新型复合储能太阳能供热系统仿真研究

白卫东, 李宗凯, 詹旭东, 李海峰, 邱益阳, 何一坚*

(1.大唐吉林发电有限公司热力分公司,吉林 长春 130051;2.浙江大学制冷与低温研究所,浙江 杭州 310027)

0 引言

随着能源问题越来越受重视,人们致力于研究能源消耗的降低与可再生清洁能源的开发。 在众多新能源中,太阳能因其清洁、安全、来源稳定、总量充足等优点,一直是开发的热点。 据统计,我国年平均太阳能辐射量为5 750 MJ/m2,每年获得的太阳能辐射量为5×106MJ,折合标准煤为2.4×104亿t。 我国是太阳能资源最丰富的国家之一,超过67%的国土面积为太阳能有效利用面积。 对于如此丰富的太阳能资源,加大投入将其合理利用是十分有必要的[1]。

对于太阳能供热来说,目前的应用还主要局限于太阳能热水系统。 在我国气候寒冷的北方,建筑供热能耗占比大,但这些地区太阳能资源也较为丰富,利用太阳能对建筑进行供暖具有良好的应用前景与节能效益。 太阳能除了利用方便,来源充足,清洁无污染等优点,也存在波动性强,能量与用户热需求不匹配等缺点。 常规的太阳能供热系统主要通过蓄热水箱来实现能量的存储与释放,而储能材料的发展为太阳能供热系统储能模块提供了另外的选择。 通过在太阳能供热系统中加入相变储能模块,可以有效减少太阳能波动性带来的能量损耗,提高系统的太阳能保证率,使太阳能供热与用户的热负荷更加匹配[2]。

文献[3]通过数值模拟分析了套管式相变储能模块的特性,提出了计算相变单元温度场和流体温度场的数值模型,并在TRNSYS 软件上开发相应的储能模型。 该研究结果表明,入口温度对相变材料的平均温度和出口温度有较大的影响,而入口流量对相变单元的影响可忽略不计。

文献[4]建立了套管式相变储热模块的二维模型,利用FLUENT 软件对储能模块进行数值模拟,分析讨论了传热性能(有效储能比)与换热流体雷诺数和材料填充系数的关系。 结果表明,换热流体雷诺数与填充系数对有效储能比存在一定的影响。

本文以新型复合储能材料为研究重点,通过TRNSYS 软件,研究分析了不同储能材料对太阳能供热系统的系统供热量、太阳能保证率等性能特性的影响,找寻优于传统蓄热水箱的储能模块,以解决蓄热水箱在实际使用过程中存在的问题,如在严寒地区无法正常使用、系统太阳能保证率低等,进一步提高储能型太阳能供热系统的性能、节能效益或使用范围。

本文以某典型建筑为例,根据其所在地的气候参数与建筑的相关参数,发展新型储能型太阳能供热系统,并对系统中的主要部件进行设计计算与选型,使其能满足建筑的供热需求。 本文通过TRNSYS 软件对建筑的热负荷进行模拟,开发出适用于该系统的储能模块,从而构建新型储能太阳能供热系统仿真模型。 笔者通过系统的模拟仿真,对比、分析其性能特性,得到具有较好发展潜力的新型储能太阳能供热系统。

1 建筑负荷

1.1 气象参数

本文所选建筑位于长春市,按照我国气候分区划分,属于严寒C 区,冬季月平均气温低于-10 ℃。 同时,长春的太阳能资源较为丰富,比较适合应用太阳能供热系统。 长春地区的气候条件与太阳能气象参数,如表1—2 所示[5-6]。

表2 长春地区的太阳能气象参数

1.2 供热负荷模拟计算

本文所选建筑采暖面积为173 m2,作为长春市低能耗建筑示范项目,该建筑选用高效保温隔热材料,大大减小了建筑的温度波动与热量损耗,降低了建筑在采暖季的建筑热负荷[7]。 通过 TRNSYS 中TRNBuild 模块对建筑进行建模,TRNSYS 模型如图1 所示[8]。 该模型的主要输出参数有各房间内温度变化、湿度变化、热湿负荷变化等,设定建筑室内温度为20 ℃,人员活动率、建筑内部得热量、照明率等参数按照已知数据设定。 该模型主要模拟了所选建筑从上一年10 月25 日到下一年4 月10 日的采暖期内热负荷变化,得到建筑在室外气候参数影响下热负荷的逐时变化并输出,如图2 所示。 由模拟结果可以知,采暖期内建筑逐时热负荷以每天为单位进行波动,在整体上存在先上升后下降的趋势,建筑逐时热负荷从10 月25 日开始波动上升,在第二年1 月20 日左右达到最大值,之后开始波动下降,4 月的建筑负荷与10 月基本相当。

图1 用于模拟建筑负荷的TRNSYS 模型

图2 采暖期内建筑热负荷逐时变化

2 带储能的供热系统仿真模型构建

2.1 供热系统原理

文献[9-11]总结了太阳能-热泵供热系统的各种类型,将其分为间接膨胀式太阳能-热泵系统与直接膨胀式太阳能-热泵系统两大类,其中又划分了并联式、串联式等类型,针对不同系统类型与工况提出了多种加热模式。 为了简化研究,本文不涉及太阳能制生活热水流程,采用间接膨胀式太阳能供热系统,系统原理如图3 所示。 它主要分为两个循环水系统,分别为太阳能集热系统与热水供热循环系统。 两个循环水系统之间按照不同的流程通过换热器或储能模块进行热量交换,辅助热源串联在循环供热回路上,处于用户侧末端之前,保证了当太阳能热量不足时,循环水能够有足够的热量对末端用户进行供热。

图3 供热系统原理

2.2 新型储能模块构建

本文根据需要,分析了采用复合相变储能与固体显热储能两种新型储能材料的供热系统。 储能模块采用圆柱套管式结构,储能材料填充内管(一根换热流体管道)和外管之间(见图4)。 根据工作模式的不同,换热流体管道可分别连接太阳能集热环路或供热循环环路,流入热流体或冷流体,对圆柱套管内储能材料进行加热或冷却,实现能量的存储与释放。 所构建的储能模块为40 根串联的套管换热器,每根套管直径0.1 m,长1 m,填充储能材料,内设外径0.02 m、内径0.018 m 的换热管道,内部流动换热工质。 整套部件总体积约为0.4 m3,蓄热体积为0.301 44 m3。

图4 储能部件结构

系统仿真模型所需的储能模块通过TRNSYS 与VC++6.0 软件创建。 系统通过TRNSYS 软件创建文件并进行参数设定,输入参数有冷热流体的入口温度与流速,部件的初始温度;输出参数为流体出口温度与流速、储能模块的温度以及提供给循环水的热量;常数主要为相变材料的相变温度、导热系数、潜热值、比热容以及储能模块的体积等。 参数设定完成后,将储能模块文件导出成为C++文件,通过VC++6.0 软件进行程序的编写与编译,最终获得可用于进行TRNSYS 系统仿真的储能模块。

2.3 系统仿真模型构建

本研究所使用的仿真模型存在以下基本假设:忽略集热循环水与供热循环水在管路中的散热;材料物性不随时间变化。

2.3.1 带水箱太阳能供热系统

作为研究对比,所选建筑采用的储能型太阳能供热系统使用储热水箱完成能量的储存和释放,并记录了实际运行数据。 本文通过TRNSYS 搭建带水箱的太阳能供热系统的仿真模型,如图5 所示[12]。 根据供热时间对系统进行仿真模拟,运行时间为10 月25日至12 月24 日,气象参数与建筑负荷参数为该时间内的长春天气逐时数据与建筑逐时负荷。 其中,统计水箱累计供给供热循环水的热量,作为最后的太阳能供热量。 太阳能集热循环根据实际情况设置了启停控制。 当集热器出口温度低于水箱内平均温度或水箱温度高于80 ℃时,循环泵关闭,太阳能集热循环停止运行,避免循环水带走水箱内热量,增加热能损耗;反之,则循环水泵开启,太阳能集热循环工作,为水箱提供热量。

图5 带水箱的太阳能供热系统

2.3.2 带新型储能的太阳能供热系统

在其余部件参数与工况不变的情况下,将构建的新型储能模块加入供热系统,储能模块与间壁式换热器串联,两个循环环路并联流经换热器与储能模块,进行换热。 同时,在系统中设置控制器,使系统分为两种工作模式:(1)当太阳能充足,太阳能集热器出口温度高时,集热循环水与供热循环水直接在换热器处进行换热,换热后的热水流经储能模块并对其进行充能,此时供热循环水不流经储能模块;(2)当太阳能不足,太阳能集热器出口温度低于供热循环回水温度时,集热循环泵停止工作,此时集热循环水不流经储能模块,供热循环水流入储能模块,吸收热量后供给用户。

两种工作模式中,储能模块在同一时间均只有一种流体流入,不仅能满足储能模块结构的要求,还能实现在太阳能充足时,保证用户供暖需求的同时储存富余的能量,在太阳能不足时,利用存储的热量对用户供热。

由于存在辅助热源保证供水温度不低于设定温度,故当储能模块能量不足时,可能出现循环水反向加热储能模块的情况。 因此,在计算太阳能供热量时,假设储能模块提供给循环水的热量为正,循环水提供给储能模块的能量为负,计算整个模拟期间的能量总值,最终结果正的数值则代表模拟期间储能模块供热量,与换热器的供热量相加得到模拟期间总的太阳能供热量。

储能模块内填充的相变储能材料从相关文献中进行选择,主要为复合相变储能材料。 该类材料既有相变材料相变潜热大,蓄热能力强的优点,又有着较高的导热率,是良好的储能元件填充材料。 本文所选取的材料有:石蜡-膨胀石墨[13]、石蜡-石墨烯[14]、肉豆蔻酸-碳纳米管[15]。 根据文献中的材料热物性等数据对储能模块参数进行调整,再针对不同的相变材料分别进行系统的仿真模拟。

另外,系统中所采用的固体储能材料为水、石墨粉、沙石三者混合形成的沙浆,其主要材料沙石成本低廉,取材方便,加入水与石墨粉后能够有效提高材料的总体导热性与比热容。 在需要考虑储能模块成本时不失为一种选择[16-17]。

采用复合相变储能模块或固体显热储能模块的太阳能供热系统的仿真模型分别如图6—7 所示[18-19]。 其中,带固体显热储能模块的太阳能供热系统模型与前者基本相同,主要是对储能模块参数进行调整,储能模块体积设置为3 m3,相变温度设置为600 ℃,保证储能模块所有充放能行为都在显热换热阶段进行。

图6 采用复合相变储能的太阳能供热系统

图7 采用固体显热储能的太阳能供热系统

3 仿真结果分析

3.1 不同储能材料对系统性能的影响

3.1.1 相变储能材料

文章对于带相变储能的太阳能供热系统,设定供水温度为40 ℃,对相变储能材料进行分析,探究不同材料配比对于系统供热量的影响。

首先是石蜡-膨胀石墨材料,系统仿真结果如表3 所示。 由仿真结果可知,膨胀石墨质量分数为4%～5%时,系统供热量较大,故系统所选取的石蜡-膨胀石墨材料配比为石蜡95%,膨胀石墨5%。

表3 不同配比下材料热物性和系统供热量

其次,获取其他两种复合相变材料的热物性[13-15],进行系统仿真。 系统应用不同相变材料时,仿真结果如表4 所示。

表4 应用不同相变材料时系统仿真结果

3.1.2 固体显热储能材料

对于采用固体显热储能模块的太阳能供热系统,按照设计要求完成仿真模型中各部件参数设定,再对不同配比的混合沙浆进行分析,得到对应的物性参数[20-21]与仿真结果,如表5 和图8 所示。

图8 不同比例储能材料的太阳能保证率

表5 不同配比的沙浆物性参数与太阳能保证率

分析上述结果可以发现,系统的太阳能保证率随着材料石墨粉含量的提高而降低,随着材料含水量的提高而提高。 在所选取的材料中,使用石墨粉质量分数3%,水质量分数15%的材料,系统太阳能保证率最高。 因为所使用的材料中水具有最高的比热容,在合适的范围内,水质量分数越高,储能材料能存储的热量越多,但该配比的材料冰点最高,在温度很低的冬季,最可能结冰。 故在选取材料配比时应当综合考虑太阳能保证率与系统防冻要求等。

3.2 带不同储能模块的系统分析

对采用不同储能模块的太阳能供热系统进行仿真模拟和分析。 作为对比,带水箱的太阳能供热系统其余部件参数以及仿真时间等条件不变。

3.2.1 不同集热面积的系统

选取石蜡-膨胀石墨材料,水质量分数6%和石墨粉质量分数5%的混合沙浆,以储热水箱为研究对象,以集热面积为研究变量,分别对集热面积7～13 m2的工况进行仿真模拟,计算在不同的集热面积下系统的太阳能供热量与太阳能保证率的变化情况,得到的结果如表6、图9 和图10 所示。

图9 在不同储能模块、集热面积条件下太阳能供热量变化曲线

图10 在不同储能模块、集热面积条件下太阳能保证率变化曲线

表6 在不同储能模块、集热面积条件下太阳能供热量和太阳能保证率对比

分析数据可知,对于采用不同储能模块的系统,提高太阳能集热面积均可以有效提高系统的太阳能供热量与太阳能保证率。 同时,采用石蜡-膨胀石墨相变材料的系统,其太阳能供热量与太阳能保证率在任一集热面积下,均高于采用混合沙浆或储热水箱作为储能模块的系统,太阳能保证率高出1.5%～3%,即采用相变储能模块可以有效提高太阳能供热系统的性能。 而采用混合沙浆的系统,其在不同集热面积下的太阳能供热量和太阳能保证率,与采用储热水箱的系统相近。 因此,混合沙浆可以替代储热水箱成为新的储热模块,且基本不影响系统的性能。

3.2.2 不同供暖时间段的系统

在供水温度为40 ℃,集热面积为10 m2的工况下,对不同时间内使用不同储能模块的系统进行仿真模拟,得到系统太阳能供热量与太阳能保证率如表7、图11 和图12 所示。

图11 不同时间内不同储能模块的太阳能供热量变化曲线

图12 不同时间内不同储能模块的太阳能保证率变化曲线

表7 不同时间内不同储能模块的太阳能供热量与太阳能保证率对比

分析上述仿真结果,可见采用石蜡-膨胀石墨相变储能材料的太阳能供热系统,在前一个月太阳能较为充足的情况下,能够十分有效地提高系统的太阳能保证率,最高可提升6.2%。 这是由于其优异的蓄热性能能够将多余的太阳能热量存储起来,有效提高太阳能的利用效率,从而提高系统的太阳能保证率。 而在第二个月,太阳辐射强度较弱,太阳能资源不足,系统的太阳能保证率较低,但还是可以为建筑提供可观的热量,共有448.5 kW·h。

对于采用混合沙浆显热储能材料的太阳能供热系统,其在两个月份都有一定的供热能力,其中,10月25 日至11 月24 日系统的太阳能保证率明显大于11 月25 日至12 月24 日,且在初期10 月25 日至11月14 日优于采用储热水箱作为储能模块的系统。

3.2.3 单位储能模块体积

在集热面积为10 m2,集热循环流量为0.45 m3/h,供热循环流量为0.8 m3/h 的工况下,比较不同系统单位储能模块体积的性能,如表8 所示。

比较可得,相变储能模块的系统太阳能保证率最高,且模块体积相比另外两种明显减小,仅为其他部件的13.3%,材料造价虽高于固体显热模块,但也远低于蓄热水箱,在预算允许的情况下,是最佳选择;固体显热储能模块的造价相比其他部件明显降低,在成本方面竞争力强,但太阳能保证率相较最低。

冬冷夏热地区的冬季太阳辐照度较寒冷地区和严寒地区往往更低,系统提供的太阳能供热量相对较少,但数量仍然可观。 冬冷夏热地区冬季所需供暖负荷较低,系统能保持更高的太阳能保证率。 同时,冬冷夏热地区的冬季最低温度较高,储能模块所用材料能有更多的选择。 因此,本文分析的新型复合储能太阳能供热系统对于在冬冷夏热地区有积极的参考价值和良好使用前景。

4 结语

(1)太阳能供热系统在采暖季能够有效提供可观的热量,相比于单纯使用热泵供暖,结合太阳能供暖的建筑能够减少22%～35%的采暖能耗,可以有效提高建筑整体的能量利用效率,具有良好的节能效益与发展前景。

(2)加设储能模块能够有效提高太阳能的利用率,使用不同储能模块的供热系统的太阳能保证率均可达到22%以上,供热量均可达到850 kW·h 以上,降低了太阳能波动性带来的能量损耗,提高了采暖季节太阳能供热量,进而提高了太阳能保证率,达到更加良好的节能效益。 同时,在合理范围内提高太阳集热器面积可以有效提高系统的太阳能供热量与太阳能保证率,太阳能保证率可达到30%以上,供热量可达到1 100 kW·h 以上。

(3)当追求系统性能的最优时,首选是采用复合相变储能模块,其能在体积较小的情况下使系统有很好的运行性能,提升了系统节能效益的同时使系统更加紧凑。 在本文所研究的工况下,采用相变储能模块的太阳能供热系统,其太阳能供热量等方面相比都是最优的。

(4)当考虑系统成本与性价比时,采用混合沙浆进行固体显热储能的系统具备很强的竞争力,其在大大降低储能模块成本的同时保证了系统具备较为良好的运行性能,可以有效降低储能型太阳能供热系统的投资成本。 相比于采用水箱蓄热的太阳能供热系统,其对于低温环境的适应性显著提高。 同时,适当提高本文所用显热储能材料的含水率,能够在一定程度上提高部件的蓄热性能。