小型太阳能、水源热泵及燃气锅炉联合供暖系统的优化运行策略及实现
穆康，张建利
(哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨，150090)
摘要：为推进太阳能在采暖系统方面的应用，结合大庆地区住宅分布特点和太阳能资源优势，设计并应用太阳能采暖系统作为该地区的最佳采暖方式。该系统以太阳能采暖、水源热泵系统及燃气锅炉联合供热，按实际运行环境提出11种运行模式以及对应的最优运行策略，并可根据实际环境通过自动控制系统切换运行模式，是一种实现太阳能最大化利用的新方法。
关键词：太阳能；联合供暖；运行模式；优化运行策略
中图分类号：TK519 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-0187-06
Optimal operation strategies and realization of small-size combined heating system with solar energy heating,
water source heat pump system and gas-fired boiler
MU Kang, ZHANG Jian-li
(School of Municipal and Environment Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)
Abstract: In order to promote the solar energy application in the heating system, a solar energy heating system was designed and applied as the best heating mode according to the building distribution features and solar energy source advantages in Daqing. This system supplies heat by multi-heat sources of solar energy heating system, water source heat pump system and gas-fired boiler. With 11 types of operating modes and corresponding optimal operation strategies, this combined heating system can shift operating modes automatically according to the actual circumstances by an auto-control system. This system is a new method to realize the maximum use of solar energy.
Key words: solar energy; combined heating; operation mode; optimal operation strategies
太阳能采暖在欧洲等发达国家已大规模推广，成为太阳能热利用新的发展方向。直至2005年，欧洲一共安装了1 536 km2的太阳能集热器，约20%的采暖系统使用集热器[1-2]，每年新建太阳能采暖系统约 120 000个，可节约常规能源20%~60%。丹麦Marstal太阳能供热采暖工程是世界上最大的太阳能供热采暖系统[3]，太阳能集热器设置在大面积空地上，集热器面积18 300 m2，与社区热力网连接，于1996 年建成运行，年热负荷28 GW·h，可供2 100 m3水箱、4 000 m3水容量砂砾层及10 000 m3地下水池同时蓄热。
作为一种高效、无污染的新能源，太阳能已成为缓解能源需求压力的重要能源[4]。我国的太阳能资源极为丰富，太阳能年辐射总量大于4 200 MJ/m2的地区占国土面积的76%，优于大部分欧洲国家。目前，我国太阳能热水器应用已经相当广泛，但太阳能采暖工程应用却处于初步阶段，只应用在单体示范建筑，如北京清华阳光公司办公楼和天普新能源示范大楼等，太阳能区域供热采暖工程[5]还没有应用实践。
为促进我国太阳能供热采暖系统的应用，结合大庆地区住宅分布特点和太阳能的资源优势，本文作者介绍大庆地区某一小型太阳能、水源热泵及燃气锅炉联合供暖系统的运行及应用[6]。
1 小型太阳能、水源热泵及燃气锅炉联合供暖系统的组成
供暖系统位于大庆市(东经125.32°，北纬46.38°)，住宅相对分散，密度低，不宜采用投资大，维护水平高的集中供暖模式。而该地区的太阳能非常充足，空气透明度也较高。太阳能作为一种可再生，无需开采和运输，安全方便的清洁能源，有成为该地区主要能源的潜质。
本文用的太阳能采暖系统是以太阳能采暖、水源热泵系统及燃气锅炉的联合供热系统，并配有计算机自动控制系统，以实现的系统的优化运行策略。此太阳能集热器系统连接原理图如图1所示。
由图1可以看到：此系统主要包括太阳能集热器，蓄热水箱(Heat storage water tank, HSWT)，水源热泵系统，燃气锅炉，换热器和热用户这6个主要组成部分，连接管道上安装有温度压力传感器，通过向计算机自动控制系统输入或输出温度压力信号来自动切换系统的运行方式。
1.1 太阳能集热器类型
太阳能集热器按照集热器内是否有真空空间分为平板型和真空管型两大类[7]。平板集热器只能在60 ℃以下的工作温度运行，运行温度较高时，集热效率明显降低。在冬季，环境温度较低，平板集热器的热损失很大，还面临被冻坏的危险，因此在寒冷地区，平板集热器不能全年运行。
而真空管太阳集热器是由若干支真空管按一定规则排成阵列，与联集管、尾架和反射器等组装而成。由于真空管采用真空保温，因此，与平板集热器相比，其散热损失显著减小，在60 ℃以下的工作温度仍具有较高的热效率，即使在寒冷的冬季，仍能集热，并有较高的热效率。因此，本系统选用真空管式太阳能集热器。
1.2 真空管式集热器面积的确定
根据已经确定的建筑物的耗热量QH =160 kW，可以按下式计算出集热器面积AC：
(1)
式中：η1为面积系数，取η1=1.1；f为太阳能保证率，取f=0.2；JT为采暖季节内当地集热器采光面上的平 均日太阳辐射量，取JT =8 979 kJ/(m2·d)；ηcd为基于总面积的集热器平均集热效率，取ηcd=0.52；ηL为管路及贮热装置热损失率，取ηL=0.2。
经计算，得AC =814 m2。最终选用长约4 m和宽约2 m的真空管式太阳能集热器108组，每组含50根真空管。
1.3 蓄热水箱体积的确定
保证供暖8 h的蓄热水箱的体积为：
(2)
式中：C为水的比热容，取C=4.2 kJ/(kg·℃)；
为水的密度，取=1 000 kg/m3；Δt为蓄热水箱进出水的温差，取?t=27.5 ℃。
图2所示为太阳能供暖系统中蓄热水箱系统的实物图。
图1 系统原理图
Fig.1 Schematic diagram of system
图2 蓄热水箱系统实物图
Fig.2 Photo of HSWT system
此蓄热水箱包括水箱体、与水箱体相接的出水管和进水管、水箱体外壳。在水箱体与外壳之间设有保温材料[8]，在蓄热水箱的供、回水主管和支管上均设有电磁阀，在蓄热水箱的底部设置有温度传感器。热水连接管从蓄热水箱的底部进入，上部出来；太阳能集热器的供回水管在靠近冷水进水一端与并联蓄热水箱的供回水主管相接，热泵的供回水管在另一端与并联蓄热水箱的供回水主管相接[9]。系统设有水源热泵供热、太阳能供热、太阳能与水源热泵联合供热，可以根据天气情况任意选择蓄热模式。
2 系统的运行模式及原理
为实现太阳能利用的最大化，系统应根据实际环境的变化自动切换到相应的运行模式[10]，本系统在运行过程中划分为以下11种运行模式：
模式1：太阳能直接供热+蓄热模式。当太阳能充足，且水箱内水温度未超过60 ℃时，通过阀门和泵的启停使太阳能集热器通过2个板式换热器分别向用户和蓄热水箱蓄热。
模式2：太阳能直接供热模式。当太阳能充足，且水箱内水温度达到60 ℃时，通过阀门和泵的启停使太阳能集热器只通过板式换热器BSH-1向用户供热。
模式3：蓄热+水源热泵机组供热模式。当太阳能不充足，且水箱内水温度低于30 ℃时，通过阀门和泵的启停使太阳能集热器通过板式换热器BSH-2向水箱蓄热，同时通过水源热泵机组WSHP-1向用户供热。
模式4：单独蓄热模式。当太阳能不充足，且水箱内水温度未超过60 ℃时；或者太阳能充足，且水箱内水温度未超过60 ℃，但是白天不需要采暖时，通过阀门和泵的启停使太阳能集热器只通过板式换热器BSH-2向水箱蓄热。
模式5：蓄热水箱通过板式换热器供热模式。当太阳能集热器无法集热，且水箱内水温度高于30 ℃时，通过阀门和泵的启停使太阳能集热器通过板式换热器BSH-3向用户供热。
模式6：蓄热水箱通过水源热泵系统供热模式。当太阳能集热器无法集热，且水箱内水温度低于30 ℃，但高于13 ℃时，通过阀门和泵的启停使系统通过水源热泵机组WSHP-1向用户供热。
模式7：太阳能供热系统停止运行模式。当无需进行防冻保护及蓄热，且水箱内水温度低于热泵系统工作的下限温度时，太阳能供热系统停止运行。
模式8：蓄热水箱通过板式换热器供热+蓄热水箱防冻模式。蓄热水箱的温度高于水箱通过板式换热器供热的温度要求，并且集热系统的进出口水温均低于防冻要求的水温。蓄热水箱通过板式换热器一边向用户供 热，一边向集热系统供热，防止集热系统冻结。
模式9：热泵供热+蓄热水箱防冻模式。蓄热水箱的温度满足水源热泵机组的工作要求，水源热泵机组启动向用户处供热。另一方面集热系统进出口温度低于防冻要求温度，必须进行防冻保护。防冻所需要的热量由蓄热水箱供给。因此，在此条件下蓄热水箱一边通过水源热泵机组向用户处供热，一边加热集热系统，防止集热系统冻裂。
模式10：水箱防冻模式。蓄热水箱温度低于水源热泵机组工作下限温度，不能启动水源热泵机组供热；水箱温度高于防冻上限温度，满足防冻温度要求；集热系统的温度低于防冻要求温度，必须进行防冻。所以，此时蓄热水箱仅通过板式换热器加热集热系统，满足其防冻要求。
模式11：锅炉防冻模式。蓄热水箱的温度低于防冻下限温度，不满足防冻的温度要求；集热系统的温度低于防冻要求温度，必须采取防冻措施。此时，只有利用锅炉进行防冻。
3 系统优化运行策略
此系统优化运行策略主要体现在11种运行模式的最优切换，11种运行模式完全覆盖了系统运行的全部工况，优化运行策略主要涉及6个温度测点、1个压力、反应太阳能强弱的时间因素等。优化运行策略通过力控组态软件进行编程加以实现[11]。
各个模式的转换条件如下：
l S1为模式1的转换条件：
其中：T2为板式换热器BSH-1的进口温度；T2A为供热加蓄热开始温度；T5 为板式换热器BSH-2的进口温度；T9为板式换热器BSH-2的出口温度；TA为换热开始温差。
S2为模式2的转换条件：
其中：T2B为供热开始温度；TB为换热停止温差；TC为延迟温度。
S3为模式3的转换条件：
其中：T21为水箱出水温度；T21B为热泵供热水箱上限温度；T21C为热泵供热水箱下限温度；t为蓄热时间；L1~L6均为蓄热条件，如下：
其中：T4为太阳能集热器入口温度；T4A0~ T4E为各自对应时间t区间内的开始蓄热温度。
S4为模式4的转换条件：
其中：L1~L6均为蓄热条件，与上面的S3 中L1~L6相同。
S5为模式5的转换条件：
其中：T21A为水箱和板式换热器供热开始温度；T4G为防冻停止温度。
S6为模式6的转换条件：
其中：L1~L9 均为停止蓄热条件，有：
其中：T4F为停止蓄热温度。
S7为模式7的转换条件：
其中：L1~L9均为停止蓄热条件，与上面的S6 中L1~L9相同。
S8为模式8的转换条件：
其中：T1为太阳能集热器的出口温度；TFD为防冻开始温度。
S9为模式9的转换条件：
S10为模式10的转换条件：
S11为模式11的转换条件：
4 优化运行策略的控制系统实现
为实现系统的优化运行策略，设计计算机测控系统，计算机控制系统框图如图3所示。
控制系统由工业计算机和西门子PLC控制器等电子控制设备组成，整个系统可以完成21个温度、1个压力、2个流量、1个总用电量及8个设备运行状态的测量，完成8个电动阀，2个变频泵及1台热泵机组的控制。
4.1 主要控制功能
4.1.1 运行控制
室外太阳能集热系统采用温差控制。其中一个温度控制点设置在室内太阳能集热器回水管路上，另一个太阳能集热器控制点放置在室外集热器的出口处。
控制集热系统循环水泵开启的温差为6 ℃；水泵停止工作的温差为3 ℃。集热器循环水变频泵根据温差进行控制。
图3 计算机控制系统框图
Fig.3 Block diagram of computer control system
4.1.2 防冻控制
该系统采用防冻液方式进行防冻，若出现极端室外空气情况，为保证防冻液不被凝固，应启用防冻循环。
4.1.3 防过热控制
蓄热水箱的温度不应超过60 ℃。
室外集热系统中设置安全阀等泄压装置，以防止系统压力过高。
4.2 控制系统软件设计
本控制系统采用力控组态软件作为平台，进行应用软件的设计，实现不同条件下的最优运行模式转换。力控组态软件是数据采集与过程控制的专用软件[12]。它在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和间接的使用方法，其预设的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备，与高可靠性的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软件和硬件的全部接口，进行系统集成。
5 结论
(1) 目前国内对太阳能的利用主要集中在太阳能热水器的使用，而事实上，太阳能采暖系统具有更广阔的应用前景。此供暖系统即是采用太阳能、水源热泵机组和燃气锅炉联合供暖的方式进行供暖。
(2) 本文根据不同的实际运行环境，提出可以覆盖全部运行工况的11种运行模式；并通过力控组态软件，根据温度条件和时间条件进行编程，实现这11种运行模式间的最优切换，为该系统对太阳能的最大化利用提供重要的控制和计算基础，提高了系统运行的可靠性和灵活性。
参考文献：
[1] Ozgener O, Hepbasli A. Experimental performance analysis of a solar assisted ground-source heat pump greenhouse heating system[J]. Energy and Buildings, 2005, 37(1): 101-110.
[2] 郑瑞澄. 太阳能供热采暖工程应用推广[J]. 太阳能, 2007(2): 37-41.
ZHENG Rui-cheng. Application and popularization of solar heating engineering[J]. Solar Energy, 2007(2): 37-41.
[3] B?hme D, Dürrschmidt W. Renewable energy sources in figures[M]. Berlin: Federal Ministry for the Environment, 2005: 57-61.
[4] Trillat-Berdal V, Souyri B, Fraisse G. Experimental study of a ground-coupled heat pump combined with thermal solar collectors[J]. Energy and Buildings, 2006, 38(12): 1477-1484.
[5] QU Shi-lin, MA Fei, QIU An-bing. Performance analysis on solar-water compound source heat pump for radiant floor heating system[J]. Journal of Central South University of Technology, 2009, 16(s1): 249-254.
[6] CHEN Xi, LU Lin, YANG Hong-xing. Long term operation of a solar assisted ground coupled heat pump system for space heating and domestic hot water[J]. Energy and Buildings, 2011, 43(8): 1835-1844.
[7] 王志. 太阳能集热器及集热水箱的研究探讨[J]. 给水排水, 2010,36(s2): 164-168.
WANG Zhi. Study of solar collectors and the hot water tank[J]. Water and Wastewater Engineering, 2010,36(s2): 164-168.
[8] Badescu V. Optimal control of flow in solar collector systems with fully mixed water storage tanks[J]. Energy Conversion and Management, 2008, 49(2): 169-184.
[9] Metz P D. The use of ground-coupled tanks in solar-assisted heat pump system[J]. Solar Energy Engineering-Transactions of ASME, 1982, 104(4): 366-372.
[10] 韩宗伟, 郑茂余, 孔凡红. 严寒地区太阳能-季节性土壤蓄热热泵供暖系统的模拟研究[J]. 太阳能学报, 2008, 29(5): 574- 580.
HAN Zong-wei, ZHENG Mao-yu, KONG Fan-hong. Numerical simulation of solar assisted ground-source heat pump heating system with latent heat energy storage in severely cold area[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2008, 29(5): 574-580.
[11] Gordon J M, Saltiel C. Analysis and optimization of a multi-stage solar collector system[J]. Solar Energy Engineering, 1986, 108(3): 192-198.
[12] GUO Jun-jie, WU Jing-yi, WANG Ru-zhu, et al. Experimental research and operation optimization of an air-source heat pump water heater[J]. Applied Energy, 2011, 88(11): 4128-4138.
(编辑 方京华)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
基金项目：国家科技支撑计划项目(2006BAJ03A05)
通信作者：张建利(1955-)，男，山东潍坊人，博士，教授，博士生导师，从事暖通空调系统优化运行策略研究；电话：0451-86282123；E-mail：zhangjianli@126.com
