多能互補(bǔ)供熱研究現(xiàn)狀與評價(jià)方法

馮艷

摘要：太陽能供暖具有很好的發(fā)展前景，但是由于其不穩(wěn)定需要和其他能源聯(lián)合供熱，將其稱之為多能互補(bǔ)供熱，該文總結(jié)了國內(nèi)外多能互補(bǔ)供熱的研究現(xiàn)狀，進(jìn)一步查找了關(guān)于供熱系統(tǒng)優(yōu)劣性的評價(jià)方法，指出了該評價(jià)方法存在的問題，提出了多能互補(bǔ)供熱模糊綜合評價(jià)模型，為實(shí)際應(yīng)用提供了可靠的手段。

關(guān)鍵詞：多能互補(bǔ)供熱;研究現(xiàn)狀;評價(jià)方法;模糊綜合評判模型

引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來，全球生產(chǎn)和繁榮的增長促使能源需求保持增長，其中各國對于建筑能耗的需求逐漸上升。這直接帶來了資源枯竭，環(huán)境污染等問題。太陽能以數(shù)量巨大，不用運(yùn)輸，不污染環(huán)境和毫無危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)引起了科研人員的關(guān)注。但是因?yàn)樘柲苣茉疵芏鹊停瑥?qiáng)度易受季節(jié)、氣候、地點(diǎn)等因素的影響，具有不穩(wěn)定性。所以，要保證太陽能系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行，必須和其他能源的加熱設(shè)備聯(lián)合使用，這種加熱設(shè)備稱為“輔助熱源”，其作用是當(dāng)太陽能供應(yīng)量不足時(shí)，作為太陽能系統(tǒng)的能量補(bǔ)充，滿足系統(tǒng)的能量需求。所以，太陽能供熱系統(tǒng)準(zhǔn)確的說應(yīng)該是“太陽能+”供熱系統(tǒng)，即多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)。

1 多能互補(bǔ)系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

太陽能供熱采暖系統(tǒng)是由集熱器，儲(chǔ)水箱，連接管道，輔助熱源，控制系統(tǒng)，末端裝置等構(gòu)成。其作用是將能量密度低的太陽能通過集熱器轉(zhuǎn)化為熱水，儲(chǔ)存在水箱，然后通過連接管道將熱水輸送到末端裝置。如若太陽能提供的能量不足，可用輔助熱源進(jìn)行輔助來達(dá)到用戶的供熱要求。

國外對太陽能的利用的研究比較早。在兩次世界大戰(zhàn)之后，不可再生能源急劇減少，許多研究學(xué)者對可再生能源引起了關(guān)注。早在1950年美國麻省理工學(xué)院就舉行了關(guān)于利用太陽能采暖的學(xué)術(shù)會(huì)議，會(huì)議上研究人員發(fā)表了許多看法。丹麥工業(yè)大學(xué)的Andersen等人[1]對丹麥太陽能聯(lián)合系統(tǒng)在單戶住宅的熱性能進(jìn)行了研究，分別對兩種系統(tǒng)的熱性能進(jìn)行了測試，這兩種系統(tǒng)都帶有儲(chǔ)罐和太陽能集熱器，只是大小有所不同，發(fā)現(xiàn)太陽復(fù)合系統(tǒng)通過在儲(chǔ)罐中維持高溫分層，保持輔助加熱體積盡可能的小，保持輔助溫度體積越小越好，確保油箱完好無損絕緣可以使得太陽能組合系統(tǒng)可以得到顯著改善。Hassanien[2]研究使用真空管太陽能集熱器作為太陽能熱水器輔助的性能和可行性，并進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示內(nèi)部空氣溫度在加熱的溫室超過未加熱（對照）溫室內(nèi)的溫度2℃-3℃，而濕度降低了10%。此外，太陽能集熱器的熱效率和投資回收期分別為0.49和4.1年。總之，這種整合可以提供超過35%的溫室所需的總熱量。Vikas Verma;K. Murugesan等人[3]為了解在印度冬季氣候條件下從早到晚連續(xù)8小時(shí)操作的空間加熱期間的性能變化進(jìn)行了太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。M. Jradi;C. Veje;B.N.J?rgensen[4]分析和評估了太陽能地下土壤熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)和熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能。發(fā)現(xiàn)整體而言系統(tǒng)加熱系數(shù)性能約為4.76，對于獨(dú)立光伏系統(tǒng)，PV-ASHP組合系統(tǒng)為19.1%，組合為22.2%，PV-ASHP系統(tǒng)采用季節(jié)性地下熱能儲(chǔ)存塊。Gerhard Faninger[5]為了找到一種解決方案來克服奧地利太陽能供應(yīng)和能源需求之間的不匹配，提出了太陽能 - 生物質(zhì)加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)既有單獨(dú)的系統(tǒng)供熱，也有區(qū)域供熱。來自森林的木柴，樹皮和木屑形式的生物燃料來源以及來自木材加工業(yè)的殘余物是當(dāng)?shù)乜捎玫奶柲堋疤烊粌?chǔ)存”的明顯形式，其可以再次儲(chǔ)存，運(yùn)輸和生長。因此，生物質(zhì)是太陽能季節(jié)性儲(chǔ)存的最佳形式，也是太陽能加熱系統(tǒng)的有吸引力的輔助燃料。M. Jradi*;S.Riffat等人[6]基于ORC的混合微型CHP系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提出使用生物質(zhì)鍋爐和太陽能濃縮器來運(yùn)行CHP系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的天然氣驅(qū)動(dòng)裝置相比，提供更可靠的操作。A.Al-Salaymeh;I.Al-Rawabdeh;S.Emrand等人[7]通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)在約旦鍋爐-太陽能集成系統(tǒng)的市場需求就系統(tǒng)是可以接受的，并且關(guān)于鍋爐和太陽能集成系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)研究表明，使用太陽能熱水器加熱空間和生活用水具有成本效益。投資回收期可低至3年，公用事業(yè)費(fèi)用遠(yuǎn)低于使用傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)的水電費(fèi)，在約旦已經(jīng)進(jìn)行了鍋爐-太陽能-電氣集成系統(tǒng)原型的初步設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)。

目前來看太陽能提供采暖和生活熱水的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是太陽能和多種能源聯(lián)合供暖的研究還需要繼續(xù)。

多能互補(bǔ)的熱泵系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，還對甘肅一新農(nóng)村住宅冬季太陽能聯(lián)合燃煤鍋爐供暖進(jìn)行了現(xiàn)場測試，得出了多能互補(bǔ)供暖運(yùn)行模式有其合理性。北京建筑大學(xué)劉芳等人[12]以北京市某農(nóng)宅為研究對象，設(shè)計(jì)了燃?xì)獗趻鞝t輔助太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)，通過運(yùn)行測試發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)在測試期間節(jié)省了能耗減少了排放量。王博淵等[13]開發(fā)一種基于太陽能的多能源互補(bǔ)供熱裝置，通過模擬實(shí)測分析發(fā)現(xiàn)，采用該開發(fā)裝置系統(tǒng)的有用得熱量提升75%，太陽能保證率由10%～20% 提升至41. 2%，若集熱器面積增加一倍，系統(tǒng)的太陽能保證率可達(dá)70%。鄭汝奎等人[14]對太陽能-空氣能復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了供暖性能分析，得出了該復(fù)合系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用較低，節(jié)能性較好的結(jié)論。

國內(nèi)近幾年建成的太陽能供熱、采暖發(fā)展較快，建成了許多采暖試點(diǎn)工程，其中具有代表性的三個(gè)示范工程為北京清華陽光能源開發(fā)有限責(zé)任公司辦公樓，北京新農(nóng)村建設(shè)太陽能供熱采暖示范村，建研科技園太陽能供熱采暖示范工程。

—設(shè)備熱效率，取0.65;—年總節(jié)約能量，MJ/年;n—系統(tǒng)壽命，年;W—標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，29.308MJ/kg;

對于能耗損失，則需要計(jì)算各能源的消耗量。

目前常用的評價(jià)都是基于公式單獨(dú)計(jì)算的，沒有綜合的分析結(jié)果。

2 模糊層次綜合評判法在多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)評估中的應(yīng)用

多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的供熱系統(tǒng)，受很多因素的影響。目前的評價(jià)方法對于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況的預(yù)測有限。本文通過建立比較全面的多因素指標(biāo)體系，運(yùn)用模糊綜合分析法，從多方面因素出發(fā)分析了多能互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行評價(jià)方法。

2.1建立評價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用，對整個(gè)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的綜合效益評價(jià)因素進(jìn)行鑒別，建立多能互補(bǔ)系統(tǒng)綜合效益評判因素集合，主要評判因素為經(jīng)濟(jì)，能耗，環(huán)境，供熱特性四個(gè)部分。因此可知，所取的因素評判集為：

2.2建立評判集

多能互補(bǔ)系統(tǒng)綜合評價(jià)是該供熱系統(tǒng)優(yōu)劣的最終依據(jù)，綜合供熱特性，經(jīng)濟(jì)，能耗，環(huán)境效益將多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)優(yōu)劣分為 3 個(gè)等級，構(gòu)造的評價(jià)集為 V={}。

2.3確定因子權(quán)重

建好模型之后，需要對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的權(quán)重分配，權(quán)重大小表示了評價(jià)指標(biāo)的重要程度。確定權(quán)重大小的方法很多，有層次分析法、Delphi 法、專家估計(jì)法、加權(quán)平均法等，根據(jù)供熱系統(tǒng)的特性，本文選擇層次分析法來確定權(quán)重大小。先對一級指標(biāo)分配相應(yīng)的權(quán)重值，然后對二級指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配，這一過程需要將二級指標(biāo)與一級指標(biāo)的隸屬關(guān)系考慮進(jìn)去。

3結(jié)語

對多能互補(bǔ)供熱的研究已經(jīng)很多，但是國內(nèi)對大型的區(qū)域進(jìn)行多能互補(bǔ)供熱的實(shí)際案例還比較少，對于這方面的評價(jià)都是基于單獨(dú)的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，本文提出了多能互補(bǔ)模糊綜合評判方法，該方法結(jié)合了多種因素對多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)進(jìn)行了綜合的評價(jià)，該過程中運(yùn)用了各因素的相互比較關(guān)系建立了判斷矩陣，使得評判結(jié)果更加準(zhǔn)確，這些優(yōu)點(diǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的單獨(dú)進(jìn)行評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算，評價(jià)結(jié)果也更加符合實(shí)際情況。但是模糊綜合評價(jià)結(jié)果依賴于合理的評價(jià)指標(biāo)體系、評價(jià)指標(biāo)因素、指標(biāo)權(quán)重分配，這些部分是否選取合理對評價(jià)結(jié)果影響很大，需要進(jìn)一步的優(yōu)化該模型。

參考文獻(xiàn)：

[1]?王丙林，陳楊楊，于偉鋒. 東北地區(qū)太陽能供暖的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益分析[J]. 綠色科技，2016（08）：126-128.

[2]?王梟飛，王天賜，雒智銘，王倩. 模糊層次綜合評判法在鍋爐供暖系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估中的應(yīng)用[J]. 中國特種設(shè)備安全. 2017，33（6）：28-32，37.

[3]?劉文劍，吳湘濱，張惠，丁國華. 模糊層次性綜合評判模型對越嶺隧道開挖和支護(hù)方式的選擇初探[J]. 中南公路工程. 2006，31（1）：18-23.

（作者單位：東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院）