【图朴解决方案】槽式集热器结合相变蓄热太阳能供热系统设计

1 项目概述

本项目为西藏自治区某县城供热二期建设工程。该县城在几年前实施了供热一期建设工程，建成太阳能热源厂1座，换热站3座（分别为换热站1、换热站2和换热站3），总供热面积17.54×104m2。一级管网供、回水温度分别为115、70℃，二级管网供、回水温度分别为70、50℃。

本次拟实施的供热二期建设工程，计划新建热源厂1座，新建换热站1座（换热站4），同时将原有换热站3并入新建热源厂，新建热源厂供热面积为16.90×104m2。换热站3与原有热源厂连接管道保留，作为2座热源厂互为备用的连接管道。

2 能源分析

根据GB/T 31155—2014《太阳能资源等级总辐射》，项目所在地太阳总辐射年辐照量大于6 300 MJ/（m2·a），属于太阳能最丰富地区，非常适宜采用太阳能供热。因此，本项目推荐采用的供热主热源为太阳能。考虑到辅助热源虽然运行时间较少，但必须运行可靠，且当地极端最低温度较低，不适合采用热泵，故采用电锅炉为辅助热源。

3 热负荷

根据GB 50495—2019《太阳能供热采暖工程技术标准》，本设计采用逐时热负荷确定太阳能集热系统热负荷。通过Meteonorm8软件导出项目所在地气象参数文件，结合供暖建筑围护结构和供暖时间等参数，再通过Trnsys软件建模，计算出全年8 760 h逐时热负荷。根据计算结果，新建热源厂负担的建筑最大日平均热负荷为5.30 MW，日最大耗热量为457.8 GJ，全年耗热量为50 484.2 GJ。

4 供热技术方案

4.1太阳能集热系统

4.1.1集热器选型

太阳能集热器是吸收太阳辐射，并将所产生的热能传递给传热介质的装置，是太阳能集热系统中最关键的部件，其性能直接影响太阳能集热系统的供热性能与造价。根据集热器构造形式，有平板集热器、真空管集热器、聚光集热器、空气集热器等多种类型，见表1。

表1 太阳能集热器的类型和特点

真空管集热器在温度变化较大而导致受到冷热冲击较大、系统压力过大及空晒等情况下容易爆管，故不推荐在西藏高原寒冷地区使用。空气集热器也存在这种问题，即使爆管后系统仍能坚持运行，但本就不高的集热效率将再打折扣，也不推荐使用。平板集热器集热效果好，控制简单，但是既需要考虑夏季过热问题，还需要考虑冬季防冻问题。聚光集热器传热介质为低凝固点的导热油，可有效解决冬季运行时的防冻问题；可调整角度追日，能够将传热介质加热到较高温度（200℃以上），过热时可通过调整集热器角度降低温度。槽式聚光集热器（见图1）是聚光集热器的一种，以下简称槽式集热器。

图1 槽式聚光集热器

进一步对比分析平板集热器和槽式集热器：

①集热效率方面。目前市面上的主流产品，平板集热器平均集热效率多为45%~55%；槽式集热器平均集热效率一般都大于60%，接近70%，可以将传热介质加热到120℃以上。

②辐射得热方面。根据Trnsys软件导出的辐照量数据，如采用平板集热器，可吸收的辐照量为包括直射辐射和散射辐射的总辐照量，该地区46°倾斜面接收到的年辐照量最大，为8 540 MJ/m2；如采用槽式集热器，可吸收的辐照量仅为直射辐照量，设置集热器南北追踪后，该地区年总直射辐照量为6 365 MJ/m2。两辐照量比值为1.34，如若平板集热器平均集热效率为50%，则槽式集热器平均集热效率在67%以上方能凸显优势。本项目设计选择的槽式集热器平均集热效率为69%。

③抗风能力方面。平板集热器抗风性能较差，遇大风天气无任何临时应对措施，而项目所在地年平均风速为3.8 m/s，年平均8级以上大风达104.3 d，对集热器抗风性能要求较高。相比之下，槽式集热器最大运行风速为16.7 m/s，最大生存风速为33.3 m/s，项目适应性十分突出。

④运行控制方面。平板集热器基本无需管控。槽式集热器可根据太阳高度角、辐照量和风速等条件设置自动追日和开关机，无需人工控制，自动追日产生的电机运行电费较少，可忽略不计。

⑤投资方面。槽式集热器比平板集热器单位供暖面积投资略高。

根据以上分析，虽然平板集热器有着布置简单、可吸收辐照范围大、投资相对低等优点，但是结合现有供热管网的实际情况，尤其是考虑到槽式集热器的传热介质加热能力和抗风能力，本项目太阳能集热器设计采用槽式集热器。

4.1.2槽式集热器工作原理

槽式集热器可通过聚焦—反射—吸收等过程实现光能到热能的转化，进而加热传热介质。槽式集热器属于中高温集热器的范畴，可以将传热介质加热到比较高的温度。其位于凹面镜焦点位置的集热管采用真空玻璃管结构，即内管采用镀有高吸收率涂层的金属管，管内走传热介质，外管为玻璃管，玻璃管与金属管之间为真空，可以抑制导热和对流导致的热损失。

槽式集热器主体结构为抛物面形状，平行光入射后，通过镜面反射，汇聚到位于凹面镜焦点处的集热管上，加热管内传热介质。这种构造，决定了槽式集热器只能吸收太阳直射辐射，而不能吸收散射辐射，可吸收的总辐照量小于平板集热器。槽式集热器具有自动追日功能，随着太阳的升降，每组集热器会在电机控制下不断调整角度，始终朝向太阳，以确保光线能够平行入射，进而反射到集热管上。因为本项目集热器阵列设计整体朝南布置，只能实现南北方向上的角度调整，称为“南北追踪”。槽式集热器结构及追日原理见图2。

图2 槽式集热器结构及追日原理

槽式集热器的特性使其可以将传热介质加热到较高温度。本项目中，当地海拔为4 720 m，大气压力仅为56 744 Pa，对应的饱和温度仅为84.1℃左右，需要防止热水汽化来保证供热系统的安全运行。现有供热管网设计供、回水温度分别为115、70℃，太阳能侧的设计温度高于120℃方能有效换热，故采用水作为传热介质并不合适，本项目设计采用传热温度可达150℃以上的导热油作为传热介质。

4.1.3集热器计算

根据Meteonorm8软件中当地有关气象资料，通过Trnsys设置南北追踪后，得到当地集热器采光面12月平均日太阳辐照量（表面直射辐射）为22.09 MJ/（m2·d）。

根据GB 50495—2019有关公式，太阳能集热系统设计负荷取5.30 MW，太阳能保证率取70%，集热器平均集热效率取60%，太阳能系统热损失率取20%。集热器总热损系数为16 W/（m2·K），换热器传热系数为3 000 W/（m2·K）。设计供、回油温度分别为150、120℃，集热系统平均每天日照的时间取8 h/d，导热油比热容为2.22 kJ/（kg·K），导热油密度为871 kg/m3，集热器单回路流量取3.5 m3/h。计算得到直接系统集热器总面积为30 223.7 m2，间接系统集热器总面积为36 272.2 m2，集热器单个回路允许布设面积为126.3 m2。

4.1.4集热器布设

①集热器日照间距根据GB 50495—2019有关公式计算。考虑到集热器间通道宽度需求，以及因积雪、杂草、洪水等因素需要提高集热器布设高度等原因，本项目集热器阵列间距确定为5.0 m。

②集热器阵列设计

太阳能集热器单台集热面积为15.3 m2。结合热源厂实际情况、集热器的布置形式，通过计算集热器回路允许面积，校核回路进出口温度、回路单位长度的摩擦阻力，最终设计太阳能集热器单个回路串联数量为每列8台，实际回路面积为122.4 m2；共布设集热器296列，数量为2 368台，总集热面积为36 230.4 m2，接近间接系统集热器总面积，能够满足设计要求。

为提高系统稳定性，将系统分为4个区，每个区布设集热器74列，集热面积9 057.6 m2。集热场设在距离新增供暖负荷较近的区域，地势北高南低，利于太阳辐射的吸收。集热场呈东西向长方形布置，生产厂房和蓄热间设在场区北侧。热源厂总用地面积16.7×104m2，其中集热场占地14.5×104m2，见图3。

图3 热源厂布置平面图

4.2蓄热系统

由于太阳能供热直接受到辐照量影响，因此，为解决夜间或阴雨雪天时的供热，必须设置蓄热系统。

4.2.1蓄热器选型

当前蓄热的方式大体分为3类：显热式、潜热式和热化学式。显热式蓄热，就是利用加热蓄热介质，使其温度升高而蓄热，也称之为热容式蓄热。潜热式蓄热是利用加热蓄热介质到相变温度时，因吸收大量相变热而蓄热，也称之为相变式蓄热。热化学式蓄热是通过可逆化学反应实现热量储存和释放过程的蓄热方式。

本项目中，由于现有一级管网供水温度为115℃，故采用热水作为蓄热介质明显不合适，经综合比较，采用无机盐相变蓄热器，相变材料为共晶盐混合物（厂家提供），要求设备厂家的产品相变温度设计为120℃。

4.2.2蓄热器数量

GB 50495—2019规定：“蓄热量应根据当地太阳能资源、气候、工程投资等因素确定，且应能储存1～7 d太阳能集热系统得热量。”

由于相变蓄热器造价较高，根据建设方投资要求，并结合以往项目设计模拟经验，本项目蓄热量设计为供暖期平均日耗热量，即218.5 GJ。当日集热量大于日耗热量时，太阳能系统热富余，不需要补热，多余热量可进入蓄热器储存起来；当日集热量小于日耗热量时，蓄热器放热，以补偿集热不足部分；当集热量不足，且蓄热量也不能满足耗热量时，启动电锅炉补热。

4.2.3蓄热器布设

本项目设计了智慧供热系统，通过温度、压力传感器和电动阀、电磁阀等实现对蓄热器的群控策略，可根据太阳能余量多少分区域向蓄热器储热。将230台蓄热器分成6个区域，一个区域储满热量后，方能对下一个区域的蓄热器进行储热。放热过程也同理，一个区域的蓄热器释热到设计释热温度下限时，此区域关闭，下个区域蓄热器开始释热。通过这种控制，可尽可能减少蓄热器的储热释热次数，提高其工作效率，延长蓄热器寿命。

蓄热器为圆柱形，长5.0 m，直径1.25 m，为节省占地、节约投资，采用每2台为一组上下叠放，共设115组。

5 系统运行

太阳能供热系统有以下6种运行工况：

①太阳能单独供热——蓄热器蓄满热量，或蓄热器无热可释且太阳能集热量与末端耗热量相当。

②太阳能供热、蓄热器蓄热——集热量大于末端耗热量。

③蓄热器单独供热——太阳辐照量不足且蓄热量满足末端耗热量需求。太阳辐照量不足指阴雪天无太阳，或太阳辐照度过小导致集热器达不到开机要求。

④蓄热器、电锅炉同时供热——太阳辐照量不足且蓄热量不能满足末端耗热量需求。

⑤太阳能、电锅炉同时供热——蓄热量不足且太阳能集热量不能满足极端天气时用热需求。

⑥电锅炉单独供热——蓄热量不足且太阳辐照量不足时。

通过Trnsys进一步模拟可知，按照以上方案设计的集热系统和蓄热系统，供暖期辅助热源电锅炉总补热量为总耗热量的8%左右，实际太阳能保证率可达92%左右，总体运行费用较低。

6 结论

①通过分析项目所在地能源状况，结合当地供暖需求和现状管网等实际情况，采用Trnsys软件对全年热负荷进行模拟计算，确定采用槽式聚光集热器配合相变蓄热设备，并以电锅炉作为辅助热源的太阳能供热系统。

②通过软件模拟太阳能供热系统，供暖期辅助热源电锅炉总补热量为总耗热量的8%左右，实际太阳能保证率可达92%左右，总体运行费用较低，证明该太阳能供热方案合理可行。