一种基于余热的新型大型太阳能集热系统防冻运行控制方法

《Energy》：A novel anti-freezing operation control method for large-scale solar collector systems based on residual heat

　　

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  提出了一种基于余热循环的防冻运行策略。
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  建立了基于余热的防冻运行优化模型。
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  所提方法将防冻成本降低了约47%。
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  辅助热源启停温度对防冻性能影响较小。

引言

集中式太阳能供热系统具有显著优势，包括高热稳定性和优异的供热效率，近年来应用日益广泛[1]、[2]、[3]。作为此类系统的主要热源，大规模太阳能集热器系统在将太阳辐射转化为可用热能方面起着关键作用。因此，其安全、稳定、高效的运行对于集中式太阳能供热的整体性能至关重要[4]、[5]、[6]。然而，冬季寒冷的户外条件对太阳能集热器系统的运行可靠性构成了严峻挑战。低温加剧了流体的热损失，使其极易冻结。这不仅显著降低了集热效率，在严重情况下还可能因冰膨胀导致管道或集热器冻裂，最终危及太阳能供热系统的安全性和稳定性。因此，大规模太阳能集热器系统的防冻策略值得进一步深入研究。

太阳能集热器系统的传统防冻策略大致可分为四类[7]、[8]。第一种是使用低冰点防冻剂作为传热工质。第二种是电伴热，即在管道外部沿管敷设加热电缆为流体加热。第三种是排水或回排策略，即将系统内的流体排至外部或储水箱中。第四种策略是利用储热罐中储存的高品位热能进行循环防冻。在这些传统策略的基础上，研究人员提出了多种改进方案。Liu等人[9]利用全玻璃真空管集热器中的余热防止管道内流体冻结。Tang等人[10]对集热器与储热罐之间存在高差的系统进行了实验研究，证明这种高差可诱发反向循环，从而利用储存的热能防止集热器冻结和开裂。通过数值模拟，Norton等人[11]表明使用丙二醇水溶液的热虹吸太阳能热水器具有良好的防冻性能。Hong等人[12]提出了冷热水管组合伴热方案，其中相邻且保温的管道布置使热水管的热量能够加热冷水管。Xu等人[13]将水-乙二醇基纳米流体引入太阳能集热器系统，实现了增强的防冻性能。尽管取得了这些进展，大多数现有方法仍存在固有局限，如防冻成本高、能耗大，或主要适用于小型或住宅太阳能集热器系统。

除运行策略改进外，还有多项研究通过修改组件结构来增强太阳能集热器系统的防冻性能。Tao等人[14]、[15]用橡胶软管替代传统集管，并在支管两端加装散热翅片，通过橡胶软管的弹性变形和集管的"热储备"效应实现防冻保护。Bourke[16]设计了中间直径减小、两端扩大的锥形支管结构，有效防止了因冻胀导致的支管破裂。Zhou等人[17]、[18]通过在吸热板与玻璃盖板之间引入蜂窝状保温结构，或将石蜡基相变材料集成到一体化太阳能集热器中进行储热，借助潜热储存增强夜间防冻性能，从而减少集热器热损失。Vera-Medina等人[19]将柔性二氧化硅管插入集热器管道中，利用其高压缩变形性吸收冻结过程中的体积膨胀。Deng等人[20]通过在集热器管道内嵌入可压缩硅胶管，同样缓解了冻结引起的机械应力。Wang和Zhao等人[21]、[22]、[23]通过在集热器内不同位置引入具有不同相变温度和潜热特性的相变材料，进一步提高了防冻能力，从而延缓夜间流体温度下降。此外，Wu等人[24]通过实验利用水箱中储存的热量，验证了夜间自然循环防冻的可行性。总体而言，这些方法主要针对特定类型的系统，且可能带来连接可靠性降低、流动阻力增加或储热能力有限等问题，难以确保在复杂工况下实现长期有效的防冻性能。

先前研究表明，管道内流体的温度分布存在显著的非均匀性。Ramirez-Minguela、Jorge和J. Arturo等人[25]、[26]、[27]分析了平板集热器和真空管集热器，揭示了集管、支管和真空管内的显著温差。Xie等人[28]指出，在任何给定时刻，供热管道内的流体温度在空间上是非均匀的。这些发现表明，太阳能集热器系统白天运行期间积聚的部分热量无法在需求侧直接利用。由于不同位置的流体散热速率不同，适当混合低散热区域流体与高散热区域流体，可能实现系统内余热的更高效利用。我们此前的研究已证实，通过促进流体混合并利用集热器系统内的余热来增强防冻性能的可行性[29]、[30]。然而，那些研究主要关注冷却特性和余热损失行为，而非开发实用的运行策略。在流动工况下如何最优调节运行参数，以在最大化防冻保护的同时最小化不必要的热损失，目前仍不明确。

为解决这一空白，本研究提出了一种基于余热的防冻控制策略，并优化了关键控制参数，以实现集热器系统固有剩余热量的高效利用。第2节太阳能集热器系统和第3节方法论介绍了该策略的基本原理、系统的热水力耦合模型、优化模型以及性能评价指标。第4节分析了所提策略下系统温度和传热的时变演化过程，考察了运行参数对系统性能的影响，并在多参数优化条件下比较了不同防冻策略。最后，第5节总结了本研究的主要结论。

章节摘要

系统原理

大规模太阳能集热器系统是区域太阳能供热系统的主要热源，由集热器、保温管道、循环泵及相关基础设施组成。乙二醇等防冻流体通常被用作工作介质。白天，集热器收集太阳能并通过换热器输送到储热罐中，储热罐随后向供热用户供应热能（图1）[31]。随着太阳辐射减弱和……

方法论

该方法论包括太阳能集热器系统的热水力耦合模型和防冻运行优化模型。耦合模型用于确定每个时间步的系统温度分布，而优化模型用于确定最优运行参数。通过整合这两个模型的输出，分析了所提策略下系统的防冻性能。

系统温度与热变化过程

在所提策略下，太阳能集热器系统的总余热、累积辅助热量和最低流体温度的时变演化过程如图5所示。阶段1和阶段3对应余热循环，阶段2对应辅助热量循环。

在阶段1期间，最低流体温度和余热均持续下降。在并联布置中，最低温度的衰减速率逐渐减小……

结论

为解决太阳能集热器系统在集热结束后余热利用不足的问题，本研究提出了一种基于余热的防冻运行控制策略。针对大规模太阳能集热器系统，开发了综合的防冻运行控制优化模型。系统分析了关键运行参数对防冻性能的影响，并评估了……的防冻效果和经济性能……

CRediT作者贡献声明

Yanfeng Liu：方法论、概念化设计。Yaowen Chen：方法论、概念化设计。Yiting Zhao：论文撰写—原稿、方法论、概念化设计

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（项目编号52378108）、陕西省自然科学基础研究计划重点项目（项目编号2025SYS-SYSZD-045）以及中原科技引领人才项目（项目编号264200510005）的资助。

Yiting Zhao|Sainan Li|Yanfeng Liu|Ying Gao|Yaowen Chen|Yong Li|Zhanwei Wang|Lin Wang|Bowen Liu