基于風光氣能源協(xié)同互補系統(tǒng)參數(shù)耦合研究

收稿日期：2022-09-07

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學校碳達峰碳中和研究專項項目（STZX202230）；國家自然科學基金（52368010）；內(nèi)蒙古自治區(qū)檔案科技項目

（2022-39）；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學?？茖W研究項目（NJZY21335）

通信作者：王文新（1976—），男，博士、教授，主要從事現(xiàn)代建筑節(jié)能方面的研究。wangwenxin@imut.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1344 文章編號：0254-0096（2023）12-0544-08

摘 要：提出3種結構不同的風能太陽能耦合天然氣多能互補供熱系統(tǒng)，結合全年太陽能測試數(shù)據(jù)及3年風能測試數(shù)據(jù)作為仿真模擬的邊界條件與真實可靠的數(shù)據(jù)支撐，構建TRNSYS仿真模型。以呼和浩特市郊區(qū)典型建筑為例，對3套系統(tǒng)進行模擬與分析得出：集熱效率與集熱面積、風力機額定功率呈一種二元Parabola函數(shù)關系，集熱效率隨集熱面積的增大而逐漸減小；燃氣壁掛爐熱效率隨集熱面積、風力機額定功率的變化不明顯；燃氣消耗量與集熱面積、風力機額定功率呈一種以e為底的二元指數(shù)函數(shù)關系，當系統(tǒng)集熱面積增加到一定數(shù)值后，燃氣消耗量驟減；對比3種結構系統(tǒng)，串聯(lián)系統(tǒng)較并聯(lián)系統(tǒng)更節(jié)省化石能源的使用，兩串聯(lián)結構相比，對于農(nóng)村典型建筑，出力順序為“燃氣壁掛爐→太陽能集熱器→風力機”的串聯(lián)結構系統(tǒng)更優(yōu)。

關鍵詞：太陽能集熱器；天然氣；集熱器效率；多能互補；風力機額定功率

中圖分類號：TK01""""""""" """"""""" "" 文獻標志碼：A

0 引 言

中國北方地區(qū)冬季長期采用傳統(tǒng)一次能源供暖，引發(fā)了一系列環(huán)境污染問題，清潔取暖是解決該問題的有效途徑。綜合能源系統(tǒng)相對于單一能源系統(tǒng)具有更加豐富的能量來源，且多應用清潔能源減少了化石能源的使用，可大大降低碳排放。因此，多種能源相互協(xié)同的供熱系統(tǒng)成為國內(nèi)外學者關注的熱點。耿直等［1］提出一種太陽能與風能互補的供暖方案，通過對供暖系統(tǒng)進行仿真分析得出，在供暖期間總體光學轉(zhuǎn)化效率呈先降低再升高的趨勢，最大光效率為68.89%；孫鳴等［2］以內(nèi)蒙古一小區(qū)為例，利用TRNSYS軟件建立由風電、儲熱水箱、燃氣組成的聯(lián)合供熱系統(tǒng)，通過分析風電場月均輸出功率、風電輸出功率與額定功率之比，驗證了系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性；李源［3］針對空氣源耦合燃氣壁掛爐、太陽能耦合燃氣壁掛爐等多種多能互補系統(tǒng)，利用示范項目實測數(shù)據(jù)，從能耗、經(jīng)濟、環(huán)境、技術4個方面對其進行了適宜性分析；Bellos等［4］和鄧鵬杰［5］將TRNSYS等計算機仿真軟件應用于多能互補系統(tǒng)優(yōu)化研究，優(yōu)化目標集中在系統(tǒng)設備容量、太陽能集熱器安裝角度等參數(shù)；寇廣孝等［6］研究了冷凝式壁掛爐輔助太陽能供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，通過對比此系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃氣壁掛爐和電加熱采暖系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)冷凝式壁掛爐輔助太陽能供熱系統(tǒng)的年運行成本最低。

目前，針對內(nèi)蒙古中部地區(qū)的多能互補系統(tǒng)研究中多數(shù)只含有單一的太陽能或風能，忽略了強大的可再生能源開發(fā)潛力。天然氣補充風能太陽能的多能源互補供能系統(tǒng)在呼和浩特地區(qū)有較大的應用優(yōu)勢，但目前關于上述系統(tǒng)的研究較少，且缺少具體運行參數(shù)之間的耦合研究?；诖耍疚尼槍艉秃铺厥薪紖^(qū)天然氣補充風能太陽能供熱系統(tǒng)進行仿真模擬。通過調(diào)研與實驗研究為仿真模擬提供邊界條件與真實可靠的數(shù)據(jù)支撐。設計選擇適合郊區(qū)農(nóng)村居住建筑的多能互補供熱系統(tǒng)控制方法，研究多能互補供熱系統(tǒng)太陽能集熱器效率、燃氣消耗量等運行參數(shù)與系統(tǒng)各參數(shù)的耦合關系，以期為相關系統(tǒng)的設計提供依據(jù)，同時為今后相關多能源供熱系統(tǒng)的深入研究提供參考。

1 系統(tǒng)描述

1.1 建筑概況

呼和浩特市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，屬于太陽能豐富Ⅱ區(qū)，且其風能潛力巨大，擁有豐富的可再生能源。因其位于嚴寒C類地區(qū)，冬季寒冷漫長，每年供暖需求量約為5個月［7］。本文根據(jù)對呼和浩特市周邊4個村落的實際調(diào)研結果，確立以某農(nóng)村典型建筑為研究對象，建筑面積60 m2，建筑平面圖如圖1所示，設定供暖時間為10月15日—次年4月15日。建筑外窗采用塑鋼窗，雙層玻璃，墻體保溫材料為聚苯板。建筑模型中各項參數(shù)均以實際調(diào)研為參考。

1.2 系統(tǒng)原理構成

天然氣補充風能太陽能供熱系統(tǒng)的構成與連接方式如圖2所示。太陽能供熱系統(tǒng)間接式連接，采用平板型集熱器，集熱器中循環(huán)工質(zhì)為乙二醇溶液。集熱器正南擺放，傾角為50.82 °。針對內(nèi)蒙古地區(qū)，加入風能后的多能互補供熱系統(tǒng)經(jīng)濟效益有顯著提高［8-10］，因城郊地區(qū)住宅的風電裝機容量有限，其產(chǎn)生的熱能大部分能儲存于蓄熱水箱中，故不設置風電蓄電池。依據(jù)標準規(guī)范［11］，太陽能供熱系統(tǒng)中，其蓄熱單元應能夠容納1～7 d的蓄熱量，水箱內(nèi)的最高溫度不得

超過沸點以下5 ℃。在考慮蓄熱單元的蓄熱能力、所儲能量品味以及系統(tǒng)安全性后，設定水箱的體積為1 m3。

2 模型建立

2.1 實驗數(shù)據(jù)支撐

為向仿真模型提供更加真實可靠的數(shù)據(jù)支撐，進行大量相關實驗研究。太陽能測試實驗地點位于內(nèi)蒙古工業(yè)大學土木工程學院樓頂，采用PC-2-T2型光伏電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對太陽能進行為期一年的測試，并對太陽能資源進行時間特性分析。結果表明，在供暖期內(nèi)太陽能輻射量最高的月份為4月份，月平均輻射量為248.67 W/m2，最低月份為12月份，月平均輻射量為116.26 W/m2。風能實驗地點選取為內(nèi)蒙古工業(yè)大學能源基地，搭建實驗平臺，采用ZephIR ZX 300型激光雷達對風資源進行為期3年的測試，并進行時空特性分析。結果表明，2、4、11月份的平均風速較高，其中2月份平均風速最大，在19 m處達到3.05 m/s。供暖期熱負荷產(chǎn)生時間與風資源時間匹配度較好，具有較大的風資源利用潛力。搭建實驗平臺，對蓄熱水箱的保溫性能與水箱內(nèi)換熱盤管的換熱性能進行實驗研究，實驗流程以及儀器選用嚴格依據(jù)水箱測試標準［12］。計算得出水箱的綜合換熱熱阻為0.317 K/W，盤管換熱系數(shù)為1100.66 W/K。以上3組實驗為仿真模擬提供了關鍵設備參數(shù)與真實數(shù)據(jù)支撐。

2.2 仿真模型構建

本文創(chuàng)建了3種農(nóng)村多能互補供熱系統(tǒng)控制方法，構建了3套仿真模型，3套仿真系統(tǒng)按照熱源運行方式分為串聯(lián)式與并聯(lián)式兩種，其中串聯(lián)式根據(jù)熱源的出力順序又分為串聯(lián)GSW式與串聯(lián)SGW式。串聯(lián)GSW出力順序為“燃氣壁掛爐→太陽能集熱器→風力機”，仿真模型如圖3所示；串聯(lián)

SGW出力順序為“太陽能集熱器→燃氣壁掛爐→風力機”，仿真模型如圖4所示；并聯(lián)結構燃氣壁掛爐和平板集熱器通過各自的循環(huán)回路分別向水箱供能，仿真模型如圖5所示。

模型的建立基于TRNSYS模擬平臺。所使用關鍵核心組件為：Type156儲熱水箱，Type15天氣文件處理器，Type 2b控制器，Type 1b平板式太陽能集熱器，Type 751燃氣壁掛爐，Type 682負荷組件，Type 9a數(shù)據(jù)讀取組件。

2.3 系統(tǒng)控制策略

本文中所有仿真計算時長均為1 a，共計8760 h，仿真計算的時間步長設置為1 h。

串聯(lián)GSW模型：當供暖開始時，室內(nèi)溫度較低，水箱溫度接近室內(nèi)溫度，開啟熱源側循環(huán)泵，啟動燃氣壁掛爐，壁掛爐始終運行在45～47 ℃進水溫度區(qū)間，在加熱一段時間后，當水箱溫度超過控制策略設定的2 ℃上死區(qū)溫度后，停止加熱，循環(huán)往復。當水箱溫度低于80 ℃，太陽能集熱器進出水溫差大于2 ℃時，開啟三通閥Type 11f流向太陽能集熱器通路，否則關閉通路；水箱溫度低于80 ℃時啟動風力機，相反則關閉。

串聯(lián)SGW模型：為避免由于控制策略差異導致計算結果的不同，該系統(tǒng)設置與GSW系統(tǒng)相同的控制原理。

并聯(lián)模型：供暖期開始，水箱溫度較低，各組件判斷是否開啟各自循環(huán)水泵。當水箱溫度低于45 ℃時，開啟燃氣壁掛爐；當平板集熱器回水溫度高于水箱內(nèi)水溫且水箱溫度低于80 ℃時，啟動運行太陽能集熱器；當風力機滿足運行要求，且水箱溫度低于80 ℃時，啟動風力機。

3 模擬結果與分析

對于多能源供熱系統(tǒng)參數(shù)之間的耦合研究是研究系統(tǒng)運行的關鍵。本文針對所搭建系統(tǒng)，著重探究太陽能集熱器熱效率、壁掛爐熱效率、燃氣消耗量各運行參數(shù)與系統(tǒng)集熱面積、風力機額定功率的關系。使用兼顧直觀性和精確性的曲面擬合方法得到高擬合優(yōu)度的函數(shù)表達式。

3.1 太陽能集熱效率分析

3.1.1 串聯(lián)GSW系統(tǒng)模式

串聯(lián)GSW系統(tǒng)模式下，集熱器熱效率隨風力機額定功率、太陽能集熱器集熱面積的變化如圖6所示。

圖6中[x]軸為風力機額定功率，[y]軸為集熱面積，z軸為集熱器熱效率，圓點為當前模式下整個仿真模擬運行期間集熱器熱效率平均值，曲面為擬合所得結果。擬合得出集熱器熱效率與集熱面積、風力機額定功率的函數(shù)關系式為：

[ηs=0.47-20.76P-0.01A-P2+0.16A2]" （1）

式中：[ηs]——集熱器光熱效率；[P]——風力機額定功率，[kW]；[A]——太陽能集熱器集熱面積，[m2]。

多能互補供熱系統(tǒng)中集熱效率與集熱面積、風力機額定功率呈一種二元Parabola函數(shù)關系。通過分析得知，當集熱面積小于4 m2時，流經(jīng)太陽能集熱器的熱介質(zhì)溫升不明顯，在未達到限定溫度時，燃氣壁掛爐繼續(xù)加熱，使得再次進入集熱器傳熱介質(zhì)的溫度升高，導致熱效率逐漸降低。當集熱面積一定時，隨著風力機額定功率的升高，集熱效率有所降低。集熱面積大于4 m2后，熱介質(zhì)經(jīng)過集熱器的加熱溫度升高明顯，此時達到燃氣壁掛爐的限定溫度后，壁掛爐無需啟動，集熱效率有所升高。當集熱面積大于6 m2，隨著集熱面積的逐漸增大，所接收的太陽能增多，水箱內(nèi)的熱介質(zhì)溫升明顯，使得集熱器進水溫度升高，熱效率有所降低。因此，在儲熱設備不變的情況下，更大的太陽能集熱面積將導致集熱器效率下降。

3.1.2 串聯(lián)SGW系統(tǒng)模式

串聯(lián)SGW系統(tǒng)結構下，集熱器熱效率隨風力機額定功率以及太陽能集熱器集熱面積的變化如圖7所示。擬合得出集熱器熱效率與集熱面積、風力機額定功率的函數(shù)關系如式（2）所示，[R2]大于97%。

[ηs=0.44-19P-0.01A+3.25P2-1.23A2]"""""" （2）

分析可知，當集熱面積一定時，隨著風力機額定功率的增大，集熱效率降低。集熱面積增大，集熱效率呈逐漸降低的趨勢。隨著集熱面積的增大，集熱器中的熱量以長波輻射的形式向天空散失的比例升高，特別是在北方寒冷的冬季，因此集熱效率隨之降低。

3.1.3 并聯(lián)系統(tǒng)模式

并聯(lián)系統(tǒng)模式下，集熱器熱效率隨風力機額定功率以及太陽能集熱面積的變化如圖8所示。圖中曲面為擬合結果，集熱器熱效率隨集熱面積、風力機額定功率的函數(shù)關系為：

[ηs=0.43-14.12P-0.01A-1.54P2+0.05A2]"" （3）

分析可知，并聯(lián)模式下集熱效率隨集熱面積、風力機額定功率的整體變化趨勢與上述兩系統(tǒng)相同。當集熱面積小于20 m2時，隨著集熱面積的增大，集熱效率下降速率較大。這是由于更大的集熱面積使得傳熱介質(zhì)所獲太陽能增多，使水箱溫度上升，集熱器進水溫度升高，集熱效率下降。當集熱面積大于30 m2后，集熱效率下降速率放緩，這是由于更大的集熱面積使得水箱中的水溫達到上限值后，系統(tǒng)的集熱部分將停止運行，隨著面積的增大，水箱中水溫并不會無限升高，因此集熱效率下降速率變緩。

3.2 燃氣壁掛爐熱效率分析

燃氣壁掛爐熱效率為燃氣所加熱的循環(huán)工質(zhì)獲得的熱量與燃氣消耗熱量的比值，其計算式為：

[ηb=cρqTset-TiqGVG]"""""" （4）

式中：[ηb]——壁掛爐熱效率；[c]——循環(huán)工質(zhì)的比熱，[J/K?kg]；[q]——循環(huán)工質(zhì)流量，[m3/s]；[Tset]——出水溫度，[K]；[Ti]——進水溫度，[K]；[qG]——燃氣熱值，[J"/m3]；[VG]——燃氣體積流量，[m3/s]。

圖9為3種模式下整個仿真模擬運行期間壁掛爐熱效率平均值。由于燃氣壁掛爐始終運行在45～47 ℃的進水溫度區(qū)間，故在不同風力機額定功率下，隨著太陽能集熱面積的增大，熱效率的變化不明顯，且風力機額定功率的影響也相對較小，整體變化幅度不超過1%。

雖然燃氣壁掛爐熱效率變化不明顯，但發(fā)現(xiàn)不同模式下供暖期間燃氣消耗量與風力機額定功率、集熱面積存在一定的函數(shù)關系。

3.2.1 串聯(lián)GSW系統(tǒng)模式

串聯(lián)GSW系統(tǒng)模式下，燃氣消耗" 量隨風力機額定功率以及太陽能集熱面積的變化如圖10所示。燃氣消耗量與集熱面積、風力機額定功率的函數(shù)關系如式（5）所示。

[Vg=6.08+327.01exp-P87.65exp-A4.16]"""" （5）

式中：[Vg]——供暖期燃氣消耗量，m3。

多能互補供熱系統(tǒng)中供暖期燃氣消耗量與集熱面積、風力機額定功率呈一種以e為底的二元指數(shù)函數(shù)關系。特別注意的是，當太陽能集熱面積增大到10 m2時，燃氣消耗量驟減。

3.2.2 串聯(lián)SGW系統(tǒng)模式

串聯(lián)SGW系統(tǒng)模式下，燃氣消耗量隨風力機額定功率以及太陽能集熱面積的變化如圖11所示。燃氣消耗量與集熱面積、風力機額定功率的函數(shù)關系為：

[Vg=3.96+319.48exp-P71.27exp-A5.44]"""" （6）

式（6）中，[P]的系數(shù)與[A]的系數(shù)的大小影響[Vg]隨[P]與[A]變化的敏感度，系數(shù)越大敏感度越低。在串聯(lián)系統(tǒng)中，燃氣消耗量的風力機額定功率敏感度SGW工況強于GSW工況約22.98%；而集熱器面積[A]敏感度則相反，GSW工況強于SGW工況約30.77%。

3.2.3 并聯(lián)系統(tǒng)模式

并聯(lián)系統(tǒng)模式下，燃氣消耗量隨風力機額定功率以及太陽能集熱面積的變化如圖12所示。燃氣消耗量與集熱面積、風力機額定功率的函數(shù)關系為式（7）：

[Vg=4.15+354.09exp-P120.09exp-A6.87]"" （7）

并聯(lián)結構相較于串聯(lián)結構，在燃氣消耗量方面不論是[P]的敏感度還是[A]的敏感度均更弱，體現(xiàn)在擬合曲面上，曲面整體更加平緩。

通過對以上3套系統(tǒng)進行分析發(fā)現(xiàn)，當系統(tǒng)集熱面積增大到一定數(shù)值后，燃氣消耗量驟減，之后的燃氣消耗速率明顯降低?？梢娂療崦娣e的選擇對減少化石能源的使用，減少碳排放量有重要作用。

4 系統(tǒng)結構選擇

為了盡可能減少化石能源的使用，本文對比了3種系統(tǒng)的燃氣消耗量。經(jīng)過計算分析得出，在各種風力機額定功率與集熱面積的組合下，并聯(lián)結構的燃氣消耗量均大于兩種串聯(lián)系統(tǒng)，不同設備容量配置下燃氣消耗量增加的比例為11%～65%。為對比兩種串聯(lián)系統(tǒng)模式在供暖期的燃氣消耗量，將擬合公式（式（6）與式（5））做差，得出不同風力機額定功率與集熱面積下兩系統(tǒng)燃氣消耗量差值，如圖13所示。

由圖13可知，在不同風力機額定功率下，隨著太陽能集熱面積的增大，燃氣消耗量差值逐漸減小。當集熱面積小于24 m2時差值曲線位于零差值線上方，即SGW結構燃氣消耗量大于GSW結構燃氣消耗量，此時宜選用GSW結構。當集熱面積大于24 m2時差值曲線位于零差值線下方，即GSW結構燃氣消耗量大于SGW結構燃氣消耗量，此時宜選用SGW結構。

5 結 論

本文以呼和浩特市農(nóng)村郊區(qū)典型建筑為例，創(chuàng)建了3套多能源互補供熱系統(tǒng)并進行了模擬與分析，得出以下結論：

1）擬合得出多能互補供熱系統(tǒng)運行參數(shù)間函數(shù)關系式，量化參數(shù)間變化規(guī)律。太陽能集熱效率與集熱面積、風力機額定功率呈一種二元Parabola函數(shù)關系。

2）供暖期燃氣消耗量與太陽能集熱面積、風力機額定功率呈一種以e為底的二元指數(shù)函數(shù)關系。運行參數(shù)間更清晰的數(shù)學表達與量化后的變化規(guī)律可為相關系統(tǒng)設計、能源配比研究提供參考依據(jù)。

3）為減少化石能源的消耗，減少碳排放量，對比3種系統(tǒng)，得出串聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)于并聯(lián)系統(tǒng)。兩種串聯(lián)系統(tǒng)相比發(fā)現(xiàn)，太陽能集熱器面積大于24 m2時，SGW結構燃氣消耗量更少；小于24 m2時，GSW結構燃氣消耗量更少。農(nóng)村典型建筑供熱系統(tǒng)中，太陽能集熱面積建議在10 m2左右，在保證太陽能集熱效率的同時燃氣消耗量也較低，故采用GSW結構系統(tǒng)最優(yōu)。

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RESEARCH ON PARAMETER COUPLING OF WIND， SOLAR AND NATURAL GAS ENERGY COOPERATIVE COMPLEMENTARY SYSTEMS

Wang Wenxin1，2，Zhang Shan1，Qin Chaofan1，Chen Chaoxi1

（1. College of Civil Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010051， China；

2. Inner Mongolia Autonomous Region Key Laboratory of Wind and Solar Energy Utilization Mechanism and Optimization， Hohhot 010051， China ）

Abstract：In this study， three types of wind and solar coupled natural gas multi-energy complementary heating systems with different structures are proposed， and a TRNSYS simulation model is constructed by combining annual solar test data and 3-year wind energy test data as boundary conditions for simulation and real and reliable data support. Taking typical buildings in the suburbs of Hohhot as an example， it can be concluded from the simulation and analysis of 3 systems： there is a binary Parabola function relationship between heat collection efficiency， heat collection area， and wind turbine rated power. The heat collection efficiency gradually decreases as the heat collection area increases； the thermal efficiency of a gas wall-mounted furnace does not change significantly with the heat collection area and the rated power of the wind turbine； there is a binary consumption index function based on e among gas consumption， heat collection area， rated power of wind turbine. The gas consumption decreases sharply when the heat collection area of the system increases to a certain value. By comparing these three-type structural systems， series systems can save more fossil energy usage than that of parallel systems. Compared to the two series structures， the GSW structural system with the output sequence “gas wall-mounted furnace → solar collector → wind turbine” is better for typical buildings in rural areas.

Keywords：solar collector； natural gas； collector efficiency； multi-energy complementary； wind turbine rated power