中国农村能源行业协会太阳能热利用专业委员会

中国节能协会太阳能专业委员会

China Solar Thermal Utilization Specialization Committee

景县广川镇太阳能土壤季节蓄热供暖系统监测分析

衡水景县广川镇太阳能土壤季节蓄热供暖系统监测分析

 

张晓黎 王兰顺 黄信雄 邹怀松 王彦林

 

前言

太阳能土壤季节蓄热技术、经济性、应用前景如何,能否在加快太阳能热利用农业生产和农村生活中的应用,深入推动农村清洁供暖中发挥作用。带着问题,中国农村能源行业协会太阳能热利用专委会、北京创意博有限公司河北聚日实业有限公司、九易庄宸项目方、建设方的支持下,于2021年12月1日至2022年5月30日对河北省景县广川镇太阳能土壤季节储热项目实施了连续6个月的监测,获取了一些第一手的数据。

1.      系统概况

该系统由太阳能集热、缓冲水箱、土壤蓄热池、采暖末端和控制等子系统组成。工作原理是非采暖季利用太阳能集热子系统向土壤热池蓄热,采暖季利用太阳能集热子系统和热池存储的热量为建筑供暖,太阳能贡献率达到较高水平。依据采暖建筑计算热负荷,地勘数据,土壤热池计算数据,太阳能集热系统计算数据,进行了系统设计。据建设方介绍,系统2018年3月20日开工建设,45天建成并开始储热。储热前,土壤热池平均温度15℃左右,至11月15日采暖季前,热池平均温度上升至31.7℃,当年采暖季没有继续给热池储热,太阳能集热子系统配合其他辅助能源给建筑供暖。2019年3月15日,热池平均温度29℃,继续蓄热至2019年11月15日,热池平均温度37℃,当年采暖季热池开始替代辅助能源参与供暖。2020年3月15日采暖季过后,热池平均温度34.6℃,继续开始储热,至202011月15日,热池平均温度升至42.6℃。图1为历史土壤热池平均温度变化图。

图1 历史土壤热池平均温度变化图

 

太阳能集热子系统的集热部件为全玻璃真空太阳能集热器,安装在现场建筑物顶部,类型为联集管集热器,每组集热器由50支,直径58mm,长度1800mm真空管双列横置组成,集热器总数量为32组。集热系统由两个并联集热阵列构成,其中东侧18组集热器的真空管东西向排列,北侧14组集热器的真空管南北向排列系统安装的对地倾角为接近0度。

在太阳集热器和建筑负荷之间设置有储热水箱,该水箱容积为3吨,太阳能集热器与该水箱之间为直接循环,工质为水,集热循环泵额定功率为1.1kW。建筑物末端采暖形式为地板采暖,水箱与地板采暖末端之间为直接循环,工质为水,采暖循环泵额定功率为0.73kW。水箱与土壤蓄热池之间为直接循环,工质为水,取热及蓄热循环泵额定功率均为0.97kW

现场设计每眼土壤蓄热井深40米,有效蓄热井深35米,总井数为55眼。在土壤热池中设置温度测试井,具体位置分别为土壤热池中心位置、距离中心二分之一半径位置、热池外侧位置。在深度为-1.5米,-20米,-40及-42米处布置温度探头,长期连续监测记录土壤热池温度数据。土壤热池上方挖去1.5米地表土层,地埋孔施工,地埋孔沙子回填,地埋孔水平连接,水平连接后,打压实验,铺设了保温层,地表土回填,地面恢复等施工方案。

原有温度监测系统可长期连续监测记录太阳能系统进出口温度、用户侧采暖末端进出口温度、土壤热池进出口温度、采暖房间温度和环境温度以及系统各部分流量数据。

采暖建筑物为两层小楼,分北房和东房两部分,每部分各600平方米。北房南北约6米,东西向约50米,建筑面积300平方米,二层北侧为通道,有外墙保温,采用地面辐射采暖。东房600平方米建筑无保温墙面,原设计采用风机盘管采暖。2021年监测时只北房600平方米供暖。

 

2.      系统的控制运行

 

       太阳能供热系统的既有控制系统由太阳能运行控制与土壤源取热控制,以及土壤源蓄热控制两个部分组成,至2021年12

装析测试系统之前,已可靠运行三年时间。该系统在屋顶东侧集热器阵列回水处设置有温度传感器,根据该传感器与水箱内部传感

器的温差值,控制集热循环水泵的启动与停止。在北侧集热器阵列回水处设置有温度传感器以控制系统防冻循环。该系统在地板采

暖的回水端设置有温度传感器,根据该传感器的温度控制采暖循环的启动与停止。储热水箱中另设有取热与蓄热的温度传感器,根

据它们的温度值控制水箱与蓄热池之间的取热与蓄热过程。图2为太阳能供热系统原理图,其中的绿色环状虚线为取热循环路径,

黄色环状虚线为蓄热循环路径。

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2 太阳能供热系统原理图

 

3.      分析测试系统

 

      2021年11月底,根据工程现场情况,在不改变原有管线设计及控制功能的情况下,增加安装了温度传感器及检测设备并实时

传数据至云端装置,以方便系统部分实时数据的采集和远程数据处理与分析工作。具体如图2中所示,安装了12路温度传感器,

中8路为三线制高精度铂电阻温度传感器,4路为两线制NTC负温度系数温度传感器。在集热循环供水、回水管路,采暖循环的

供水、回水管路,取热循环的进、出管路,环境温度,室内温度分别安装了铂电阻温度传感器。在蓄热循环的进、出管路安装了

NTC温度传感器,在环境及室内另设了一组NTC温度传感器。

检测设备内部电路由三部分构成,包括温度采集电路,PLC可编程逻辑控制器以及4G通讯模块。数据实时采样处理后,通过4G模块传输到追能云平台,数据采集频率为1分钟。该分析测试系统在硬件采集设备之外,还配套了追能云服务和手机APP服务及数据分析功能。手机APP方便了移动办公,在电脑上也支持任意一款浏览器查阅历史与实时数据及曲线分析界面等功能。追能云平台还提供了API接口,实现了第三方异地数据分析功能,分析软件采用Java与R程序的结合,实现远程第三方接口支持的数据清洗,计算及模型建立等过程,实现了系统功能和数据规律的初步挖掘。

 

4.      监测期间系统总体情况

该供热系统集热方式为开式强制循环,在集热控制方面,水泵循环是采用集热器东侧出口温度与水箱温度传感器之间温差循环的控制方式,水泵循环为固定频率启动运行。在防冻控制上,水泵循环是采用集热器北侧出口温度传感器温度和定时循环结合的方式。从集热系统的供回水管线上布置的温度传感器数据上看,尽管东侧和北侧集热器阵列的朝向不同,面积不同,在两个集热阵列之间的循环流量采用固定开度的阀门分配方式,测试期间系统的集热循环与防冻循环是可靠的。局部管线上的伴热带是否参与辅助防冻运行,本次现场没有测量。开式系统集热循环以及蓄热池有效蓄热,集热器基本没有出现过热现象,由于停电等不同原因导致系统出现的过热现象,在第二天系统都得到恢复。因此从2021年12月1日到2022530日期间,经历的过热和过冷考验,管线及系统集热循环是可靠运行的。图3中可见集热循环和防冻循环形成的去集热阵列与集热回水管线上的温度变化。

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图3 集热回水集热进水环境温度2022年2月1日晴)

 

从2021年12月1日到2022年4月6日,系统在储热水箱温度低于设定值的时候,从蓄热池中通过U型HDPE埋管与土壤换热实现取热过程,保证水箱在阴雨天及夜间的供热温度。取热部分的水泵循环为固定频率运行,取热策略基本为固定策略。在测试期间,从系统数据覆盖的范围来看,取热循环运行稳定可靠,蓄热池温度的变化呈现规律性的下降过程,蓄热池内的存储的能量可以支撑整个采暖季的负荷要求。图4中,蓝色曲线为从水箱去土壤热池的水温变化,该温度曲线只有在0:30至11:40之间,控制取热循环泵循环期间为真实的进入土壤热池的水温,其他时间段温度变化受其他现场管线循环温度影响。桔红色曲线为从土壤热池回水箱的水温变化,同样,该温度曲线只有在0:30至11:40之间为真实的从土壤热池取热回水箱的水温变化,灰色线为环境温度。图中可见从土壤取热回水的能量保证了水箱低处的温度始终维持在30度左右。

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图4 取热回水取热进水环境温度2022年2月1日晴)

 

在室内供热方面,从2021年12月1日到2022年4月6日,系统在地板采暖回水温度低于设定值时将启动供热循环泵,并有回差控制,水泵循环为固定频率运行,不同气候下没有系统供热温度的策略调整。从实际运行采集的室内温度看,绝大部分天数在20左右,只有较少天数温度低于18,当日低于18度的时间也不是很长,观察到此时蓄热池内温度仍然足够,低于18度的原因经调查是用户在传感器附近开窗通风所致。因此总体上供热情况是当地较为舒适的。图5为2月1日供热温度变化图,在当日0点至8:00左右,从土壤热池中取热保证了水箱的采暖供水温度,使得期间室内温度在20度以上。8点到11:40之间的室内温度略低但也大于18度,原因是开门和人员的进出影响。该日在11:40开始,太阳能集热循环迅速提高了水箱温度,持续到夜间,储热水箱温度都高于启动土壤热池取热的设定温度。

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图5 采暖进水采暖回水室内环境温度2022年2月1日晴)

 

在土壤源蓄热方面,系统在规定的允许蓄热时间段内及储热水箱温度超过设定值时,将启动蓄热循环泵运行,储热水箱能量通过U型HDPE埋管与土壤换热实现蓄热,水泵循环为固定频率运行,蓄热策略基本为固定策略。从20212月19日起到2022530日,观察蓄热回水温度,可以发现蓄热池的温度变化呈现规律性的上升过程,并在正常情况下均抑制了集热器过热的现象,该蓄热系统运行及控制策略达到项目蓄热的目的。图6中蓝色曲线5月16日蓄热进进水温度,红色曲线为蓄热回回水温度,灰色曲线为环境温度。在8:40左右蓄热循环启动,直至21:30蓄热停止。

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图6 蓄热进蓄热回环境温度2022年5月16日晴)

 

5.       数据分析

本次分析测试系统的安装,由于时间的原因,只是采集了新布设的温度传感器的数据并上传,现场没有实现与原工程控制系统的数据通讯交换,没有获取系统运行控制系统的温度和水箱水位传感器数据以及泵阀的控制状态数据,因此在远程获取追能云平台的数据后,数据分析处理程序中,主要采用差分等数学方法及多维分析处理传感器时序数据,综合对系统理解,以及泵阀工作与相应传感器的相关性判断,自动识别了集热循环标志点,防冻循环标志点,取热循环标志点,蓄热循环标志点,经验证与调整程序,效果较好。在此基础上,实现了每天从云平台获取数据并对系统做了初步的统计、分析与建模。

因为项目没有采集辐照数据,系统每天上午自动从互联网数据中采集衡水当地天气预报,从2021年12月1日到2022年3月31日,总共121天采暖期,其中晴天类型为57天,占47%;多云类型为36天,占30%;阴雨雪霾类型为28天,占23%。有太阳能直接供热的天数在采暖期为93天,占比为76%

从2021年12月1日到2022年3月31日,共121天采暖数据中,在多云和晴朗天气类型的93天里,集热循环回水温度大于60度的天数为70天,储热水箱低处水温大于50度的天数为55天,而从数据分析看,设计地板采暖回水最低值为29-31度,因此可见集热器面积相对水箱容积的配置较大,导致集热系统的平均工作温度较高,综合集热效率低。可能的原因,一方面是3年前设计思想是尽力在土壤源蓄热采暖系统实施当年,提供较多直接太阳采暖能量,另一方面是甲方系统安装在屋顶的太阳集热器,系统设计对地倾角为零度。图7中可见,采暖后期未启动蓄热功能时,集热器顶部温度高于90度的情况。

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图7 集热回水集热进水及环境温度(2022年3月2日

 

采暖辅助的情况,系统从土壤源中取热以提高储热水箱水温,从2021年12月1日到2022年3月6日,基本每日启动辅助后,连续取热较长时间,3月6日到3月31日,取热辅助为间歇启动,总的辅助时间较短。在3月6日之前,共96天的取热辅助情况,通常取热辅助在夜间开始,启动的时间早晚与当日的天气密切相关,晴朗的天气和较高的环温情况下,取热辅助会到第二天凌晨才启动,如果第二天仍然是多云或晴天,到中午左右集热器提高水箱温度后停止,而当雨雪天气和气温较低时,取热辅助将连续一天或多天持续工作直到天气转好。因为现场没有远程采集实时的流量数据,采用每日取热循环运行的时间和全天时间的比例,称为辅助供热时间比例,做为衡量指标分析。96天的辅助供热时间比例的平均值为0.58,12月份的平均值为0.51,1月份的平均值为0.73,2月份的平均值为0.55,3月1日到6日的平均值为0.32

为了观察土壤源蓄热井在取热阶段的温度变化情况,在取热回水管路上安装了温度传感器,并以每天启动取热循环后土壤热响应稳定下来的温度和停止取热前的温度为特征温度,称为取热回启动温度与取热回停止温度。取热回启动温度可以近似代表采暖季土壤源蓄热区域的每日取热启动时中心温度,取热回停止温度可以近似代表采暖季土壤源蓄热区域的每日取热停止时的中心温度。12月1日,取热回启动温度为38.7度,到46日系统完全停止采暖期间,最低取热回启动温度为32.7度。通常某个典型日取热周期过程的温度变化情况,以12月21日为例,取热回启动时间为23点29分,取热回启动温度为37.3度,连续取热过程到12月22日12点38分结束,取热回停止温度为35.2度。在第二天再次取热时,取热回启动温度得到较好恢复,启动时间为12月222100分,取热回启动温度为37.2度,这个周期的取热回停止温度为35度。通常相比前一周期,取热回启动温度为相同或缓慢的下降。每次取热周期,取热回启动温度与取热回停止温度的差值大概在2度左右。该系统在2022年2月19日后系统就有蓄热过程,补充了采暖后期的蓄热池的蓄热量。图8为多日取热图的叠加展示,可以看出随着采暖时间进行,从土壤热池中换热回水箱的水温的逐渐下降。

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图8 不同日期取热回水温度

 

在每次供热系统的既有控制系统启动取热循环水泵后,分析系统安装在进蓄热池的循环管路上的温度传感器的测量值,都非常稳定地在原控制系统设定值(通常在29度)左右波动,这个值代表了取热期间进蓄热池循环水的温度情况,可以认为这个温度也是采暖季期间蓄热池边缘的下限边界温度。

建筑物供热的情况,我们取2022年1月10日到2月10日的数据为例,每日时间以凌晨0点到8点期间,室温平均值为20.8度,最高温度23.3度,最低温度为17.1度。同期采暖回水平均值26.7度,最大值31.3度,最小值24.7度。其他采暖阶段优于本阶段数据表现。由于储热水箱温度在晴和多云天气的温度较高,系统虽有地板回水温度上限控制,但未做供水温度上限控制。

为了观察土壤源蓄热井在蓄热阶段的温度变化情况,在蓄热回水管路上安装了温度传感器,并以每天启动蓄热循环后,回水温度开始稳定下来的温度为特征温度,称为蓄热回启动温度。蓄热回启动温度可以近似代表蓄热期间每次启动时蓄热区域的边缘温度。初步的近2个月数据看来,这个温度在本蓄热池的边缘呈现的是一种波动式的上升过程。在2022年4月6日,系统停止采暖后,没有供热和从土壤源的取热过程,只有系统集热和往土壤源的蓄热过程。4月7日,蓄热回启动温度为29.3度,时间为12点47分,4月12日,蓄热回启动温度为30.6度,时间为1159分。13日到16日该温度缓慢下降,17日到22日缓慢上升至31度。至5月24日该温度为32.6度时,已表现出5个波动的周期。5月24日该温度和4月24日相比,蓄热池边缘温度上升了1.4度,到目前看,虽然蓄热的控制策略有待进一步优化,但是蓄热效果明显。从蓄热池的采暖季与非采暖季的表现来看,采暖季是减小蓄热池中心和池边缘的能量梯度的过程,而非采暖季是建立蓄热池中心和池边缘能量梯度的过程,目前还不能准确判断蓄热池中心和蓄热池边缘的温度差在取热和蓄热阶段的变化情况。图9为多日蓄热图的叠加展示,蓝色曲线为3月15日,蓄热回启动温度28.2度,红色曲线为4月15日,蓄热回启动温度29.9度,灰色曲线为5月15日,蓄热回启动温度30.7度,黄色曲线为6月7日,蓄热回启动温度34.5度。可以看出随着蓄热时间进行,蓄热池边缘土壤温度逐渐上升。

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9 不同日期蓄热回水温度

 

监测后期甲方提供了2022年2月22日到3月29日的集热、取热、蓄热、供暖的日累计循环流量数据,以及期间的日累计电量数据。在5月1日至15日提供了非采暖季的系统日累计电量数据。数据处理时,选取了该数据和追能云平台远程采集的相同时间段研究,在电量方面,以各水泵标额定功率和平台记录的运行时间计算,如2月23日-3月4日为例,计算累计总耗电量326.6 kWh,较现场抄表数据少约4 kWh,10天误差小于1.2%。非采暖季因为集热循环频繁和日耗电量减少,计算耗电和实测耗电误差小于5%。在流量方面,将甲方提供累计流量和平台记录的不同泵运行时间关联,处理后获得每天的集热,采暖循环的每分钟流量值非常接近。根据这个得到验证的方法和平台记录的实时数据,计算了系统不同阶段的多天与不同天气类型下的耗电量情况。采暖季寒冷天气连续阴天条件下日最大耗电量约46度,采暖季寒冷天气晴天和阴天交替条件下日耗电量在35-42度之间,非采暖季晴天条件下日耗电量在16-18度之间,非采暖季多云条件下日耗电量在9-14度之间,非采暖季雨天条件下日耗电量在0.7-2度之间。从2021年12月1日到2022年3月31日,供热面积600平米情况下,计算采暖季总耗电量约为4795度。粗略估算系统非采暖季蓄热耗电量约为4000度。

 

6.      结论

6.1项目采暖效果较好,从2021年12月1日至采暖期结束,监控数据证实,室内温度绝大部分天数在20±2度,只有较少天数的短时低于18度,供暖效果达到临近城市集中供暖水平。

6.2供热的能量以可再生能源的太阳能热能转换来源为主,实际供热面积600 m2,太阳能贡献率达到80-90 %。

6.3设备初装费方面,该系统设备初装费40万元,未实施农村电网增容改造。按600 m2建筑面积计算为667元/m2,目前蓄热池蓄热量应可至少提供1200 m2建筑面积采暖,初装费将降低到334元/ m2,未来适度扩大项目规模及优化设计面积配比,简化试验性质的测试井,优化冻土层的施工工艺,单位面积初装费可进一步降低25%,达到250元/m2采暖面积,低于目前高太阳能贡献率户用采暖设备初装费水平。

6.4年度供暖运行费方面,系统采暖总耗电量8795kWh(包括采暖季供暖和非采暖季蓄热),按600 m2计算,每百平米面积采暖用电量为1470 kWh,远低于北京农村每户10000 kWh的用电量补贴指标,并且电量消耗分布相对而言,均匀分布在全年阶段,电网压力小,政府补得起,百姓用得起。

6.5可进一步优化的措施方面,除本次监测前,建设方提出热池设计时适当增加土壤蓄热井深度,提升土壤热池体表面积比,可进一步增加热池蓄热量以外,本次监测发现,系统集热器在采暖季防冻措施可以进一步优化,由电伴热带防冻改为取热循环防冻,进一步降低系统用电量。系统蓄热控制还可通过优化蓄热温度控制,温差阶梯蓄热,进一步提升土壤热池的蓄热能力。

6.6非采暖季过热问题解决和资源利用方面,通过蓄热量的调整,有效的解决了太阳能集热装置在非采暖季的过热问题,进一步提高太阳能集热系统的寿命。扩大了太阳能资源的利用时间,能够拓展太阳热更多的用途。

6.7环境影响方面。太阳能是可再生能源,开发利用对环境没有影响,实践中高太阳能保证率的系统,替代化石能源能力强,是实现双碳目标时期应鼓励的。系统通过埋管与土壤热池仅有热的交换,没有对水资源的影响,并且温度可控。相比电力电池的化学储能,没有后续电池回收环境与经济压力。

6.8适用范围逐步扩大,通过系统建设和运行,可证实类似土壤跨季节储热技术,可在太阳能资源较丰富、土层厚实的华北平原和黄土高原地区广泛应用。在土壤源热泵行业出现的冬季供暖取热温度下降方面,本项目证明了两方面结合的重要意义。

 

7.     创新与政策

7.1“十四五”可再生能源发展规划》提出:坚持创新驱动,高质量发展可再生能源”,“加大可再生能源技术创新攻关力度”,“加强可再生能源前沿技术和核心技术装备攻关”,“加快大容量、高密度、高安全、低成本新型储能装置研制”。河北省景县广川镇太阳能土壤储热跨季供暖项目的运行和监测情况或许可给我们带来许多有益的启示。

7.2在行业协会的组织下,本次监测分析方和建设方、项目方密切配合,成功的进行了土壤季节蓄热供暖系统监测分析,无故障运行测试了6个月,取得了一些真实可信的数据,实现了一次行业内部的跨企业跨专业的合作,这本身也是一个创新。监测给出了衡水景县广川镇太阳能土壤季节蓄热供暖系统运行效果的第三方证明;揭示了分析计算服务、云管理对提升工程集成技术水平,推动行业系统集成水平发展的重要作用;说明了太阳能热利用行业需要跨出企业界限,开放、接纳、协同各方面专家和工程技术人员知识,吸收与深化其他行业在浅层土壤特性方面的相关经验,加强跨行业跨学科合作,实现标准化和模块化的流程管理,共同探索和切实提高中大型项目工程化能力,培养队伍,推动全行业创新发展的重要性。

7.3推广需要的政策

本次监测证明了太阳能土壤跨季节蓄热技术具有低碳环保、采暖效果好、太阳能贡献率高、建设运行费用低、便于运维管理、系统寿命长等优势,适用于在北方农村居住相对集中的自然村、服务中心、学校、养老院等一定规模的清洁采暖领域,也正因为如此,其试点建设和推广应用需要得到各级农业主管部门、乡镇村级政府的大力支持。

 

 

 

版权归中国农村能源行业协会太阳能热利用专业委员会所有

2022年7月5日 10:46
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