穆琳，周晴晴,2（通信作者），霍树义

1.河北水利电力学院，河北沧州，061001；2.河北省数据中心相变热管理技术创新中心，河北沧州，061001

0 引言

“双碳”背景下，研究储热型低碳供暖体系，可助力能源结构优化调整，减少碳排放幅度，推动经济社会发展走上全面绿色转型道路。基于传统储热以煤炭作为主要热量来源，此种储热供暖方式对于有限的资源开发利用是一种极大的消耗。太阳能是主要的可再生能源之一，易于获取且具有清洁无污染等特点，故选用太阳能光电领域，对“双碳”背景下的储热型低碳供暖体系进行优化研究[1]。当前，太阳能已成为低碳储热供暖系统的首选能源，将其应用于光伏发电或光热技术，能避免昂贵的硅晶光电转换工艺，极大地降低传统发电成本[2]。本文选取太阳能储热体系，对“双碳”背景下太阳能供暖能源结构进行了细化研究，通过解读太阳能储热运行架构，对其导热技术做出进一步优化，最终借助太阳能，实现了低碳储热供暖的目的。该研究对于助力能源结构优化调整、大力发展新能源、建立健全绿色低碳循环发展的经济体系具有一定的现实意义[3]。

1 太阳能热泵供暖体系运行架构

随地球自转，太阳能辐照强度与地球同步发生变化，因而，太阳能具备能流密度低、昼夜间歇性强等基本特征。一般条件下，地球地表的太阳辐射强度均小于1.5kW/m2，由于部分光能无法被有效吸收转换，所以地表通过光热所转换形成的热流密度通常较低[4]。若需高效捕集太阳能，其光热材料要布置在太阳辐射能量富集的光谱段，即0.15～4μm区间，以此获得较高光吸收能力。通常情况下，采用太阳能热泵供暖体系可实现利用太阳能集热。该体系在获取热量后，可对热量进行储存，若未收集到热量，也能通过发电或采用其他低碳能源方式形成循环供暖[5]。太阳能储热运行架构由太阳能集热、热泵、水循环等三部分运行结构组建而成，分别通过太阳能供热、辅助热泵供热、热泵供热等3种供热渠道对太阳能进行储热供暖，其运行原理如图1所示。

图1 太阳能集热供暖系统架构图

当太阳能辐照度在满足供暖需求时，该系统供热模式可随时启动，通过风机驱动周边空气，进入风联箱真空管内，吸热升温后，随风联箱将其导出，供热需由换热器循环加热水，并在真空管中设置相变蓄能芯，由此储存下多余的太阳能，一旦太阳辐照度不足，相变蓄能芯则可随机释放出一定热量对空气进行加热，从而保障整个供热系统的稳定性。若太阳能辐照度衰减至300W/m2以下，真空管内获取热量则为零。此时采用相变蓄能芯对太阳能储存热量持续供热，可有效延长系统整体供热时长，提高太阳能使用效率。若相变蓄能芯的温度也达不到设定的温度值区间，则立即启动空气源热泵，采用相变蓄能芯辅助热泵蒸发器继续传输一定热量，从而可保障供暖需求的连贯性。在无法搜集到太阳能期间，如夜晚或阴雨天时，则通过电热泵供热的工作方式持续供热目标。

2 导热技术优化

2.1 太阳能光热转换

太阳能具有宽光谱、低强度、间歇性等特点。要高效利用太阳辐射能热能，需借助相应聚焦系统，或采用集热器等方法，将太阳能光能转化为热能资源，其作用是依靠集热器中的特殊物质结构，或采用相应材料体系，以实现太阳能光谱选择性吸收功能[6]。笔者选取了高倍聚光的菲涅尔透镜对太阳能进行热电互补，应用于太阳能集热体系。工作时，太阳能光通过菲涅尔透镜汇聚，聚焦至二次光伏组件处，通过二次光伏组件，对聚集的太阳光进行再次汇聚匀化，经汇聚匀化后的太阳光，抵达至太阳能电池表面三结砷化镓部分，此时太阳能电池能源逐步转化成为相应的电能与热能资源。其中，转换的热能资源可用于满足电能电负荷供暖，其他部分由蓄电池对其进行储蓄，或转由电网对剩余负荷电量进行持续输送，一旦出现供暖电负荷不足时，可由蓄电池释放出一定电能或利用电网对其进行供暖补充。太阳能所转化的热能资源主要用于一般热负荷供暖，剩余部分热能则通过储热罐进行储存，当太阳能热能资源不足时，剩余部分通过储热罐进行释放，继续提供热能供暖。

太阳能电池供电功率计算公式如式（1）所示：

式（1）中：DNI指代太阳在对地球表面直射期间的辐照强度，单位为W/m2；C指代菲涅尔透镜在汇聚太阳光期间所占的比例；APV代表所持太阳能电池的面积，单位为m2；ηopt为太阳能聚光期间所达成的光学效率；ηPV(T)指太阳能电池的运行温度在T阶段所发生的效率，如式（2）所示：

式（2）中，T指代太阳能电池在运行期间的饱和温度，单位为K，光伏、光热的互补模块散热损失如式（3）所示：

式（3）中：n指代光伏、光热的互补模块其占总表面积与太阳能电池之间的面积比率；h指代光伏、光热对流换热系数，其单位用W(m2·K4)表示；σ表示斯特藩——玻尔兹曼常数，为5.67*10-8W(m2·K4)；T0指代互补模块的周边的环境温度，一般在测试中取典型日的室外温度，用单位K表示。根据以上公式，可推出光伏、光热互补模块的太阳能供热功率表达式如式（4）所示：

式（4）中，QPV(T)为太阳能在供热期间的功率值，用单位kW表示；Qloss(T)代表光伏光热互补模块在散热期间出现的损失，用单位kW表示。通过上述公式可得光伏、光热互补系统的太阳能供热效率以及太阳能利用总效率，太阳能供热效率ηheat如式（5）所示，太阳能利用总效率ηtotal如式（6）所示：

室外温度可通过DeST软件获取，DNI数据可通过SAM软件获得输出。在确保光伏、光热互补模块能够产生热能的情况下，可将所述光伏、光热互补模块应用于太阳能储热供暖体系，从而满足一般太阳能储热供暖需求。

2.2 辅助热泵储热

当太阳能集热器收集到当天热量后，采用辅助热泵蓄热体对其进行热量储蓄，辅助热泵蓄热器作为太阳能集热器提供热量的次热源，可持续为用户提供供暖服务。辅助热泵蓄热系统在非供暖季节期间，通过打开热泵供热阀门，可向储热系统进行持续性蓄热，当蓄热端侧阀门被开启后，向蓄热系统中传输热量，并通过供热水箱提供生活用热水。在供暖季打开蓄热阀门，则可为用户提供供暖服务。通过Energy Plus软件，可依照网格寻优方式，计算出逐时热负荷数据，求解系统性能参数。利用网格寻优法分别对集热面积和水箱容量进行测算，以一定精度值，将集热面积和水箱容量离散化，随后生成相应网格，通过计算水箱能量平衡度，即可得到该精度下集热面积和水箱容积的最优配比，该测试方式便于辅助热泵蓄热器依照参数平衡储热温度。

2.3 热泵供热

在持续阴雨天气状态下，热泵需要承担整个供热系统所有的热负荷工作。因而，热泵机组应依照最大供暖负荷条件对其进行选型。一般条件下，热泵的制热量Qh计算方法如式（7）所示：

式（7）中，Qh指热泵名义制热量，用单位kW表示；K2指阴雨天气状态下的热泵温度计算修正系数，取值为0.76；K3指出现霜冻期间，热泵机组进行化霜修正的系数，每化霜一次，取值为0.9/h，化霜两次，取值为0.8/h。考虑节能减排因素，有热负荷时热泵就持续运行，没有热负荷时热泵就停止运行，严寒或寒冷地区可采用乙二醇防冻液对热泵集热器做防冻处理，完善热泵供暖需求。

3 实验测试

3.1 实验准备

实验选用DF-905422离心式风机用于太阳能集热，其运行期间轴功率及配套电机功率为0.75W，启动期间，该离心式风机转速为2900r/min，可产生最大风量为21m3/min；在水循环系统中，设置膨胀水箱，该水箱容积量为500L，主要用于缓解管路压力过高问题或回补循环水；水泵采用CDLF轻型立式多级离心泵，额定功率为0.55kW，额定流量为20.6m³/h，额定扬程为10m；配置辅助电加热功率为18kW，该配置适用于极端天气，可满足用户的长时段供热需求。

3.2 测试结果

该测试进行于2022年秋季某日，在中国北部地区，通过SAM软件输出，推算得到当日太阳能供热效率及太阳能利用总效率。经计算，该日的太阳能供热效率、总效率同DNI逐时变化，如图2所示。

由图2可知，太阳能供热效率、总效率与DNI（太阳在对地球表面直射期间的辐照强度）三者之间同一时段出现的峰值不同，但总体走势大致相同，即在上午06:00-08:00期间，三者同步呈上升状态，随后在08:00-16:00区间基本保持平稳，其中供热效率在16:00期间出现下降，总效率在18:00期间出现急速下滑，DNI在13:00左右开始出现逐步下降，由此可见，光伏、光热的互补利用系统在特定日期的供热效率在中午12:00前后达到峰值，此时段的太阳能供热效率及总效率最高。

图2 太阳能供热效率、总效率与DNI 变化

由于在00:00-07:00与18:00-24:00时段内，太阳能无法提供相应热量，此时借助辅助热泵进行储热，为实现太阳能热量与辅助热泵存储热量相匹配，采用网格寻优方式，平衡太阳能与热泵蓄热器，经测算，热泵蓄热量如图3所示。

图3 未调控期间热泵太阳能功率与热泵热负荷匹配情况

为解决热泵热负荷同太阳能加热功率不匹配等问题，采用虚拟储能策略对热泵负荷曲线路径进行优化。由于热泵自身具备一定的蓄热性，因而在上午日照时间短、热量不足的情况下，通过适时降低热泵供暖温度，可有效减少热泵中的热负荷，待午后太阳照射辐射量足够，且热泵收集到一定的太阳能热能后，通过设置调节热泵中的加热温度，对热泵太阳能热量吸收情况进行调整，将白天所存储的多余的太阳能储蓄起来。

设定热泵温度随日照时间的推移逐渐降低，此时将热泵内储存的热量进行释放，从而降低热泵的热负荷量，在将热泵负荷进行调控后，该日热负荷同太阳能之间的供热功率匹配情况如图4所示。

图4 调控后热泵太阳能功率与热泵热负荷匹配情况

对比图3与图4可知，通过对热泵储热负荷进行调控，太阳能供热功率同热泵的负荷匹配度大幅提升，热负荷及太阳能供热功率几乎趋于一致，通过热泵对太阳能进行储热，在一定时期内，可持续为用户提供供暖服务，该测试对太阳能提供的热量进行了有效存储，降低了太阳能热源的损耗及浪费，改善了以往太阳能持续供暖时长较短、供暖效率低下等问题。

4 结语

本文设计了一套采用新能源技术用于低碳供暖的太阳能光伏、光热互补热电体系。通过对太阳能储热技术在低碳供暖中的储热运行架构分析，设计了太阳能光热转换、辅助热泵导热构筑、热泵集中输出热能等太阳能集热供暖体系。针对太阳能集热、热泵储热、热泵供热等多渠道能源设计互补办法，实现了将太阳能转换成为热能、电能，实现了热泵储蓄太阳能热量，实现了阴雨天气状态下提供供暖服务的供暖目标，借助虚拟储能技术手段，优化了热泵储热性能，提高了太阳能集热供热的能量实用度，解决了传统储热过程中的能量损失问题，有效推进了低碳能源建设，对于实现太阳能高效利用具有积极意义。