间歇太阳能供暖集蓄热系统容量修正设计方法

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太阳能作为清洁可再生能源,利用太阳能供暖是贯彻我国可持续发展理念的重要举措。但太阳能存在能流密度低、波动不连续等问题,且太阳能集热、蓄热系统造价远高于传统供暖系统,导致连续太阳能供暖系统存在造价高、代价大等难题,推广严重受限。因此,结合人员实际活动规律、不同类型建筑间断性使用时段,建立太阳能间歇供暖节能运行模式是解决太阳能供暖系统容量大、代价高的难题的重要手段。而间歇供暖热需求存在间断性周期波动,负荷强度以及总量均发生变化,传统连续太阳能供暖系统中集热、蓄热系统设计方法难以适用,应结合间歇供暖系统负荷波动规律,建立适用于太阳能间歇供暖系统的集蓄热系统设计方法。基于此,本研究分析了用户的用能习惯及建筑间断性使用规律,建立了三类典型间歇供暖模式。根据不同间歇热负荷波动特性对太阳能集热、蓄热系统设计的影响关系,建立了间歇太阳能供暖系统集热、蓄热设计方法。对比分析了三类典型间歇供暖模式下太阳能系统运行特性。为太阳能供暖系统高效利用提供了设计方法和运行优化策略。本文主要研究结果如下:(1)根据建筑间歇使用规律,选取三类典型间歇模式,即:以日为周期的间歇模式IHday、以日和月为周期的间歇模式IHday+period、以日、周和月为周期的间歇模式IHday+week+period。并通过TRNSYS模拟,获得了间歇采暖建筑热负荷特性,为间歇太阳能供暖系统设计方法提供理论基础及设计依据。结果发现,相比传统连续采暖,间歇采暖全年累计热负荷有所降低,其中IHday累积热负荷降低24%,IHday+period累计热负荷降低13%,IHday+week+period累积热负荷降低33%;同时,昼间供暖/夜间停暖模式下建筑日负荷波动较大,一般在供暖启动阶段负荷最高,而夜间供暖/昼间停暖模式下建筑日负荷波动较小。以典型日为例,IHday动态热负荷波动范围为33.6 W/m2-94.6 W/m2,IHday+period动态热负荷波动范围为63.7W/m2-67.2W/m2,IHday+week+period 动态热负荷波动范围为 49.2 W/m2-93.5W/m2。(2)结合间歇建筑热负荷规律,以整个采暖季中太阳能累积集热量与建筑累积耗热量的匹配对间歇太阳能集热器面积计算方法提出修正,并根据集热系统在间歇波动周期内的集热量与热负荷变化规律,提出了太阳能间歇供暖系统蓄热水箱容积修正计算方法。形成了适用于间歇供暖模式的太阳能集蓄热系统设计方法,并结合三类典型间歇供暖模式,对单位采暖面积所需集热器面积Ac/m以及单位集热器面积所需水箱容积V/Ac进行了计算分析。对于IHday类建筑Ac/m=0.119,V/Ac=0.12-0.32;对于 IHday+week+period 建筑,Ac/m=0.136,V/Ac=0.07-0.22;对于IHday+period 建筑Ac/m=0.161,V/Ac=0.21-0.63。(3)结合间歇太阳能集蓄热设计方法,建立了间歇太阳能供暖系统TRNSYS模型,模拟研究三类典型间歇模式下太阳能系统运行特性。模拟结果表明:对于集热侧,昼间供暖/夜间停暖模式下,集热器供回水温度波动较小,而昼间停暖/夜间供暖模式下,集热器供回水温度波动较大。并且在IHday+week+period模式的周末时段,由于水箱温度过高,易造成集热循环泵停止集热,而导致集热器超温气化等问题;对于蓄热侧,昼间供暖/夜间停暖模式下,蓄热水箱温度日波动幅度较小,约为20℃;昼间停暖/夜间供暖模式下蓄热水箱温度波动幅度较大,约为30℃左右;对于供热侧,采用变流量控制时,办公建筑以及教室建筑昼间负荷波动较大从而导致流量波动较大,在实际运行中较难控制;而宿舍建筑,夜间负荷较为平稳,同时采暖季中受室外温度影响较大,因此可采用分阶段变流量的调节方法。本文通过理论分析、模拟研究,掌握了间歇太阳能供暖系统设计方法以及运行特性,研究结果可为间歇太阳能供暖系统的设计以及运行控制提供依据。
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