本文是一篇工程硕士论文， 本文针对运行效果、碳减排效果、能耗支出、设备初投资、投资回收期等数据，建立太阳能与集中热网耦合供热的技术经济性评价模型，在环境效益最大化的情况下实现经济合理，明确系统在实际工程中的应用推广性。
1 绪论
1.1研究背景
当前能源领域以化石能源为主，包含石油、煤炭、天然气，能源危机日益严峻，同时化石能源燃烧过程会产生大量二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、粉尘、烟尘等有害物质，造成温室效应、雾霾等环境污染问题日益严重。因此，对高效、清洁、可再生的新能源开发并建设可再生能源持续发展的经济体系是世界各国的第一要务。
我国北方大部分区域采暖季需要燃烧大量化石能源，污染物排放问题一直得不到有效控制。为了推进“双碳”目标，应在供暖行业加大力度调整产业结构，转变能源使用的方式，进一步优化传统能源与可再生能源的耦合利用模式。
太阳能作为无污染、能源效率高、可再生的能源，在中国大部分地区资源十分丰富，有超过二分之一的地区太阳能年辐射总量可达5000MJ/m2以上，全年日照时间可超过2200小时 [1]。作为绿色高效的可再生能源，太阳能利用成为全世界能源发展的驱动力，是可再生能源领域技术发展最成熟的 [2]。
随着社会经济发展突飞猛进，在国家总能耗中，建筑能耗所占比例越来越大，特别是冬季供暖能耗，占比接近40% [3]，太阳能供热可有效降低该部分能耗，达到节能减排的目的。利用热泵、电加热辅助太阳能的供热系统，已得到政策上的大力支持，在农村地区得到广泛应用。鉴于太阳能存在不稳定性和能量密度低等缺陷，有必要在提高太阳能能源利用率和降低冬季供暖正常能耗方面进行研究。太阳能与热电联产热力管网联合供热系统充分发挥各自清洁高效的优势，需要对供热系统的性能、运行策略、节能效率等方面开展研究，促使太阳能供热更好助力“双碳”目标。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外太阳能供热系统的研究进展
国外对太阳能供暖的研究较早，平板式集热器在1945年问世，研究讨论太阳能供暖如何高效利用的学术会议也在1950年由美国组织召开，而真正让太阳能在实际生产生活中得到应用的契机是在1975年，这一年研制了真空管集热器。
日本早在1974年便在太阳能利用技术领域提出“阳光计划”，在建筑采暖及通风领域利用太阳能。在欧洲，十九世纪八十年代便提出了“跨季节蓄热器太阳能集中供热设施”，采用模拟方法，使此技术在太阳能供热领域得到推广。近年来，欧美等国利用太阳能跨季节蓄热建设了多个示范项目，供暖量占比高达40%以上。储热技术应用于太阳能工程领域已经成为太阳能资源利用的设计核心，很多专家潜心研究，这对提升能源利用率,改善不同时期太阳能资源供应不足存在积极影响。
能在实际生产生活中得到应用的契机是在1975年，这一年研制了真空管集热器。 日本早在1974年便在太阳能利用技术领域提出“阳光计划”，在建筑采暖及通风领域利用太阳能。在欧洲，十九世纪八十年代便提出了“跨季节蓄热器太阳能集中供热设施”，采用模拟方法，使此技术在太阳能供热领域得到推广。近年来，欧美等国利用太阳能跨季节蓄热建设了多个示范项目，供暖量占比高达40%以上。储热技术应用于太阳能工程领域已经成为太阳能资源利用的设计核心，很多专家潜心研究，这对提升能源利用率,改善不同时期太阳能资源供应不足存在积极影响。
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2 耦合太阳能供热的集中热网系统应用场景及系统构成
2.1耦合太阳能供热的集中热网系统应用场景分析
2.1.1北京地区的太阳能资源
我国2/3以上地区的年日照时数大于2000h，根据我国太阳辐射总量等级和区域分布情况，北京市位于我国中东部地区，太阳能资源在大部分区域属于“较丰富带”，有巨大的开发利用潜力，年日照小时数接近2600~3000小时，年累计太阳照射量接近5000~6000兆焦/平方米，接收太阳能辐射总量约26亿吨标准煤[48]，适宜大力推广太阳能利用技术和产业发展。
2.1.2北京地区太阳能系统的应用场景分析
从北京市行政区域来看，中心城区要通过低碳化为抓手有序推动城市建设更新；平原新城要大力发展低碳技术应用示范，在产业园区、公共机构和建筑领域大力推广使用光伏光热建筑一体化应用；生态涵养区要加强中深层地热、浅层地热、太阳能等清洁供热方式的利用，不断摸索实现双碳的路径。同时，通州区作为城市副中心，规划在宋庄、台湖、张家湾利用光伏光热全面应用在公共建筑中，实现能源绿色转型全覆盖。
《北京市“十四五”时期能源发展规划》中明确提出，要不断提升城乡可再生能源供热水平，大力支持太阳能光热与浅层地源热泵、蓄热多能互补系统在新型城镇体系建设中的应用。
太阳能采暖有效解决了农村地区燃气管线匮乏、燃煤污染等问题，而耦合太阳能供热的集中热网系统应进一步发挥太阳能和热电联产余热利用清洁、绿色、低碳、稳定的优势，在城市热网相对成熟的中心城区、首都功能核心区、城市副中心得到大力推广和应用。
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2.2耦合太阳能供热的集中热网系统的构成
耦合太阳能供热的集中热网系统形式如图2.1所示。其中，1为太阳能集热系统，2为蓄热系统，3为集中热网换热站系统。
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3 耦合太阳能供热的集中热网系统仿真模型建立 ......................... 21
3.1项目概况 ...................................... 21
3.2市政热力管网接入 .............................. 22
4 耦合太阳能供热的集中热网系统运行策略分析 ......................... 32
4.1热负荷延续时间图 ....................................... 32
4.2各热源模拟运行时间分析 ...............32
5 耦合太阳能供热的集中热网系统经济性分析 ........................... 49
5.1耦合太阳能供热的集中热网系统效益评价 .............................. 49
5.1.1耦合太阳能供热的集中热网系统的投资成本 .............................. 49
5.1.2耦合太阳能供热的集中热网系统的年节能量 ................................ 50
5 耦合太阳能供热的集中热网系统经济性分析
5.1耦合太阳能供热的集中热网系统效益评价
5.1.1耦合太阳能供热的集中热网系统的投资成本
太阳能集热系统承担不同设计负荷比例下所对应的总增投资详见表5.1所示：
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6 总结与展望
6.1总结
本文首先分析了太阳能与城市热网两种供热形式之间耦合的技术路线和运行模式，结合北京市太阳能资源禀赋及城市热网的现状情况，明确太阳能供热在北京市的应用场景，基于太阳能供热系统和城市集中供热管网为基础，提出了一种低碳供热方案。以北京市热力集团目前正在开展的国家科技传播中心太阳能供热试点工程为案例，利用TRNSYS建模软件，构建符合北京市特点的耦合太阳能供热的集中热网系统的仿真模型。对太阳能集热系统、蓄热系统和集中热网系统的供热时间、供热量及运行数据进行分析，实现多种耦合方案的择优。针对运行效果、碳减排效果、能耗支出、设备初投资、投资回收期等数据，建立太阳能与集中热网耦合供热的技术经济性评价模型，在环境效益最大化的情况下实现经济合理，明确系统在实际工程中的应用推广性。
论文的主要结论如下：
（1）利用TRNSYS建立各负荷模式仿真模型，为系统技术经济评价提供较为合理的数据支持。建立了较为完整的耦合太阳能供热的集中热网系统构架，利用温差控制原理制定了系统的运行控制方式及控制策略，以实际的工程案例和太阳能资源条件为基础，利用气象软件对项目场址太阳能资源进行综合分析，利用TRNSYS软件建立系统仿真模型，得到8种负荷模式下的运行情况，为系统模拟运行分析和经济性评估，提供较为合理的数据支持。
（2）建立了太阳能供热系统数学模型，以系统供热量为指标，研究太阳能承担不同负荷比例对系统热性能的影响。结果表明，该系统的实际供热量均大于系统设计供热量，供热保障能力要高于单独的城市热网系统和太阳能供热系统；该系统利用供热一次回水将蓄热罐内的低温水换热至48℃，保证了太阳能集热系统在冬季也能有效将蓄热出口温度提升至用户侧所需温度值，有效提升了太阳能的集热效率；同时，该系统可以有效利用太阳能集热蓄热系统降低城市热网的供热量，城市热网一次供水系统的供热量占比可降至34%～37%之间，具有较好的节能潜力。
参考文献（略）