生物質(zhì)能-太陽(yáng)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)在北方農(nóng)村的應(yīng)用研究

周瑞辰， 張興惠， 閆瑞妙

(太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

煤在北方地區(qū)供暖現(xiàn)階段依然占據(jù)主力位置，但其用作供暖能耗較大[1]。而且煤炭品質(zhì)參差不齊，燃燒不充分，會(huì)產(chǎn)生大量的S和N氧化物污染環(huán)境[2]。農(nóng)村無(wú)天然氣管網(wǎng)，熱泵空調(diào)因國(guó)內(nèi)廠家技術(shù)不過(guò)關(guān)，始終無(wú)法達(dá)到高效、節(jié)能指標(biāo)，造成無(wú)法使用其在北方大規(guī)模采暖[3]。太陽(yáng)能作為一種清潔能源雖然具有普遍性、長(zhǎng)久性，但它受季節(jié)、地理、天氣等自然條件的限制影響，到達(dá)地面的輻射量是間斷的，不穩(wěn)定的[4]，目前在太陽(yáng)能儲(chǔ)存上面臨很多技術(shù)難題，為了進(jìn)行連續(xù)供暖，必將增加集熱器面積，水箱容積，提高初投資費(fèi)用，單獨(dú)使用太陽(yáng)能在農(nóng)村中供暖并不理想。生物質(zhì)能是來(lái)源于太陽(yáng)能的一種可再生能源，具有含碳量低的特點(diǎn)，我國(guó)每年生物質(zhì)資源量折合7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤[5].發(fā)展包含生物質(zhì)能在內(nèi)的可再生能源不僅能夠優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，而且有助于減輕溫室效應(yīng)和生態(tài)良性循環(huán)，可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成為解決能源與環(huán)境問(wèn)題的重要途徑之一[6-9]。生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)是在一定溫度和壓力作用下，把木質(zhì)素充當(dāng)粘合劑將松散的秸稈、樹(shù)枝和木屑等農(nóng)林生物質(zhì)壓縮成棒狀，塊狀或顆粒狀等成型燃料[10]。木質(zhì)、棉桿和玉米秸稈為原材料的3種燃料NO排放量均在0.05%以下，CO也不高于1%[11]。由于我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)有豐富的生物質(zhì)能源和太陽(yáng)能資源，燃料運(yùn)輸成本低，高效環(huán)保的生物質(zhì)鍋爐輔助太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和利用，對(duì)形成具有清潔、高效、舒適、可持續(xù)的村鎮(zhèn)供暖模式，有著重要的意義[12]，與煤相比，生物質(zhì)固體燃料排放的溫室氣體不到煤的1/9，能源環(huán)境效益巨大[13]。

生物質(zhì)-太陽(yáng)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)是將生物質(zhì)燃料作為輔助熱源，在陽(yáng)光充足時(shí)發(fā)揮太陽(yáng)能的作用，太陽(yáng)能提供熱量，生物質(zhì)鍋爐不運(yùn)行；而在氣候不好的時(shí)候生物質(zhì)爐彌補(bǔ)太陽(yáng)能供熱的不足，兩者切換使用降低了運(yùn)行成本，提高了生物質(zhì)爐的使用壽命，無(wú)需為了增加集熱器面積而增加初投資，降低成本[14]。目前，對(duì)此系統(tǒng)的研究主要集中于對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，鮮少有研究人員對(duì)此系統(tǒng)做具體實(shí)驗(yàn)分析[15]。因此，本文以山西省呂梁市歸化村一農(nóng)宅為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行完備的數(shù)據(jù)采集與數(shù)值計(jì)算，分析對(duì)比其可行性與經(jīng)濟(jì)性。本次測(cè)試對(duì)象是實(shí)際住戶而非實(shí)驗(yàn)室人工模擬環(huán)境，所以測(cè)試結(jié)果更能真正反映出該系統(tǒng)在不同工況下的供暖特性；并且能在一定程度上對(duì)該系統(tǒng)在北方農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 建筑概況

規(guī)劃村位于寒冷地區(qū)，1月份是每年最寒冷的季節(jié)，故選擇在2016年12月份至2017年2月份進(jìn)行測(cè)試，便于觀測(cè)該系統(tǒng)在最不利氣候條件下的應(yīng)對(duì)能力。選擇了一家具有地暖的典型農(nóng)戶作為測(cè)試對(duì)象(見(jiàn)圖1)，并在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)加入了電加熱系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，為了滿足房間整體供暖需求，經(jīng)負(fù)荷計(jì)算后，選擇功率為6 kW的電加熱棒置于水箱內(nèi)部，在室內(nèi)控制系統(tǒng)啟停的時(shí)間。該宅建于2002年，正門(mén)朝南，有足夠的日照，房前有一庭院，房屋平面圖見(jiàn)圖2。

圖1 歸化村居民住宅

圖2 住宅平面圖及室內(nèi)測(cè)點(diǎn)分布

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)定方法

1.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在本次試驗(yàn)中，試驗(yàn)位于呂梁市信義鎮(zhèn)歸化村，房間采暖面積為100 m2。供暖的熱負(fù)荷經(jīng)過(guò)計(jì)算為5982.3 W，供暖方式為全天供暖，每天供暖時(shí)長(zhǎng)為24 h，所需熱量為144 kW·h。本次供試系統(tǒng)共有18塊光熱板，通過(guò)并聯(lián)的形式將兩組串聯(lián)的光熱板連接在一起，其中一組太陽(yáng)能集熱器包含8塊集熱板，另一組太陽(yáng)能集熱器包含10塊集熱板。根據(jù)現(xiàn)階段測(cè)試，晴朗天氣下，太陽(yáng)的平均光照強(qiáng)度為(9:30～16:00)760 w·m-2，平均流量0.61 t·h-1，平均進(jìn)水溫度28℃，出水溫度40℃，平均溫升12℃，平均光熱效率50%。因此1塊太陽(yáng)能集熱板1天可收集5.32 kW·h的熱量。晴天時(shí)每天可向房間供給熱量95.76 kW·h。晴天時(shí)，白天由太陽(yáng)能供暖，晚上21：00點(diǎn)開(kāi)始用生物質(zhì)爐供暖到第2天早上7：00點(diǎn)；隔天采用電加熱作為輔助熱源供熱，同樣從晚上21:00供暖至第2天早上7:00點(diǎn)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該使用戶室內(nèi)溫度在最冷天達(dá)到《寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的要求，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單合理、管路緊湊明確，保證生活用水的水質(zhì)水量，保證太陽(yáng)能集熱器的效率[16-17]。根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，考慮經(jīng)濟(jì)因素，工程費(fèi)用，設(shè)計(jì)出圖3所示方案。

圖3 太陽(yáng)能-生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1.2.2 系統(tǒng)運(yùn)行方案

在日常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)分為6種運(yùn)行狀態(tài)，其各種運(yùn)行方案的詳細(xì)情況如下：

狀態(tài)1：當(dāng)太陽(yáng)能集熱器出水溫度與儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水的溫差Tb-Ts≥5℃,并且室內(nèi)溫度T0>18℃時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，太陽(yáng)能集熱器出水溫度較高，并且房間溫度過(guò)高，系統(tǒng)可以暫時(shí)停止向房間供熱，將多余熱量?jī)?chǔ)存在水箱中。此時(shí)系統(tǒng)將水箱的旁通管路關(guān)閉，將水箱進(jìn)出口閥門(mén)打開(kāi)，使水流經(jīng)水箱后直接回到太陽(yáng)能集熱器形成循環(huán)。

狀態(tài)2：當(dāng)太陽(yáng)能集熱器出水溫度與儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水的溫差Tb-Ts≥5℃,并且室內(nèi)溫度T0<16℃時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，太陽(yáng)能集熱器出水溫度較高，但是房間溫度過(guò)低，可以將太陽(yáng)能集熱器的供水不經(jīng)水箱直接供給采暖用戶。

狀態(tài)3：當(dāng)太陽(yáng)能集熱器出水溫度與儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水的溫差Tb-Ts<5℃,并且室內(nèi)溫度T0>18℃時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)輻較小，房間溫度達(dá)到采暖溫度，系統(tǒng)關(guān)閉。

狀態(tài)4：當(dāng)太陽(yáng)能集熱器出水溫度與儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水的溫差Tb-Ts<5℃,室內(nèi)溫度T0<16℃，并且太陽(yáng)能集熱器出水溫度Tb≥45℃時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)輻射較小，但足以向房間供暖，太陽(yáng)能集熱器的供水不經(jīng)水箱直接供給采暖用戶。

狀態(tài)5：當(dāng)太陽(yáng)能集熱器出水溫度與儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水的溫差Tb-Ts<5℃,室內(nèi)溫度T0<16 ℃，并且太陽(yáng)能集熱器出水溫度Tb<45℃，水箱溫度Ts≥46℃時(shí)，太陽(yáng)輻射過(guò)小，不足以向房間供暖，但是水箱內(nèi)熱量充足，因此將太陽(yáng)能集熱器關(guān)閉，由水箱直接向采暖用戶供給熱量。

狀態(tài)6：當(dāng)太陽(yáng)能集熱器出水溫度與儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水的溫差Tb-Ts<5℃,室內(nèi)溫度T0<16 ℃，并且太陽(yáng)能集熱器出水溫度Tb<45℃，水箱溫度Ts<44℃時(shí)，太陽(yáng)輻射過(guò)小，水箱內(nèi)熱量用盡，此時(shí)需要使用電加熱或生物質(zhì)爐向水箱補(bǔ)熱，提升水箱溫度并向采暖用戶供熱。

1.2.3 檢測(cè)儀器和分析方法

室內(nèi)溫度采用美國(guó)Agilent 34972A LXI/USB數(shù)據(jù)采集開(kāi)關(guān)單元(見(jiàn)圖4)進(jìn)行測(cè)定，使用前進(jìn)過(guò)校準(zhǔn)。采集儀可利用USB線直接連接電腦，并可利用專用軟件Agilent Bench Link Data Logger 3對(duì)采集儀進(jìn)行操控。各種傳感器需通過(guò)采集儀上面的34901A數(shù)據(jù)采集模塊與采集儀進(jìn)行連接。采集模塊上共有22個(gè)連接通道，其中20個(gè)為L(zhǎng)H通道，另外2個(gè)為L(zhǎng)I通道。本次試驗(yàn)的溫度傳感器分為兩種。一種是鎧裝pt100鉑電阻溫度傳感器，自帶4分螺紋，可與ppr管連接測(cè)量管內(nèi)流體溫度。一種是普通防水pt100鉑電阻溫度傳感器。用于測(cè)量采暖用戶室內(nèi)室外溫度、集熱板溫度與水箱內(nèi)水溫(見(jiàn)圖5和圖6)。數(shù)據(jù)采集儀在偏廳放置，每30 S自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，測(cè)試儀器及參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 數(shù)據(jù)采集儀

圖5 鎧裝鉑電阻傳感器

圖6 普通防水傳感器

測(cè)試儀器 測(cè)量精度 測(cè)量范圍鎧裝鉑電阻溫度傳感器±0.5%-50℃～150℃普通防水溫度傳感器B級(jí)精度±0.3℃-200℃～550℃電磁流量計(jì)0.5%0.1～10 m·s-1

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 室內(nèi)溫度分析

經(jīng)過(guò)連續(xù)多天數(shù)據(jù)測(cè)試，選取1組能反應(yīng)當(dāng)?shù)毓┡酒骄彝鉁囟人降?天作為研究對(duì)象，將測(cè)試數(shù)據(jù)調(diào)入originpro軟件并繪制相應(yīng)的折線圖(見(jiàn)圖7)。

圖7 各測(cè)點(diǎn)各時(shí)段溫度分布圖

由圖7可以看出，呂梁地區(qū)晝夜溫差較大，白天9點(diǎn)至下午4點(diǎn)采用太陽(yáng)能供暖，室外在上午9點(diǎn)到10點(diǎn)時(shí)間段有迅速的溫升，而室內(nèi)房間溫升階段主要在上午10點(diǎn)到下午13點(diǎn)，下午15點(diǎn)后室內(nèi)外溫度均在降低。在此期間各房間溫度變化較大，但變化趨勢(shì)基本保持一致，其中客廳溫度相對(duì)最高，主臥和偏廳都在向陽(yáng)面，溫度相差不多，次臥在背陽(yáng)面溫度最低；夜晚21點(diǎn)到第二天早上7點(diǎn)用生物質(zhì)鍋爐供暖，在本時(shí)間段各房間溫度變化很小，室內(nèi)溫度非常穩(wěn)定，數(shù)據(jù)顯示在室內(nèi)溫度在17.39℃～17.88℃波動(dòng)，室外溫度在-3.48℃～-7.01℃波動(dòng)，室內(nèi)溫度分布均勻，舒適性很好。

2.2 對(duì)比性測(cè)試

從3個(gè)月測(cè)試期間選出了連續(xù)最冷2天的室外溫度情況，分別測(cè)試了生物質(zhì)鍋爐和電加熱兩種輔助熱源在本地區(qū)極寒天氣情況下室內(nèi)平均溫度的表現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 極寒溫度下2種輔助熱源的對(duì)比

夜間室外溫度在-12℃～-6℃波動(dòng)，只研究用輔助熱源在夜間采暖期的表現(xiàn)。由圖8可知，當(dāng)采用生物質(zhì)爐供暖時(shí)，即便室外溫度很低，依然可以保證室內(nèi)平均溫度在17.3℃～17.5℃，溫度波動(dòng)很小，保持度很好，非常穩(wěn)定；當(dāng)采用電加熱供暖時(shí)，隨著室外溫度的逐漸降低，室內(nèi)平均溫度無(wú)法維持在16 ℃以上，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，波動(dòng)范圍在13.55℃～15.59℃，已經(jīng)無(wú)法滿足國(guó)家制定的《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，即GB/T50824-2013中規(guī)定冬季供暖標(biāo)準(zhǔn)為16℃～24℃。而且室內(nèi)平均溫度波動(dòng)很大，穩(wěn)定性較差。

2.3 輔助熱源經(jīng)濟(jì)性比較

從初投資和運(yùn)行費(fèi)用2個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)輔助熱源的經(jīng)濟(jì)性，將其初投資和運(yùn)行費(fèi)用折合成綜合熱價(jià)，從而來(lái)衡量其經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)劣。由于各種輔助熱源的初投資相差很大，而且經(jīng)過(guò)若干年后貨幣價(jià)值的變動(dòng)情況不明。因此，將各個(gè)運(yùn)行費(fèi)用折合為投資年限值，能夠更準(zhǔn)確的進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。本供暖系統(tǒng)中太陽(yáng)能保證率為50%,輔助熱源承擔(dān)的平均負(fù)荷占總負(fù)荷的50%,在供暖期，輔助熱源提供的熱量為259.2 MJ·d-1,輔助供熱系統(tǒng)的壽命按15年計(jì)算,公式如下[18]：

(1)

式中：M為輔助熱源綜合熱價(jià)現(xiàn)值，元·MJ-1；H為輔助系統(tǒng)初投資，元；n為系統(tǒng)使用壽命，年；i為銀行存款利率，本文取3%；Ut為第t年的運(yùn)行費(fèi)用，元；Qt為輔助系統(tǒng)第t年提供的熱量，MJ。

系統(tǒng)某年的運(yùn)行費(fèi)用根據(jù)公式2計(jì)算[19]:

(2)

式中：Q為由輔助系統(tǒng)提供的負(fù)荷，MJ；q為單位熱源的熱值；η為輔助系統(tǒng)熱效率；p為單位熱源的市場(chǎng)價(jià)格。

將公式2帶入公式1中即可得到各輔助系統(tǒng)折現(xiàn)后的綜合熱價(jià)，輔助熱源的具體參數(shù)及綜合熱價(jià)見(jiàn)表2。

由表中計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，煤作為輔助熱源最為經(jīng)濟(jì)，這主要是因?yàn)樯轿鞯貐^(qū)煤炭資源豐富且煤價(jià)便宜，運(yùn)輸方便，但是煤炭質(zhì)量參差不齊，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，不符合國(guó)家建設(shè)綠色環(huán)保新農(nóng)村的理念；其次是生物質(zhì)燃料，它也是非常經(jīng)濟(jì)的輔助熱源，而且生物質(zhì)燃料作為可再生燃料，污染極低，農(nóng)村地區(qū)也便于制造運(yùn)輸。熱泵和電加熱經(jīng)濟(jì)性較差，這主要是因?yàn)闊岜贸跬顿Y大，對(duì)于農(nóng)村單住宅用戶來(lái)說(shuō)性價(jià)比很低，不易于推廣，突出不了其優(yōu)勢(shì)；電加熱設(shè)備消耗單位電能的產(chǎn)熱量太小，用電量太大，效果不理想。

表2 輔助熱源綜合熱價(jià)參數(shù)

注：本表中熱源價(jià)格、初投資為本地查詢值，僅供參考

2.4 環(huán)境效益分析

農(nóng)村用戶多采用太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)，可以大量減少溫室氣體、有害氣體，例如：二氧化碳、二氧化硫和粉塵等的排放。太陽(yáng)能作為一種清潔能源取代化石能源節(jié)能效益良好。該住宅建筑面積100 m2，以15年為有效期計(jì)算二氧化碳的減排量如下式計(jì)算[20]：

(3)

其中：△Q由集熱系統(tǒng)面積、太陽(yáng)輻射量、集熱器平均集熱效率、蓄熱水箱與管路損失率計(jì)算而來(lái)。對(duì)于本系統(tǒng)，供暖期年節(jié)約總能量為14752.8 MJ，非供暖期供熱水系統(tǒng)年節(jié)約總能量為15201.2 MJ，系統(tǒng)總年節(jié)約量為29954 MJ，代入公式(3)計(jì)算得出本供暖系統(tǒng)在使用年限內(nèi)二氧化碳減排量62784.8噸；二氧化硫、煙塵排放因子分別為0.02，0.01，計(jì)算得出系統(tǒng)二氧化硫減排量為471.2噸，煙塵減排量為235.9噸。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)山西呂梁歸化村地區(qū)住宅室內(nèi)各房間溫度進(jìn)行連續(xù)性測(cè)試，用生物質(zhì)鍋爐作為輔助熱源供暖可以很好保持房間溫度，房間各時(shí)段溫度波動(dòng)不超過(guò)±0.5℃，相比電加熱作為輔助熱源可以明顯看出生物質(zhì)鍋爐在穩(wěn)定性上的明顯優(yōu)勢(shì)，而且生物質(zhì)鍋爐可以保證在室外惡劣工況下室內(nèi)整體的溫度適宜。

(2)通過(guò)對(duì)各種輔助熱源進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益的對(duì)比，可以清楚的發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)燃料在農(nóng)村使用的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于熱泵系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)。

(3)通過(guò)計(jì)算二氧化碳、二氧化硫、粉塵三個(gè)指標(biāo)的減排量對(duì)系統(tǒng)的環(huán)境效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出系統(tǒng)的減排量為：二氧化碳減排量為62784.8噸,二氧化硫減排量為471.2噸，煙塵減排量為235.9噸。

(4)本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)太陽(yáng)能—生物質(zhì)能互補(bǔ)供暖系統(tǒng)在農(nóng)村的使用有一定的指導(dǎo)性，可以看出其在某些領(lǐng)域的優(yōu)越性，對(duì)此系統(tǒng)在北方農(nóng)村地區(qū)的推廣應(yīng)用提供一定依據(jù)。