和工程实践。2000年,德国第一个利用含水层蓄热的CSHPSS在罗斯托克投入运行。该系统给108个住户-(总建筑面积约7000m2),提供50%的冬季建筑供暖用热和生活热水用热。2005年,该系统承担了住户57%的用热量。该系统得含水层蓄热的最高温度限定在50℃,不能直接用于冬季建筑供暖。因此配备有热泵,将供暖用供水温度和生活热水温度提高到65℃,以此来满足系统水温要求。3评估csvCSHPSS的运行性能评估,从太阳能保证率和运行的经济性两方面进行衡量。3.1单位面积集热器太阳能辐射与区域热网提供的热量的比较太阳能保证率是指太阳能供热系统提供的热量与供热用户总的用热量的比值。表2为德国三个不同蓄热类型CSHPSS的太阳能保证率数据。在CSHPSS运行控制中,单位面积集热器太阳能辐射总量、单位面积集热器年吸收太阳能总量、单位面积集热器为区域热网提供的总热量以及单位面积集热器为区域热网提供的热量与单位面积集热器吸收的太阳能的比值都是很重要的地运行数据。表3数据是德国2007年7个CSHPSS运行数据。从表3中可以看出,各地的集热装置年平均集热效率在21-27%之间,变化不大。而单位面积集热器输送给热网的热量与吸收的热量的比值相差比较大。最大利用效率是克赖尔斯海姆,比值接近90%,而汉堡的只有51.35%。3.2蓄热系统经济性分析CSHPSS经济性可以从太阳能热价进行分析,太阳能热价是指太阳能系统每节省替代终端用能1kWh所需要的总系统投资成本。因CSHPSS的蓄热时间较长,热损失较大。造成单位集热器上热用户最终利用的年均热量相对于小型热水系统和短期蓄热系统都要低,三者分别为:350-500kWh,350-380kWh,230-350kWh。最终的太阳能热价分别为0.15-0.3€/kWh,0.08-0.15€/kWh,0.17-0.4€/kWh。AynurUcar针对蓄热装置建设成本与热损失之间的关系进行了研究。BoNordell等对不同CSHPSS建设规模的太阳能热价进行了分析。MichaelMeli对在建的CSHPSS进行了经济性分析。BerrinKaracavus等对CSHPSS系统的投资回收时间作了分析研究。4太阳能资源利用我国三分之二国土的太阳能年辐射量都在5000MJ/a以上,欧洲大部分城市的太阳年辐射量都在4000MJ/a以下,因此相对欧洲国家,我国在利用太阳能方面具有很好的自然条件。CSHPSS建设的初投资比较大,对比传统供暖方式来说,单位热价比较高,这是在我国发展CSHPSS的不利因素。但从减少二氧化碳排放,减轻温室效应,保护环境的角度来说,CSHPSS相对于传统燃煤供热系统而言具有优势。4.1关于积分参数的选取研究目前,国内相关领域的学者越来越重视对CSHPSS的研究。张广宇等对CSHPSS中建筑物面积、集热器面积以及蓄热装置容积等参数的取值范围进行了研究。赵军等利用TRNSYS软件,以天津和沈阳两地自然条件为基础,分析在两地建设CSHPSS中集热器面积与蓄热水箱容积比的合理范围,同时分析得出了两地比较适宜的太阳能保证率。王恩宇等对利用太阳能土壤蓄热在小型别墅供热的可能性进行了实验分析。张文雍、王艳等对地埋管土壤蓄热进行传热模型的研究。袁伟峰等对利用含水层蓄热进行了研究。4.2cshpss的运行维护(1)CSHPSS工程建设是一个比较复杂的体系。要搞好CSHPSS在国内的使用和推广,必须要有政府的支持。CSHPSS的热价相对于传统供热方式的热价偏高,同时初期投资比较大,因此,CSHPSS的建设中,政府必须给予工程建设资金上的支持。(2)在集热器等系统重要部件质量上,国家应严格制定并执行相应的标准,确保CSHPSS运行的可靠性。(3)严格执行建筑物相应的保温处理规定,确保降低建筑物冬季单位面积供暖负荷。(4)采暖建筑内传统散热装置为金属散热器,这种散热装置要求的系统的供回水温度较高,不利于充分释放太阳能供热系统蓄热装置中的热能。因此,应发展太阳能热