用于具有中等规模季节性热能存储的小区的太阳能集中供热系统

1、用于中等规模季节性热能存储小区的太阳能集中供热系统摘要这一贡献涉及最近实现的以及计划的小型太阳能加热系统，在欧洲有季节热能存储。它侧重于系统的不足1000米2 的太阳能集热器面积小于1000米的3 季节性热能储存量。显示了波兰，西班牙和德国系统的不同技术特性。由于小系统中的高存储效率难以实现，特别注意季节热能存储器和其它部件的设计，例如达到设备的有效操作所必需的高温热泵。1. 简介近年来，具有季节热能存储（STES）的太阳能区域供热系统不仅像丹麦知名的项目一样变大，还在欧洲和德国项目上努力减少系统规模，以降低投资成本，增加可能的应用和实现系统的数量，最终提高市场渗透率。欧盟

2、（EU）项目EINSTEIN 1对太阳热能和热泵技术结合实施季节热能储存进行了研究。主要重点是改造现有建筑材料的应用。项目的一个主要部分是示范工厂对这项技术的示范。 德国研究项目1to10 2处理一个可持续的，标准化的太阳能地热供热概念的发展和示范高度复杂的热能储存为多户住宅和小住宅区。最近已经建造并投入运行的几个具有STES的小规模太阳能集中供热系统，例如在华沙，波兰和西班牙毕尔巴鄂。对于在Crailsheim另一系统，德国开始建造已开始在2015年十月系统的共同点是，太阳能热收集器面积是低于300米2 。与大型系统相比，这使得高系统效率和低热产生成本是一项具有挑战性的任务。虽然西

3、班牙的系统提供热量的前身是造纸厂文化活动区，共1050米的食堂空间加热2 ，波兰系统集成到医院复杂。在第一步中，医院的行政大楼连接到系统以提供太阳能热用于空间加热。德国系统将为3个公寓楼的43个住宅提供供暖空间供热和热水准备。2.西班牙的毕尔巴鄂系统毕尔巴鄂的系统是为毕尔巴鄂市政府翻新的旧造纸厂供热，并为文化活动目的重新设计。它分为两个主要领域-的主要活动区域（800米2 ），自助餐厅（250米2 ）。在建筑物中安装了地板下加热系统和空气加热单元，以便实现在供应流上的45的低热分布温度，在返回流上的35。2.1 液压概念太阳能加热系统专门为空间加热提供热量。由62

4、平方米的平板收集器产生的太阳能热可以直接用于加热目的，或存储在一个183立方米的大型地面热水存储中。这家商店经营季节性储存热量从夏天到秋天和冬天，当需要热量加热。为了更有效地利用存储的太阳热能和69千瓦的热功率放大STES电驱动压缩热泵的可用存储容量次使用的R410a被集成到系统中的制冷剂。作为备用加热系统，安装了具有190kW的燃气锅炉。估计年供热需求为83兆瓦时/ a。系统的液压原理图如图1所示。图1. 简化的西班牙毕尔巴鄂示范工厂的液压示意图3. 波兰的华沙系统华沙的工厂被整合成一个医院综合体。医院大楼的建筑受到历史保护。在第一步中，将一个行政大楼连接到系统，以便为空间供暖提供热量。3.

5、1 液压概念该系统由一个小型加热网络组成，包括一个体积为800立方米的地上热水存储器。总共安装了151平方米的平板收集器。收集器场区域和到其他建筑物的连接都可以在未来的步骤中扩展，因为STES已经相应地被确定尺寸。由于医院综合大楼处于历史保护之下，对建筑水平的改造措施是具有挑战性和昂贵的。因此，建筑物内的加热系统没有改变，并且由于用作热分配器的散热器而在相当高的温度下工作。因此，加热系统的供应流温度达到60-80。类似于在华沙系统中的毕尔巴鄂系统，安装了一个热泵，以便以更有效的方式利用STES中存储的太阳能热量。与毕尔巴鄂的工厂相反，热泵已经特别开发用于高温应用。它是由阿尔斯特大学使用创新的制

6、冷剂的R245fa一个特殊的发展，从而达到约90千瓦的热功率日为在冷凝器的约75的最高温度。华沙系统的简化液压示意图包括24.03.2015的测量数据，如图2所示。图2.波兰华沙示范工厂的简化液压示意图，测量数据来自24.03.20154. 德国的Crailsheim系统德国系统将为3个公寓楼的43个住宅提供供暖空间供热和热水准备。建设工程预计2016年年底完工。图3示出了建筑群的建筑图。图3.德国Crailsheim的建筑群4.1 液压概念大楼有320平方米的太阳能收集器，将热量传递到热水店，将安装在建筑群的屋顶上。热水存储器是所有系统电路相遇的供热系统的中心部件。由高温和低温热泵组成的热泵

7、级联将使用该存储作为热源和散热器：高温热泵使用约40的中等温度水的水为家用热水提供热量，从热水存储器的中间部分或来自低温热泵的冷凝器的热量作为热源。高温热泵的冷凝器连接到储存器的上部。低温热泵提供约40的热量，用于将空间加热到商店的中间部分。该热泵的蒸发器连接到储存器的底部，储存器本身连接到螺旋地热交换器的区域。来自太阳能收集器的不能存储在热水存储器中的剩余热量用于加热地面。在安装成本，分布热损失和系统效率方面优化了区域供热。它设计为3管系统，使用两个管道用于不同的供应流温度，一个管道用于回流。对于生活热水制备，从商店的上部抽取热水，以加热每个公寓的外部淡水站中的家用热水。空间加热电路的供应流

8、连接到储存器的中间部分。关于加热系统的更详细的信息在对本会议的单独贡献中给出3。Crailsheim系统的简化液压示意图如图4所示。图4 简化的德国Crailsheim试点工厂的液压示意图5.季节热能存储西班牙和波兰系统中使用过地，不加压热水箱的热能储存与183米3 和800m 3 分别。两个系统都具有电驱动的压缩热泵以排放商店和安装用于备用加热的燃气锅炉。德国系统将是关于备用加热系统的单能量。计划仅使用电来驱动地耦合热泵级联作为太阳能热能的补充，目的是实现大约90的可再生能量的高分数。对于季节性热存储，将使用50m 3 真空绝缘，加压，地面热

9、水存储器和由以浅深度安装的150个螺旋埋管换热器组成的地下热能存储器的组合。图5示出了作为所示系统的一部分的三个热水箱。图5.在（A）西班牙，（B）波兰和（C）德国的季节热能储存的地面热水储存6 结论波兰和西班牙的系统自2014年夏天开始运行以来已经进行了详细监测。监测结果表明，尽管安装成本适中，太阳能热能概念与季节热能存储达到效率目标的基本适用性。在下面，显示了一些选择的监测结果。还提供德国系统的系统尺寸的瞬态模拟的详细规划文件和结果。与德国系统的其他系统相比，由于采用了高科技策略，因此追求了非常高的太阳能分数。6.1西班牙毕尔巴鄂系统 - 太阳能集热器的性能在毕尔巴鄂的工厂，太阳能收集器安

10、装在建筑物的屋顶上。总共有三个阵列的每九个太阳能收集器安装。他们总计62平方米的开口面积。太阳能收集器朝南，倾斜角为45°。液压地，它们在STES上或在加热系统上操作，而中间操作模式在技术上也是可能的。太阳能收集器类型是制造商Viessmann（Vitosol 200-F SV2）的平板收集器。在运营的第一年（2014年8月至2015年7月），收集器的年收益率为529 kWh /（m²a）。这对应于45.6的收集器利用率。在图6中，示出了太阳能收集器场的输入 - 输出图。输出热量在初级侧的太阳能回路的热交换器处测量。给出每日值。为了评价性能，理论效率也包括在图中。可以看出，

11、收集器的操作在30和70之间的范围内，这取决于太阳辐射，但也取决于其他边界条件，例如环境空气温度或收集器的操作温度。图6.毕尔巴鄂工厂太阳能集热场的输入 - 输出图和太阳能集热系统Hirtenwiesen in Crailsheim /德国为了比较毕尔巴鄂太阳能收集器的结果，将输入输出值与德国最大的太阳能集热设备Hirtenwiesen在Crailsheim（不是本文第4部分所述）的结果进行比较。这种比较也在图6中示出。由于显而易见，太阳能收集器场的效率在毕尔巴鄂比在Crailsheim中高得多。在这两个数据中，包括了太阳能环路的损耗。在毕尔巴鄂太阳能集热器领域更好的性能的原因是多方面的。在毕

12、尔巴鄂应用的太阳能收集器的性能曲线略好于Crailsheim的性能曲线，由于毕尔巴鄂的安装紧凑，太阳能环路的相对热损失更小。此外，毕尔巴鄂的气候边界条件比Crailsheim的气候边界条件更好，因为它在一般温暖。此外，取向不同。这些因素产生差异，但不解释性能的显着差异。此外，必须考虑安装状态。在毕尔巴鄂，太阳能收集器安装在建筑物的屋顶上。屋顶形状略微凸起，由浅色金属板组成。该材料可以在太阳能收集器的方向上反射来自屋顶的一些辐射，这增加了它们的太阳能产量。6.2 波兰华沙的系统性能STES像在毕尔巴鄂的STES一样，华沙的STES被建造成一个具有圆柱形形状的地面储罐。它由预制的金属板制成。存储容

13、量为800m³大。通过存储器内的三个不同高度处的扩散器来促进对存储器的充电和放电。它在大气压下操作。商店的底部由泡沫玻璃砾石隔热，侧壁由矿棉隔开，顶部由PUR面板和XPS隔热。内部储存体积由EPDM衬垫覆盖，以确保水密性。由于该衬里，最高温度限制在90。在STES内有12个轴向安装的温度传感器。它们彼此的距离为0.55m，从存储器底部上方0.1m处的第一个传感器开始。在图7中示出了温度分布。图7 华沙STES内的长期温度分布从3月开始，装入商店的太阳能热能增加其温度。8月在商店顶部达到最高温度，其值约为64°C。在2015年8月10日，STES的排放开始使用热量来覆盖建筑物

14、的加热需求。因此，在此时间之后，STES内的温度降低。在充电季节期间，可以注意到热分层，最大温度差为约15K。在放电季节期间，该温度差增加到高于20K。这是一个很好的操作，因为在商店的高温保持，可直接用于加热目的。由于区域供热回流温度，在商店的底部产生较低的温度。这些温度可用于在相对低的平均温度下操作太阳能热收集器。因此，它们的效率增加。7 结论具有季节性热能存储的小型太阳能加热系统可以是大型系统的良好功能的替代品。三种不同的欧洲方法来达到技术和经济可行性，表明没有标准的概念。规划总是单独取决于当地条件，如区域供暖的温度或地质条件。然而，在最近的项目中出现了达到井工作系统的几个基本规则：使用运行温度至少为10&#