太陽能-生物質(zhì)能-谷電蓄熱聯(lián)合供暖系統(tǒng)研究

崔海亭，張良銳，馬康樂，張欣悅

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018)

太陽能-生物質(zhì)能-谷電蓄熱聯(lián)合供暖系統(tǒng)在供暖方面以及在未來能源結(jié)構(gòu)中都具備較為明顯的優(yōu)勢與潛力。基于上述文獻的研究，本文以石家莊市某高校熱能工程實驗室為研究對象，采用模擬與實驗相結(jié)合的方法對聯(lián)合供暖系統(tǒng)進行研究，為系統(tǒng)在石家莊地區(qū)的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理

該聯(lián)合供暖系統(tǒng)主要由太陽能供暖單元、生物質(zhì)鍋爐供暖單元、谷電蓄熱供暖單元、末端采暖單元等組成。其主要部件包括太陽能集熱器、集熱水箱、生物質(zhì)鍋爐、電加熱器、相變蓄熱水箱、循環(huán)水泵、閥門、采暖末端。太陽能集熱器作為主要熱源，將熱量通過生物質(zhì)鍋爐傳遞至末端裝置，以滿足室內(nèi)供暖負荷的需求，其熱量可以以顯熱形式存儲在集熱水箱或以潛熱的形式存儲在相變蓄熱水箱中，在太陽輻射較弱的時候進行供熱；電加熱器在供暖季夜間低谷電時段供暖，供暖同時保障相變蓄熱水箱蓄熱，在峰電時段放熱；生物質(zhì)鍋爐作為輔助熱源，對不滿足供暖要求的供水進行補熱，確保送入末端的供水達到供暖要求。本文系統(tǒng)中太陽能與生物質(zhì)鍋爐直接耦合，整個系統(tǒng)中為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the system

1.2 系統(tǒng)運行邏輯

供暖末端的供暖控制是用控制器監(jiān)控每個房間的室內(nèi)溫度，若房間溫度低于17 ℃時，開啟熱水進入末端的閥門對房間進行加熱，當室內(nèi)溫度被加熱到20 ℃時，關(guān)閉閥門。根據(jù)氣象條件、末端供暖控制與分時電價政策，該系統(tǒng)可實現(xiàn)多種運行模式的切換，主要包括太陽能直接供暖模式、集熱模式、集熱水箱供暖模式、集熱器給相變蓄熱水箱蓄熱模式、低谷電蓄熱供暖模式、相變蓄熱水箱供暖模式、生物質(zhì)鍋爐輔助加熱模式。

1)太陽能直接供暖模式(模式1) 當太陽能集熱器集熱量只能滿足供暖需求或集熱水箱與相變蓄熱水箱中溫度已經(jīng)很高時，太陽能只進行供暖。模式的控制方式：開啟集熱循環(huán)泵P1、采暖循環(huán)泵P3、電動閥V5和V10。

2)集熱水箱集熱模式(模式2) 當集熱器出水溫度與集熱水箱出水溫度差值高于6 ℃時，集熱泵啟動，集熱器開始給集熱水箱蓄熱，當集熱器出水溫度減去集熱水箱底部水溫小于2 ℃時，關(guān)閉集熱泵。模式的控制方式：開啟集熱循環(huán)泵P1、電動閥V1和V2。

3)集熱水箱供暖模式(模式3) 當需要供暖、集熱水箱頂部水溫高于50 ℃、且相變蓄熱水箱沒有供暖時，集熱水箱開始供暖時，將供暖回水進行分流控制，一部分回水進入集熱水箱，另一部分回水直接旁通到供水側(cè)與集熱水箱出水進行混合，混合到45 ℃，再進行供暖。當集熱水箱頂部的水溫小于45 ℃，或者相變蓄熱水箱開始供暖時，關(guān)閉集熱水箱供暖。模式的控制方式：開啟采暖循環(huán)泵P3、電動閥V3，V4和V10。

4)太陽能集熱器給相變蓄熱水箱蓄熱模式(模式4) 當集熱水箱頂部水溫高于60 ℃，且相變蓄熱水箱沒有向建筑供暖時，向相變蓄熱水箱進行蓄熱，關(guān)閉集熱水箱蓄熱。當集熱水箱頂部溫度小于60 ℃或者相變蓄熱水箱在向建筑供暖時，關(guān)閉向相變蓄熱水箱，開啟向集熱水箱蓄熱。模式的控制方式：開啟集熱循環(huán)泵P1、電動閥V5，V8和V11。

5)低谷電蓄熱供暖模式(模式5) 當處于谷價電時，電加熱器給相變蓄熱水箱蓄熱，同時也進行供暖，此時為了保證蓄熱溫度，電加熱器供熱溫度設(shè)定為50 ℃。當不在谷價電時，關(guān)閉電加熱器。模式的控制方式：開啟蓄熱循環(huán)泵P2、采暖循環(huán)泵P3、電動閥V7，V8，V9，V10和V11。

6)相變蓄熱水箱供暖模式(模式6) 當處于峰價電、需要供暖、且相變蓄熱水箱的出水溫度大于45 ℃時，相變蓄熱水箱開始供暖。當不處于峰價電、或者不需要供暖、或者相變蓄熱水箱的出水溫度小于45 ℃時，關(guān)閉相變蓄熱水箱供暖。模式的控制方式：開啟采暖循環(huán)泵P3，電動閥V7，V10和V11。

7)生物質(zhì)鍋爐輔助加熱模式(模式7) 在供暖期間，若進入鍋爐的水溫小于45 ℃，會開啟輔助加熱，將供水加熱到45 ℃，然后出水供暖。當室內(nèi)環(huán)境溫度高于20 ℃時，將關(guān)閉鍋爐。該模式主要對上述的供暖模式供暖不足時進行補熱。模式的控制方式：開啟采暖循環(huán)泵P3、電動閥V6。

根據(jù)上文運行模式分析，聯(lián)合系統(tǒng)運行邏輯圖如圖2所示。

圖2 聯(lián)合供暖系統(tǒng)運行邏輯圖Fig.2 Logic diagram of the combined heating system operation

1.3 建筑概況

石家莊市屬于寒冷地區(qū)，供暖期為每年11月15日至次年3月15日，采暖設(shè)計溫度為18 ℃。本文供暖設(shè)計對象為河北科技大學熱能工程實驗室，該實驗室為單體式建筑，長12.5 m、寬8 m、高5 m，面積為100 m2。利用TRNSYS軟件中的TRNbuild模塊對實驗室進行供暖期內(nèi)逐時熱負荷計算，得到圖3所示供暖期實驗室逐時熱負荷和逐時熱指標。

根據(jù)室外氣溫以及采暖熱負荷，可以將整個供暖期劃分為供暖初期(11月15日—12月15日)、供暖中期(12月16日—2月25日)、供暖末期(2月26日—3月15日)3個時期。由圖3可知，在供暖初期與供暖末期逐時熱負荷較低，相應(yīng)的供熱指標也較??；供暖中期室外溫度較低，太陽輻射降低，采暖需求明顯增加，且供暖期熱負荷峰值出現(xiàn)在1月14日，最大逐時熱負荷為5.894 kW，最大逐時熱指標為58.9 W/m2。

圖3 供暖季逐時熱負荷與逐時熱指標Fig.3 Hour-by-hour heat load and hour-by-hour heat index in heating season

本文系統(tǒng)涉及到太陽能、生物質(zhì)能和低谷電的綜合利用，并且涉及到室外氣象條件變化，本文以TRNSYS(transient system simulation program)為平臺，搭建系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型。其仿真模型如圖4所示。

圖4 仿真模型圖Fig.4 Simulation model diagram

仿真模型的主要功能模塊包括：氣象數(shù)據(jù)、真空管太陽能集熱器(簡稱真空管集熱器)、集熱水箱、生物質(zhì)鍋爐、電加熱器、相變蓄熱水箱和控制模塊。仿真模型初始參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 聯(lián)合供暖系統(tǒng)性能評價模型

1)太陽能保證率[16]太陽能保證率是指太陽能集熱系統(tǒng)提供的有效熱量與建筑采暖所需熱負荷之比。

表1 系統(tǒng)模型主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the system model

(1)

式中：f為太陽能保證率，%；Qu為太陽能集熱系統(tǒng)提供的有用熱量，kW·h；Qc為建筑采暖耗熱量，kW·h。

2)系統(tǒng)供熱效率 從供需平衡的角度來說，送入末端的供熱量就是建筑的需熱量，供熱系統(tǒng)的效率應(yīng)該是能源供入末端的能量與太陽能采光面輻照量加生物質(zhì)燃料量加耗電量和的比值。

(2)

式中：ηs為系統(tǒng)供熱效率；Qr為太陽能集熱器吸收的太陽能輻照量，kW·h；Qnet為生物質(zhì)顆粒燃燒熱值，kJ/kg；Qd為電的發(fā)熱值，kJ/(kW·h)；A為耗電量，kW·h；B為生物質(zhì)消耗量，kg。

3)費用年值[17]對于供暖系統(tǒng)，除了考慮系統(tǒng)整體性能外，系統(tǒng)的經(jīng)濟性也是十分重要的，而費用年值法是對系統(tǒng)經(jīng)濟性能進行客觀評價的有效方法。費用年值法可以在不同的方案下，對系統(tǒng)使用壽命、年運行費用、系統(tǒng)初投資進行客觀的經(jīng)濟性分析，以確定最佳的方案。其計算公式為

(3)

式中：Z為費用年值，元；L0為系統(tǒng)初投資，元；C為運行費用，元；r為折現(xiàn)率，取0.05；n為使用年限，取15。

綜合石家莊市當前物價以及民用供暖設(shè)備單價，選取的各部分設(shè)備單價明細如表2所示。

表2 設(shè)備單價明細Tab.2 Equipment unit price details

2.2 供水溫度對系統(tǒng)性能影響

研究供水溫度為40，45，50，55，60 ℃時，對聯(lián)合供暖系統(tǒng)的影響。圖5和圖6為系統(tǒng)供熱量隨供水溫度變化圖和系統(tǒng)能耗隨供水溫度變化圖。

圖5 系統(tǒng)供熱量隨供水溫度的變化Fig.5 Variation of system heat supply with the water supply temperature

圖6 系統(tǒng)能耗隨供水溫度的變化Fig.6 Variation of system energy consumption with the water supply temperature

由圖5和圖6可知，隨著聯(lián)合供暖系統(tǒng)供水溫度在40～60 ℃逐漸升高，太陽能有效供熱量呈現(xiàn)下降的趨勢，生物質(zhì)鍋爐和低谷電供熱量呈現(xiàn)升高趨勢。因為太陽能集熱器接受輻照量是一定的，隨著聯(lián)合供暖系統(tǒng)供水溫度逐漸升高，集熱器出水溫度與集熱水箱底部水溫差值降低，集熱水箱中的熱量不能及時輸送到供暖末端，太陽能有效集熱量逐漸下降，導致進入末端的太陽能熱量減少，從而導致太陽能有效供熱量降低。此時，將開啟生物質(zhì)鍋爐進行補熱，以滿足采暖末端供暖需求，生物質(zhì)鍋爐供熱量增大；同時，聯(lián)合供暖系統(tǒng)供水溫度逐漸升高導致太陽能對相變蓄熱水箱的蓄熱量也減少，夜間低谷電對相變蓄熱水箱蓄熱量將增加。當系統(tǒng)供水溫度從40 ℃上升到60 ℃時，太陽能系統(tǒng)有效供熱量減少了1 082.65 kW·h，生物質(zhì)鍋爐供熱量增加了1 137.67 kW·h；低谷電蓄熱量增加了393.37 kW·h；生物質(zhì)消耗量增加了334.63 kg，耗電量增加了414.07 kW·h。

圖7顯示了系統(tǒng)效率隨供水溫度的變化情況。由圖7可知，系統(tǒng)供水溫度在40～60 ℃逐漸升高，聯(lián)合供暖系統(tǒng)供熱效率、太陽能保證率變化趨勢基本相同；在40～50 ℃時，下降趨勢緩慢；在50～60 ℃時，下降趨勢加快。因為在太陽能輻照條件一定的情況下，隨著系統(tǒng)供水溫度升高，太陽能集熱器出水溫度與水箱出水溫度間溫差減小，太陽能有效利用熱量將逐漸減少，供熱效率和太陽能保證率均減小，當聯(lián)合供暖系統(tǒng)供水溫度在40～60 ℃變化時，聯(lián)合供暖系統(tǒng)供熱效率降低了11.08%，太陽能保證率降低了23.35%。

圖7 系統(tǒng)效率隨供水溫度的變化Fig.7 Variation of system efficiency with the water supply temperature

2.3 集熱器面積對聯(lián)合供暖系統(tǒng)的影響

圖8和圖9為集熱器面積對聯(lián)合供暖系統(tǒng)供熱量和系統(tǒng)能耗的影響，當集熱器面積從20 m2增大到40 m2時，太陽能有效供熱量隨著集熱器面積增大而增大，增大趨勢有所減緩，生物質(zhì)鍋爐和低谷電供熱量則隨著集熱器面積增大而減小，相應(yīng)的生物質(zhì)消耗量和耗電量也減小。因為隨著集熱器面積增大，太陽能有效利用熱量增加，進入供暖末端的太陽能熱量增大，即太陽能供熱量增大，水箱蓄熱能力有限，太陽能熱量不能充分的儲存，使得集熱器熱損失增加，太陽能有效利用熱量增加趨勢減緩；供暖末端耗熱量不變，太陽能有效供熱量增大，則生物質(zhì)鍋爐供熱量相應(yīng)減少，低谷電夜間蓄熱量也相應(yīng)減小。當集熱器面積從20 m2增大到40 m2時，太陽能有效供熱量增加了2 879.26 kW·h，生物質(zhì)鍋爐供熱量減少了1 699.97 kW·h，低谷電供熱量減少了865.74 kW·h；生物質(zhì)消耗量減少了500.02 kg，耗電量減少了911.30 kW·h。

圖8 供熱量隨集熱器面積的變化Fig.8 Variation of heat supply with collector area

圖9 系統(tǒng)能耗隨集熱器面積的變化Fig.9 Variation of system energy consumption with collector area

圖10 太陽能保證率和供熱效率隨集熱器 面積的變化Fig.10 Variation of solar assurance and heating efficiency with collector area

對系統(tǒng)的供熱效率和太陽能保證率進行分析，由圖 10可知，隨著集熱器面積的增大，太陽能保證率逐漸增加，供熱效率逐漸降低。因為在太陽能供熱時段，供暖末端耗熱量不變，太陽能有效供熱量增加，太陽能保證率增加。隨著集熱器面積的增加，集熱系統(tǒng)接受輻照量增加，雖然系統(tǒng)總能耗減少，但進入系統(tǒng)的總熱量增加，從而降低了聯(lián)合供暖系統(tǒng)供熱效率。當集熱器面積從20 m2增大到40 m2時，太陽能保證率增加25.99%，供熱效率降低了2.11%。圖11為系統(tǒng)費用年值隨面積的變化情況，太陽能集熱器占系統(tǒng)初投資比重較大，隨著集熱器面積增大，集熱器的初投資呈線性增大，運行費用呈單調(diào)減小趨勢，系統(tǒng)費用年值呈單調(diào)增加趨勢，當集熱器面積從20 m2增大到40 m2時，運行費用減少了628.57元，費用年值增加了390.66元。

圖11 費用年值隨集熱器面積的變化Fig.11 Variation of annual value of costs with collector area

2.4 集熱水箱容積對聯(lián)合供暖系統(tǒng)的影響

集熱水箱容積對聯(lián)合供暖系統(tǒng)供熱量和系統(tǒng)能耗的影響如圖12和圖13所示，當集熱水箱容積從1.5 m3增大到4 m3時，隨著集熱水箱容積的增大，太陽能有效供熱量增加，相應(yīng)的生物質(zhì)鍋爐供熱量減少，生物質(zhì)消耗量減少，但低谷電供熱量增加。因為隨著集熱水箱容積的增大，儲存的太陽能熱量增加，太陽能集熱系統(tǒng)對相變蓄熱水箱的蓄熱量減少，夜間低谷電蓄熱量增加，耗電量也隨之增加。當集熱水箱容積增加到2.5 m3時，其太陽能有效供熱量增加趨勢減緩，因為集熱器有效集熱量是一定的，集熱水箱容積增大，熱損也會增大，水箱有效集熱量減少，其有效供熱量增長趨勢減緩。集熱水箱容積從1.5 m3增大到4 m3時，太陽能有效供熱量增加了786.57 kW·h，生物質(zhì)鍋爐供熱量減少了583.31 kW·h，低谷電供熱量增加了410.04 kW·h；生物質(zhì)消耗量減少了171.57 kg，耗電量增加了430.62 kW·h。

圖12 供熱量隨集熱水箱容積的變化Fig.12 Variation of heat supply with volume of hot water collection tank

圖13 系統(tǒng)能耗隨集熱水箱容積的變化Fig.13 Variation of system energy consumption with the volume of the hot water collection tank

對圖14中系統(tǒng)的供熱效率和太陽能保證率進行分析可知，隨著集熱水箱容積的增大，太陽能保證率和供熱效率呈增大趨勢。因為隨著集熱水箱容積的增大，水箱集熱量和供熱量增加，供暖末端耗熱量不變，太陽能有效供熱量增加，太陽能保證率增加。隨著集熱水箱容積的增加，集熱系統(tǒng)接受輻照量不變，系統(tǒng)總能耗減少，進入系統(tǒng)的總熱量減小，聯(lián)合供暖系統(tǒng)供熱效率增加。集熱水箱容積從1.5 m3增大到4 m3時，太陽能保證率增加8.67%，供熱效率增加了4.31%。對圖15系統(tǒng)的費用年值進行分析可知，集熱水箱容積占系統(tǒng)初投資比重較小，隨著集熱水箱容積增大，系統(tǒng)初投資增加，運行費用先減小后增大，系統(tǒng)費用年值先減小后增大，集熱水箱容積為2 m3時，其費用年值最低，為5 395.54元。

圖14 供熱效率和太陽能保證率隨集熱水箱 容積的變化Fig.14 Variation of heating efficiency and solar assurance rate with the volume of the hot water collection tank

圖15 費用年值隨集熱水箱容積的變化Fig.15 Variation of annual value of costs with the volume of the hot water collection tank

3 實驗驗證

3.1 實驗平臺的搭建

根據(jù)上文模擬分析，相關(guān)實驗設(shè)備根據(jù)表1進行選取，圖16為本聯(lián)合供暖系統(tǒng)的實驗平臺組成圖，系統(tǒng)的散熱末端選用風機盤管，其中相變蓄熱小球有序地放置在相變水箱中。實驗測試的主要數(shù)據(jù)有溫度、熱量、生物質(zhì)消耗量、低谷電耗電量、泵耗電量。

圖16 實驗平臺組成圖Fig.16 Layout of experimental equipment

3.2 聯(lián)合供暖系統(tǒng)運行性能分析

2022-01-05至2022-01-09進行聯(lián)合供暖系統(tǒng)測試，期間日照充足，晝夜溫差較大，有利于研究系統(tǒng)整體性能測試。圖17為測試期間室外氣象參數(shù)，1月5日太陽能輻射強度相對較高，日照充足，太陽能集熱器正常啟動，測試聯(lián)合供暖系統(tǒng)的末端供水溫度、相變水箱出水溫度、室內(nèi)溫度以及集熱水箱溫度變化，分析系統(tǒng)運行性能，溫度變化如圖18所示。

圖17 測試期間室外氣象參數(shù)Fig.17 Outdoor meteorological parameters during the test

圖18 系統(tǒng)運行溫度變化圖Fig.18 Graph of system operation temperature change

由圖18可知，生物質(zhì)鍋爐具有良好的水溫調(diào)節(jié)能力，供水溫度在白天設(shè)定為45 ℃，夜間低谷電時段為了滿足相變蓄熱，將供水溫度設(shè)定為50 ℃，供水溫度在系統(tǒng)運行過程中變化幅度較小，在各設(shè)備交換啟停過程時段略有波動。太陽能集熱系統(tǒng)在8:40到16:40正常運行，太陽能集熱器運行時段，室溫持續(xù)升高，到14:00達到21 ℃。谷電時段因為夜間溫度較低，系統(tǒng)受環(huán)境因素影響較大，此時室溫維持在19 ℃左右。聯(lián)合供暖系統(tǒng)測試日內(nèi)平均溫度為19.76 ℃，而寒冷地區(qū)冬季供暖室內(nèi)設(shè)計溫度為18～24 ℃[18]，說明該聯(lián)合供暖系統(tǒng)能夠達到采暖要求，具有良好的熱舒適性。

3.3 聯(lián)合供暖系統(tǒng)熱效率分析

圖19為測試期間系統(tǒng)供熱效率和供熱指標的實驗值與模擬值對比圖。

圖19 測試期間供熱效率與供熱指標Fig.19 Heat supply efficiency and heat supply index during the test

由圖19可知，測試的實驗值均比模擬值偏高，因為測試期間日照充足，日照時間長，室內(nèi)溫度較高，使得實驗值整體高于模擬值。測試期間聯(lián)合供暖系統(tǒng)的供熱效率實驗值分別為65.85%，66.25%，66.00%，64.50%，68.30%，模擬值分別為65.05%，64.25%，63.36%，61.90%，62.19%；供暖熱指標實驗值分別為53.19，52.92，51.87，53.18，54.78 W/m2，模擬值分別為49.53，48.74，49.28，50.05，51.04 W/m2。系統(tǒng)平均供熱效率實驗值為66.20%，模擬值為63.36%，誤差為4.29%；平均供熱指標實驗值為53.19 W/m2，模擬值為49.92 W/m2，誤差為6.15%。

4 結(jié) 語

本文通過仿真模擬與實驗研究相結(jié)合的方法，對太陽能-生物質(zhì)能-谷電蓄熱聯(lián)合供暖系統(tǒng)進行了相關(guān)因素與系統(tǒng)運行性能的研究分析，得出以下結(jié)論。

1)通過仿真模擬分析，聯(lián)合供暖系統(tǒng)供水溫度從40 ℃升高至60 ℃，聯(lián)合供暖系統(tǒng)供熱效率降低了11.08%，太陽能保證率降低了23.35%；集熱器面積從20 m2增大到40 m2時，太陽能保證率增加了25.99%，供熱效率降低了2.11%，費用年值增加了390.66元；集熱水箱容積從1.5 m3增大到4 m3時，太陽能保證率增加了8.67%，供熱效率增加了4.31%，集熱水箱容積為2 m3時，其費用年值最低為5 395.54元。

2)通過研究分析，系統(tǒng)平均供熱效率實驗值為66.20%，模擬值為63.36%，誤差為4.29%；平均供熱指標實驗值為53.19 W/m2，模擬值為49.92 W/m2，誤差為6.15%。

3)通過實驗分析，太陽能-生物質(zhì)能-谷電蓄熱聯(lián)合供暖系統(tǒng)測試日內(nèi)平均溫度為19.76 ℃，能夠達到采暖要求，具有良好的熱舒適性。

由于聯(lián)合供暖系統(tǒng)影響因素較多，后續(xù)可以對系統(tǒng)各影響因素進行優(yōu)化分析，確定各影響因素對系統(tǒng)的影響程度，以便于對此聯(lián)合供暖系統(tǒng)開展更加深入的研究。