一种用于太阳能工艺热水系统（具有完全混合式热储存）的无量纲动态相似性框架

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：A dimensionless dynamic similarity framework for solar process water heating systems with fully mixed thermal storage

　　摘要
带有热存储的太阳能过程水加热系统涉及到太阳能收集、热存储动态、过程负荷时间、热损失、限制和辅助加热之间的耦合相互作用，这使得其设计在很大程度上依赖于详细的特定案例模拟。本研究开发了一个简化阶数的无量纲动态相似性框架，为分析和设计具有完全混合热存储的太阳能过程水加热系统提供了可扩展的基础。从第一性原理的能量存储平衡出发，控制方程被转换为以五个物理意义明确的无量纲组为特征的形式化表达：有效太阳能负荷比、集热器损失数、存储容量组、存储泄漏数和温度余量组。该公式还保留了表示太阳能输入、过程负荷时间、环境温度和市政水温度的标准化驱动函数，从而保留了影响系统性能的时间效应。这为识别不同尺寸的太阳能过程水加热系统何时具有相同的标准化瞬态响应，以及何时需要因气候或负荷时间变化而重新设计提供了明确的相似性结构。该方法通过尺寸验证、与已发表的太阳能热系统的基准测试、敏感性分析以及为集热器场和存储尺寸开发通用无量纲设计图表进行了演示。结果表明，负荷时间的变化改变了主导的设计模式：白天的运行主要由集热器控制，夜间运行由存储控制，而连续运行则受到两者的共同影响。所提出的框架为不同容量和运行条件下的太阳能过程水加热系统的相似性分析、性能评估和无量纲设计提供了一种物理上可解释且可扩展的方法。

引言
工业过程加热是制造业中必须脱碳的主要能源用途之一。热能占全球最终能源需求的近47%，而工业消耗了全球能源的大约32%。接近74%的工业能源需求用于热能[1]。工业热能产生也是主要的排放源，据估计2016年产生了约7.5 Gt的二氧化碳，占全球年二氧化碳排放量的近21%。许多工业热能需求（如干燥、清洁、洗涤、巴氏杀菌和灭菌等过程）发生在250°C以下的温度[2]。这些温度水平位于工业过程太阳能热能的适用范围内[3]。然而，对于工艺用水应用而言，主要的设计问题不仅在于太阳能热能否达到所需温度，还在于集热器场、储热罐、换热器、工艺负荷和辅助加热器之间的相互作用方式。太阳能热能可以通过公用事业级别的路径（如锅炉给水管线、热水循环或中央储热罐）提供，也可以通过直接预热或中间换热器在工艺级别提供[4],[5]。这些集成方式改变了集热器入口温度、存储工作范围、辅助加热需求和控制约束。因此，当负荷时间改变时，相同的年热需求可以产生不同的太阳能利用比例。因此，负荷时间对于太阳能过程水加热至关重要：白天的负荷可以直接利用部分收集到的热量；夜间的负荷更依赖存储的能量；连续运行则同时需要直接利用太阳能和存储的支持。因此，太阳能热能的集成必须考虑工艺时间曲线、集热器面积、存储容量、控制设计、空间限制和滞留控制[6]。存储设计还取决于有效热容量、工艺温度和负荷曲线，而不仅仅是每个集热器面积的固定存储体积[7]。因此，存储应被视为一个动态元素，用于控制充电、放电、热损失、限制和辅助加热。

引言
工业过程加热是制造业中必须脱碳的主要能源用途之一。热能占全球最终能源需求的近47%，而工业消耗了全球能源的大约32%。几乎74%的工业能源需求用于热能[1]。工业热能产生也是主要的排放源，据估计2016年产生了约7.5 Gt的二氧化碳，占全球年二氧化碳排放量的近21%。许多工业热能需求（如干燥、清洁、洗涤、巴氏杀菌和灭菌等过程）发生在250°C以下的温度[2]。这些温度水平位于工业过程太阳能热能的适用范围内[3]。然而，对于工艺用水应用而言，主要的设计问题不仅在于太阳能热能否达到所需温度，还在于集热器场、储热罐、换热器、工艺负荷和辅助加热器之间的相互作用方式。太阳能热能可以通过公用事业级别的路径（如锅炉给水管线、热水循环或中央储热罐）提供，也可以通过直接预热或中间换热器在工艺级别提供[4],[5]。这些集成方式改变了集热器入口温度、存储工作范围、辅助加热需求和控制约束。因此，当负荷时间改变时，相同的年热需求可以产生不同的太阳能利用比例。因此，负荷时间对于太阳能过程水加热至关重要：白天的负荷可以直接利用部分收集到的热量；夜间的负荷更依赖存储的能量；连续运行则同时需要直接利用太阳能和存储的支持。因此，太阳能热能的集成必须考虑工艺时间曲线、集热器面积、存储容量、控制设计、空间限制和滞留控制。

引言
工业过程加热是制造业中必须脱碳的主要能源用途之一。热能占全球最终能源需求的近47%，而工业消耗了全球能源的大约32%。接近74%的工业能源需求用于热能[1]。工业热能产生也是主要的排放源，据估计2016年产生了约7.5 Gt的二氧化碳，占全球年二氧化碳排放量的近21%。许多工业热能需求（如干燥、清洁、洗涤、巴氏杀菌和灭菌等过程）发生在250°C以下的温度[2]。这些温度水平位于工业过程太阳能热能的适用范围内[3]。然而，对于工艺用水应用而言，主要的设计问题不仅在于太阳能热能否达到所需温度，还在于集热器场、储热罐、换热器、工艺负荷和辅助加热器之间的相互作用方式。太阳能热能可以通过公用事业级别的路径（如锅炉给水管线、热水循环或中央储热罐）提供，也可以通过直接预热或中间换热器在工艺级别提供[4],[5]。这些集成方式改变了集热器入口温度、存储工作范围、辅助加热需求和控制约束。因此，当负荷时间改变时，相同的年热需求可以产生不同的太阳能利用比例。因此，负荷时间对于太阳能过程水加热至关重要：白天的负荷可以直接利用部分收集到的热量；夜间的负荷更依赖存储的能量；连续运行则同时需要直接利用太阳能和存储的支持。

引言
工业过程加热是制造业中必须脱碳的主要能源用途之一。热能占全球最终能源需求的近47%，而工业消耗了全球能源的大约32%。接近74%的工业能源需求用于热能[1]。工业热能产生也是主要的排放源，据估计2016年产生了约7.5 Gt的二氧化碳，占全球年二氧化碳排放量的近21%。许多工业热能需求（如干燥、清洁、洗涤、巴氏杀菌和灭菌等过程）发生在250°C以下的温度[2]。这些温度水平位于工业过程太阳能热能的适用范围内[3]。然而，对于工艺用水应用而言，主要的设计问题不仅在于太阳能热能否达到所需温度，还在于集热器场、储热罐、换热器、工艺负荷和辅助加热器之间的相互作用方式。太阳能热能可以通过公用事业级别的路径（如锅炉给水管线、热水循环或中央储热罐）提供，也可以通过直接预热或中间换热器在工艺级别提供[4],[5]。这些集成方式改变了集热器入口温度、存储工作范围、辅助加热需求和控制约束。因此，当负荷时间改变时，相同的年热需求可以产生不同的太阳能利用比例。因此，负荷时间对于太阳能过程水加热至关重要：白天的负荷可以直接利用部分收集到的热量；夜间的负荷更依赖存储的能量；连续运行则同时需要直接利用太阳能和存储的支持。

引言
工业过程加热是制造业中必须脱碳的主要能源用途之一。热能占全球最终能源需求的近47%，而工业消耗了全球能源的大约32%。接近74%的工业能源需求用于热能[1]。工业热能产生也是主要的排放源，据估计2016年产生了约7.5 Gt的二氧化碳，占全球年二氧化碳排放量的近21%。许多工业热能需求（如干燥、清洁、洗涤、巴氏杀菌和灭菌等过程）发生在250°C以下的温度[2]。这些温度水平位于工业过程太阳能热能的适用范围内[3]。然而，对于工艺用水应用而言，主要的设计问题不仅在于太阳能热能否达到所需温度，还在于集热器场、储热罐、换热器、工艺负荷和辅助加热器之间的相互作用方式。太阳能热能可以通过公用事业级别的路径（如锅炉给水管线、热水循环或中央储热罐）提供，也可以通过直接预热或中间换热器在工艺级别提供[4],[5]。这些集成方式改变了集热器入口温度、存储工作范围、辅助加热需求和控制约束。因此，当负荷时间改变时，相同的年热需求可以产生不同的太阳能利用比例。因此，负荷时间对于太阳能过程水加热至关重要：白天的负荷可以直接利用部分收集到的热量；夜间的负荷更依赖存储的能量；连续运行则同时需要直接利用太阳能和存储的支持。

引言
工业过程加热是制造业中必须脱碳的主要能源用途之一。热能占全球最终能源需求的近47%，而工业消耗了全球能源的大约32%。接近74%的工业能源需求用于热能[1]。工业热能产生也是主要的排放源，据估计2016年产生了约7.5 Gt的二氧化碳，占全球年二氧化碳排放量的近21%。许多工业热能需求（如干燥、清洁、洗涤、巴氏杀菌和灭菌等过程）发生在250°C以下的温度[2]。这些温度水平位于工业过程太阳能热能的适用范围内[3]。然而，对于工艺用水应用而言，主要的设计问题不仅在于太阳能热能否达到所需温度，还在于集热器场、储热罐、换热器、工艺负荷和辅助加热器之间的相互作用方式。太阳能热能可以通过公用事业级别的路径（如锅炉给水管线、热水循环或中央储热罐）提供，也可以通过直接预热或中间换热器在工艺级别提供[4],[5]。这些集成方式改变了集热器入口温度、存储工作范围、辅助加热需求和控制约束。因此，当负荷时间改变时，相同的年热需求可以产生不同的太阳能利用比例。因此，负荷时间对于太阳能过程水加热至关重要：白天的负荷可以直接利用部分收集到的热量；夜间的负荷更依赖存储的能量；连续运行则同时需要直接利用太阳能和存储的支持。

引言
工业过程加热是制造业中必须脱碳的主要能源用途之一。热能占全球最终能源需求的近47%，而工业消耗了全球能源的大约32%。接近74%的工业能源需求用于热能[1]。工业热能产生也是主要的排放源，据估计2016年产生了约7.5 Gt的二氧化碳，占全球年二氧化碳排放量的近21%。许多工业热能需求（如干燥、清洁、洗涤、巴氏杀菌和灭菌等过程）发生在250°C以下的温度[2]。这些温度水平位于工业过程太阳能热能的适用范围内[3]。然而，对于工艺用水应用而言，主要的设计问题不仅在于太阳能热能否达到所需温度，还在于集热器场、储热罐、换热器、工艺负荷和辅助加热器之间的相互作用方式。太阳能热能可以通过公用事业级别的路径（如锅炉给水管线、热水循环或中央储热罐）提供，也可以通过直接预热或中间换热器在工艺级别提供[4],[5]。这些集成方式改变了集热器入口温度、存储工作范围、辅助加热需求和控制约束。因此，当负荷时间改变时，相同的年热需求可以产生不同的太阳能利用比例。因此，负荷时间对于太阳能过程水加热至关重要：白天的负荷可以直接利用部分收集到的热量；夜间的负荷更依赖存储的能量；连续运行则同时需要直接利用太阳能和存储的支持。

引言
工业过程加热是制造业中必须脱碳的主要能源用途之一。热能占全球最终能源需求的近47%，而工业消耗了全球能源的大约32%。接近74%的工业能源需求用于热能[1]。工业热能产生也是主要的排放源，据估计2016年产生了约7.5 Gt的二氧化碳，占全球年二氧化碳排放量的近21%。许多工业热能需求（如干燥、清洁、洗涤、巴氏杀菌和灭菌等过程）发生在250°C以下的温度[2]。这些温度水平位于工业过程太阳能热能的适用范围内[3]。然而，对于工艺用水应用而言，主要的设计问题不仅在于太阳能热能否达到所需温度，还在于集热器场、储热罐、换热器、工艺负荷和辅助加热器之间的相互作用方式。太阳能热能可以通过公用事业级别的路径（如锅炉给水管线、热水循环或中央储热罐）提供，也可以通过直接预热或中间换热器在工艺级别提供[4],[5]。这些集成方式改变了集热器入口温度、存储工作范围、辅助加热需求和控制约束。因此，当负荷时间改变时，相同的年热需求可以产生不同的太阳能利用比例。因此，负荷时间对于太阳能过程水加热至关重要：白天的负荷可以直接利用部分收集到的热量；夜间的负荷更依赖存储的能量；连续运行则同时需要直接利用太阳能和存储的支持。

引言
工业过程加热是制造业中必须脱碳的主要能源用途之一。热能占全球最终能源需求的近47%，而工业消耗了全球能源的大约32%。接近74%的工业能源需求用于热能[1]。工业热能产生也是主要的排放源，据估计2016年产生了约7.5 Gt的二氧化碳，占全球年二氧化碳排放量的近21%。许多工业热能需求（如干燥、清洁、洗涤、巴氏杀菌和灭菌等过程）发生在250°C以下的温度[2]。这些温度水平位于工业过程太阳能热能的适用范围内[3]。然而，对于工艺用水应用而言，主要的设计问题不仅在于太阳能热能否达到所需温度，还在于集热器场、储热罐、换热器、工艺负荷和辅助加热器之间的相互作用方式。太阳能热能可以通过公用事业级别的路径（如锅炉给水管线、热水循环或中央储热罐）提供，也可以通过直接预热或中间换热器在工艺级别提供[4],[5]。这些集成方式改变了集热器入口温度、存储工作范围、辅助加热需求和控制约束。因此，当负荷时间改变时，相同的年热需求可以产生不同的太阳能利用比例。因此，负荷时间对于太阳能过程水加热至关重要：白天的负荷可以直接利用部分收集到的热量；夜间的负荷更依赖存储的能量；连续运行则同时需要直接利用太阳能和存储的支持。

引言
工业过程加热是制造业中必须脱碳的主要能源用途之一。热能占全球最终能源需求的近47%，而工业消耗了全球能源的大约32%。接近74%的工业能源需求用于热能[1]。工业热能产生也是主要的排放源，据估计2016年产生了约7.5 Gt的二氧化碳，占全球年二氧化碳排放量的近21%。许多工业热能需求（如干燥、清洁、洗涤、巴氏杀菌和灭菌等过程）发生在250°C以下的温度[2]。这些温度水平位于工业过程太阳能热能的适用范围内[3]。然而，对于工艺用水应用而言，主要的设计问题不仅在于太阳能热能否达到所需温度，还在于集热器场、储热罐、换热器、工艺负荷和辅助加热器之间的相互作用方式。太阳能热能可以通过公用事业级别的路径（如锅炉给水管线、热水循环或中央储热罐）提供，也可以通过直接预热或中间换热器在工艺级别提供[4],[5]。这些集成方式改变了集热器入口温度、存储工作范围、辅助加热需求和控制约束。因此，当负荷时间改变时，相同的年热需求可以产生不同的太阳能利用比例。因此，负荷时间对于太阳能过程水加热至关重要：白天的负荷可以直接利用部分收集到的热量；夜间的负荷更依赖存储的能量；连续运行则同时需要直接利用太阳能和存储的支持。

引言
工业过程加热是制造业中必须脱碳的主要能源用途之一。热能占全球最终能源需求的近47%，而工业消耗了全球能源的大约32%。接近74%的工业能源需求用于热能[1]。工业热能产生也是主要的排放源，据估计2016年产生了约7.5 Gt的二氧化碳，占全球年二氧化碳排放量的近21%。许多工业热能需求（如干燥、清洁、洗涤、巴氏杀菌和灭菌等过程）发生在250°C以下的温度[2]。这些温度水平位于工业过程太阳能热能的适用范围内[3]。然而，对于工艺用水应用而言，主要的设计问题不仅在于太阳能热能否达到所需温度，还在于集热器场、储热罐、换热器、工艺负荷和辅助加热器之间的相互作用方式。太阳能热能可以通过公用事业级别的路径（如锅炉给水管线、热水循环或中央储热罐）提供，也可以通过直接预热或中间换热器在工艺级别提供[4],[5]。这些集成方式改变了集热器入口温度、存储工作范围、辅助加热需求和控制约束。因此，当负荷时间改变时，相同的年热需求可以产生不同的太阳能利用比例。因此，负荷时间对于太阳能过程水加热至关重要：白天的负荷可以直接利用部分收集到的热量；夜间的负荷更依赖存储的能量；连续运行则同时需要直接利用太阳能和存储的支持。

引言
工业过程加热是制造业中必须脱碳的主要能源用途之一。热能占全球最终能源需求的近47%，而工业消耗了全球能源的大约32%。接近74%的工业能源需求用于热能[1]。工业热能产生也是主要的排放源，据估计2016年产生了约7.5 Gt的二氧化碳，占全球年二氧化碳排放量的近21%。许多工业热能需求（如干燥、清洁、洗涤、巴氏杀菌和灭菌等过程）发生在250°C以下的温度[2]。这些温度水平位于工业过程太阳能热能的适用范围内[3]。然而，对于工艺用水应用而言，主要的设计问题不仅在于太阳能热能否达到所需温度，还在于集热器场、储热罐、换热器、工艺负荷和辅助加热器之间的相互作用方式。太阳能热能可以通过公用事业级别的路径（如锅炉给水管线、热水循环或中央储热罐）提供，也可以通过直接预热或中间换热器在工艺级别提供[4],[5]。这些集成方式改变了集热器入口温度、存储工作范围、辅助加热需求和控制约束。因此，当负荷时间改变时，相同的年热需求可以产生不同的太阳能利用比例。因此，负荷时间对于太阳能过程水加热至关重要：白天的负荷可以直接利用部分收集到的热量；夜间的负荷更依赖存储的能量；连续运行则同时需要直接利用太阳能和存储的支持。

引言
工业过程加热是制造业中必须脱碳的主要能源用途之一。热能占全球最终能源需求的近47%，而工业消耗了全球能源的大约32%。接近74%的工业能源需求用于热能[1]。工业热能产生也是主要的排放源，据