【摘 要】
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传统太阳能供暖系统从规模上主要分为两种:单体建筑太阳能供暖系统和集中式太阳能供暖系统。前者是一户一套系统,各用户间无法互相借力,需蓄热设备与辅助热源配合保证其供热稳定性。后者为了提高系统整体太阳保证率,所需集热场及集中蓄热水罐占地面积较大,因此不适用于无空旷场地的城镇。分布式太阳能集中供暖系统结合了这两种系统的特点,其将散布于城镇所有建筑的屋顶满铺太阳能集热器,当其中部分建筑在满足自身热需求后仍产
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“分布式太阳能集中供暖多源多汇动态耦合分析及优化设计研究”(51878532); 陕西省重点研发计划“西北超低能耗建筑集成设计及节能关键技术研发”(2018ZDCXL-SF-03-01)”; 中国博士后面上项目“西北乡村太阳能-沼气互补供能系统耦合增效机制及优化设计研究”(2020M683430);
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传统太阳能供暖系统从规模上主要分为两种:单体建筑太阳能供暖系统和集中式太阳能供暖系统。前者是一户一套系统,各用户间无法互相借力,需蓄热设备与辅助热源配合保证其供热稳定性。后者为了提高系统整体太阳保证率,所需集热场及集中蓄热水罐占地面积较大,因此不适用于无空旷场地的城镇。分布式太阳能集中供暖系统结合了这两种系统的特点,其将散布于城镇所有建筑的屋顶满铺太阳能集热器,当其中部分建筑在满足自身热需求后仍产生热盈余时,将这些热盈余汇入管网中供给系统中其他用户使用。因此系统特点是在降低集热用地需求的同时,充分利用屋顶集热,使各用户间相互借力,尽可能的提高系统太阳能保证率。由于分布式太阳能集中供暖系统的用户既是热源也是热消费者,其与管网双向换热的热平衡状态已与传统系统中的用户从管网单向取热热平衡状态不同,且其用户处集热器面积设计也不再根据用户负荷确定,而是在考虑用户相互借力的基础上设计集热器面积,因此将原有根据负荷设计集热器面积再设计蓄热水箱容积的方法应用于分布式系统不合理。对于分布式太阳能集中供暖的蓄热系统,既需要设置用户蓄热体调节用户自身热盈亏,也需要设置集中蓄热体调控管网总热盈余。因此为了系统高效运行,本研究提出新的适用于分布式系统中两类蓄热体容量的配置设计方法,具体工作内容如下:首先对分布式太阳能集中供暖系统的基本原理进行介绍,并通过对系统热力过程的分析建立数学模型,然后在前述理论基础上,进一步阐述了在TRNSYS软件中构建系统仿真模型所采用的模块,并对各模块之间的搭建及系统运行策略进行了详细介绍。为后续分布式系统蓄热容量配置优化的研究奠定理论基础。其次对分布式太阳能集中供暖系统中的用户蓄热水箱及集中蓄热水箱容积变化对系统热性能及经济性影响进行分析,为后续建立蓄热系统配置优化模型做准备。然后,根据前述影响分析结果确立蓄热系统优化目标,在此基础上以蓄热系统各部分蓄热容积为优化变量,选用Hooke-Jeeves优化算法建立蓄热系统优化模型,并以西宁市某小区为案例进行蓄热系统优化。研究最后对分布式太阳能集中供暖系统的仅用户蓄热模式、仅集中蓄热模式、用户与集中组合蓄热模式这三种不同蓄热模式下的分布式系统进行模拟,并根据各模式的优化结果进行对比分析。研究得到的结论如下:1)研究得到了用户处蓄热水箱容积变化对分布式管网及用户自身的影响规律。用户处蓄热水箱容积增加,使得用户采暖供水温度温度波动变化减小并趋于平稳。用户处蓄热水箱容积增加,使得用户向管网放热的热盈亏波动性减小,放热时间延迟,即对管网的瞬时热冲击越低。2)研究得到了集中蓄热水箱容积变化对分布式系统节能性及经济性的影响规律。在用户处蓄热容积确定的情况下,集中蓄热水箱容积越大,辅助热源供热量越小,节能性越好,但系统初投资越大,经济性降低。在蓄热系统初投资相同的情况下,用户与集中蓄热的配置比例影响系统的辅助热源供热量进一步影响系统运行投资。3)研究建立了适用于计算分布式太阳能集中供暖系统中蓄热水箱容积的优化模型。结果表明采用上述优化模型计算得到的分布式系统各蓄热水箱最优容积相比传统太阳能系统蓄热容积的计算结果减少了40%以上。用户总蓄热容量与集中蓄热容量的最优配比为3:2。住宅建筑用户处最优蓄热占比其自身蓄热容积上限约20%,办公建筑占比约30%。4)研究对比了分布式系统的三种蓄热模式发现系统节能性最优且热盈亏波动最小的均为用户与集中组合蓄热模式。能耗最低的是仅集中蓄热模式,但该模式不能满足系统热需求。经济性最优的是用户与集中组合蓄热模式。本研究提出了一种针对分布式太阳能集中供暖系统中蓄热水箱容量优化设计方法,该方法为分布式太阳能集中供暖系统蓄热系统设计提供理论依据。
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