張東，李金平，張涵

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基于沼氣的熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)全工況模型與性能分析

張東1,2,3，李金平1,2,3，張涵1,2,3

（1蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅蘭州730050；2甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補供能系統(tǒng)重點實驗室，甘肅蘭州730050；3西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，甘肅蘭州730050）

為了解決我國城鎮(zhèn)化進程中日益增長的能源需求，高效循環(huán)利用有機廢棄物，緩解農(nóng)村環(huán)境污染問題，構(gòu)建了基于沼氣的內(nèi)燃機熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)，將生物質(zhì)厭氧發(fā)酵、內(nèi)燃機熱電聯(lián)產(chǎn)、補充熱源、用戶側(cè)需求等有機聯(lián)系起來建立系統(tǒng)全工況動態(tài)數(shù)學模型，并以蘭州地區(qū)5戶建筑面積226.8 m2的新農(nóng)村建筑為例，進行系統(tǒng)全年逐日供需能量平衡分析及性能分析。結(jié)果表明：寒冷地區(qū)新農(nóng)村建筑負荷與商業(yè)建筑存在明顯不同，冬夏季熱負荷差異大，全天電負荷波動很明顯；在充分考慮厭氧發(fā)酵生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化效率、熱量傳輸及換熱效率和火電廠發(fā)電效率的情況下，聯(lián)供系統(tǒng)全年一次能源利用率為37.85%；與傳統(tǒng)農(nóng)村分供系統(tǒng)相比，系統(tǒng)一次能源節(jié)約率為17.12%。系統(tǒng)性能分析結(jié)果可為我國生物質(zhì)沼氣集中熱電聯(lián)產(chǎn)在村鎮(zhèn)的規(guī)?；瘧锰峁┮欢ɡ碚撘罁?jù)。

生物燃料；發(fā)酵；熱電氣聯(lián)供；動態(tài)建模；性能分析；一次能源節(jié)約率

引 言

我國農(nóng)村地域廣闊、人口眾多，隨著人們生活水平的不斷提高和城鎮(zhèn)化進程的加快，農(nóng)村用能（熱負荷、冷負荷與電負荷）呈現(xiàn)迅猛增長趨勢。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院預測，到2020 年中國農(nóng)村居民生活用能需求量為(2.95～3.75)×108tce，CO2排放量將達(2.49～3.36)×108t[1]。同時，我國農(nóng)村具有豐富的生物質(zhì)能資源，戶用沼氣工程已經(jīng)取得一定的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益，但也存在技工數(shù)量不足、隊伍不穩(wěn)定、沼氣發(fā)酵原料供給不平衡、后繼管理和服務體系薄弱等突出問題[2]，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，集中式一體化供能系統(tǒng)已成為我國農(nóng)村能源供給的趨勢，基于內(nèi)燃機的生物質(zhì)燃氣分布式供能系統(tǒng)以其良好的環(huán)境友好性及變工況性能日益成為解決集中式供能問題的較好選擇[3]，已成為國內(nèi)外研究與工程化應用的熱點。

現(xiàn)階段，燃氣內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的燃料絕大部分為天然氣，國內(nèi)外主要針對系統(tǒng)性能分析[4-6]、變工況特性[7-8]、系統(tǒng)優(yōu)化[9-12]及環(huán)境效益[13]等方面開展了大量研究。蔣潤花等[7]根據(jù)恒轉(zhuǎn)速內(nèi)燃機典型變工況解析式，結(jié)合產(chǎn)飽和蒸汽的單壓余熱鍋爐的變工況解析式及溴化鋰吸收式制冷機組的變工況修正DOE-2模型，研究內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)變工況特性。姚爾人等[5]提出了一種以壓縮空氣儲能技術(shù)為基礎的與內(nèi)燃機技術(shù)耦合的冷熱電聯(lián)產(chǎn)分布式能量系統(tǒng)，建立了該系統(tǒng)的熱力學模型并自編程序?qū)ο到y(tǒng)進行了熱力學分析，重點研究了系統(tǒng)中的壓氣機、換熱器、透平膨脹機、內(nèi)燃機等主要設備性能以及關鍵節(jié)點參數(shù)，如透平膨脹機入口壓力和溫度以及壓氣機壓比對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。Wang等[8,11]對樓宇冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行了深入研究，采用遺傳算法搜索獲得了聯(lián)供系統(tǒng)的最佳容量配置及運行模式，并對優(yōu)化方法進行了驗證，進而提出了電負荷跟隨的改進運行模式。

國內(nèi)外對以沼氣為燃料的內(nèi)燃機熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)的研究很少，尚處于起步階段[14]，很少將生物質(zhì)厭氧發(fā)酵、內(nèi)燃機熱電聯(lián)產(chǎn)、補充熱源、用戶側(cè)需求等有機聯(lián)系起來進行全工況系統(tǒng)建模與分析，更沒有將聯(lián)供系統(tǒng)應用于村鎮(zhèn)建筑，缺乏對系統(tǒng)全年動態(tài)供需分析及負荷匹配研究，阻礙了系統(tǒng)在我國農(nóng)村城鎮(zhèn)化進程中的大規(guī)模推廣應用。本文以我國寒冷地區(qū)典型新農(nóng)村建筑熱、電、氣等能源需求為基礎，建立基于沼氣的熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)數(shù)學模型，詳細分析新農(nóng)村建筑全年負荷動態(tài)變化規(guī)律及聯(lián)供系統(tǒng)能量輸出特性，提出根據(jù)全年熱、電負荷動態(tài)變化的生物質(zhì)厭氧反應器及內(nèi)燃機運行模式，獲得全年系統(tǒng)熱力性能及與傳統(tǒng)分供系統(tǒng)相比的優(yōu)越性，為系統(tǒng)在我國的推廣提供一定理論支持。

1 基于沼氣的熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)構(gòu)建

基于沼氣的熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)可充分利用禽畜糞便、秸稈、果蔬廢棄物等資源，通過動力單元進行熱電聯(lián)產(chǎn)，同時結(jié)合補熱單元穩(wěn)定供給村鎮(zhèn)居民生活用氣、電、熱水、采暖等能源。以內(nèi)燃機為核心動力單元的沼氣熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)如圖1所示，生物質(zhì)原料在厭氧反應器中厭氧消化產(chǎn)生沼氣，沼氣經(jīng)過凈化器脫水除硫后進入儲氣裝置儲存起來，一部分直接通過輸氣管道進入用戶家中，另一部分進入內(nèi)燃機進行熱電聯(lián)產(chǎn)，當發(fā)電超過用戶負荷時并入電網(wǎng)，當發(fā)電不足時從電網(wǎng)購電，保證電能供給的穩(wěn)定性。內(nèi)燃機的缸套冷卻水與煙氣余熱通過循環(huán)介質(zhì)進入蓄熱器集中儲熱，蓄熱器中熱量一部分進入?yún)捬醴磻骷訜徇M料和反應物使其維持在恒定的溫度，另一部分通過供熱管道提供給用戶生活熱水和進行建筑采暖，當蓄熱器中熱量不足以維持系統(tǒng)熱量輸出時，由熱泵進行補熱，當熱泵補熱仍然無法滿足系統(tǒng)熱能需求時，采用生物質(zhì)秸稈鍋爐補燃，保證能量供應的可靠性。

2 系統(tǒng)模型

2.1 厭氧反應器

厭氧反應器動力學模型采用Chen和Hashimoto提出的有機廢棄物厭氧消化產(chǎn)甲烷的動力學方程[15]，針對牛糞、豬糞等禽畜糞便的產(chǎn)氣量及反應速率的預測，與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，可獲得不同溫度、底物、水力停留時間對產(chǎn)氣量的影響關系[16]。模型中，甲烷池容產(chǎn)氣率通過有機廢棄物的甲烷產(chǎn)率計算

式中，0為進料底物濃度，kg VS·m-3；為水力停留時間，d；為有機廢棄物的甲烷產(chǎn)率，m3·kg-1。

(2)

式中，0為有機廢棄物的極限甲烷產(chǎn)率，m3·kg-1；m為微生物最大生長比率，d-1；為動力學參數(shù)。

對于牛糞，其動力學參數(shù)和微生物最大生長比率m可通過式(3)和式(4)計算[17]

=0.8+0.0016e0.06S0(3)

m=0.013AD-0.129 (4)

式中，AD為微生物發(fā)酵溫度，AD=20～60℃。

生物質(zhì)厭氧發(fā)酵受溫度的強烈影響，對溫度定義了3個主要的運行范圍，低溫（4～15℃）、中溫（20～40℃）和高溫（45～70℃），中溫和高溫生物的最適宜溫度分別在35℃和55℃附近[18-19]。充分權(quán)衡產(chǎn)氣速率和反應器增溫保溫耗熱量兩個因素，將反應器溫度控制在35℃附近。對連續(xù)發(fā)酵，每日進料初始溫度一般等于環(huán)境溫度，故進料增溫耗熱量an可由式(5)計算

an=c,ii(AD-a) (5)

式中，c,i為進料比熱容，J·kg-1·K-1；i為進料質(zhì)量，kg；a為環(huán)境溫度，K。

反應器一般為圓柱形，其散熱損失包括頂部、底部和側(cè)面3個部分，主要散熱損失發(fā)生在頂面和側(cè)面，現(xiàn)以側(cè)面為例計算散熱損失。側(cè)面散熱過程是典型的通過圓筒壁的傳熱過程，反應器內(nèi)部按自然對流換熱計算，Nusselt數(shù)()采用如下關聯(lián)式

i=1(·)1(6)

式中，為Grashof數(shù)，為Prandtl數(shù)，1為系數(shù)，1為指數(shù)。

反應器外部側(cè)面的對流換熱計算需要判斷自然對流的影響程度，一般認為，/2≥0.1時自然對流的影響不能忽略，而/2≥10時強制對流的影響相對于自然對流可以忽略不計[20]。當考慮強制對流時，Nusselt數(shù)計算如下

o=2Re21/3(7)

式中，2為系數(shù)，2為指數(shù)。

在計算反應器內(nèi)、外部傳熱系數(shù)時，為了確定定性溫度，需首先假設壁溫，通過迭代計算確定最終壁溫及傳熱系數(shù)，進而獲得散熱損失ah。

ah=oo(AD-a) (8)

式中，o為以外壁面為基準的傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；o為反應器外表面面積，m2。

2.2 內(nèi)燃機

內(nèi)燃機是熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)的核心能量轉(zhuǎn)化裝置，本文采用國際能源署“Annex 42”項目開發(fā)并在世界范圍內(nèi)驗證的基于聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的內(nèi)燃機模型[21]。內(nèi)燃機穩(wěn)態(tài)運行時其能量轉(zhuǎn)換關系如下

ss=eg(9)

ss=qg(10)

g=f·LHVf(11)

式中，ss與ss分別為內(nèi)燃機穩(wěn)態(tài)運行時輸出電功率和熱功率，W；e與q分別為電效率和熱效率；g為燃料輸出功率，由燃料質(zhì)量流量與低位熱值乘積得到，W；f為燃料質(zhì)量流量，kg·s-1；LHVf為燃料低位熱值，J·kg-1。

考慮到內(nèi)燃機及余熱利用系統(tǒng)的熱容，內(nèi)燃機控制體及冷卻水出口溫度由以下微分方程確定

(13)

式中，[MC]e與[MC]w分別為內(nèi)燃機控制體和冷卻水系統(tǒng)熱容，J·K-1；e與w,o分別為內(nèi)燃機控制體和冷卻水出口溫度，K；為時間，s；HX為冷卻水換熱功率，W；l為熱損失功率，W；w為冷卻水質(zhì)量流量，kg·s-1；c,w為冷卻水比熱容，J·kg-1·K-1；w,i為冷卻水進口溫度，K。其中冷卻水換熱功率和熱損失功率計算如下

HX=HX(e-w,o) (14)

1=1(e-r) (15)

式中，HX為冷卻系統(tǒng)傳熱速率，W·K-1；l為內(nèi)燃機熱損失速率，W·K-1；r為機組所處環(huán)境溫度，K。

模型中定義燃料質(zhì)量流量變化率來獲得內(nèi)燃機輸出電功率動態(tài)變化性能

(17)

內(nèi)燃機實際運行過程時存在待機、熱機、正常工作、冷機等工作模式，而且前后模式間根據(jù)內(nèi)燃機啟停依次切換，完善的內(nèi)燃機數(shù)學模型離不開各模式動態(tài)切換時的準確模擬。穩(wěn)態(tài)運行模型即為正常工作模型。待機模式模型如下

式中，sd為待機模式輸出功率，W，由于內(nèi)燃機存在待機電耗，故此項一般為負值。

與待機模式類似，熱機和冷機模式模型分別為

=cd(20)

式中，wu與cd分別為熱機和冷機模式輸出電功率，W；為當前時間，s；0為內(nèi)燃機啟動時間，s；wu為內(nèi)燃機熱機時間，s。

2.3 空氣源熱泵

常規(guī)空氣源熱泵機組在室外環(huán)境溫度較低時，存在蒸發(fā)器結(jié)霜、壓縮機壓比偏大和系統(tǒng)性能低下等問題，難以穩(wěn)定輸出熱能，具有壓縮機噴氣增焓技術(shù)及經(jīng)濟器的空氣源熱泵系統(tǒng)可較好解決這些問題。為了獲得噴氣增焓空氣源熱泵系統(tǒng)在寒冷地區(qū)運行時實際性能，在蘭州地區(qū)構(gòu)建了試驗測試系統(tǒng)，通過大量實驗數(shù)據(jù)獲得了熱泵COP實驗關聯(lián)式[22]，如式(21)所示。

式中，1、2、3、4、5、6、7均為擬合系數(shù)；s為輸出熱水溫度，K；a、w分別為環(huán)境干濕球溫度，K。熱泵COP由式(22)定義

(22)

式中，hp為熱泵輸出熱量，kW·h（為了方便能量換算，本文中熱量單位均為kW·h）；hp為熱泵耗電量，kW·h。

3 負荷分析

本文選取典型新農(nóng)村住宅為研究對象，該住宅共兩層，總建筑面積226.8 m2，有起居室2間，臥式4間，廚房1間，洗手間2間?？紤]到單戶家庭能源需求較小，選取5戶進行集中供能。為了獲得農(nóng)村住宅全年能源需求，采用清華大學開發(fā)的DeST軟件進行動態(tài)熱電負荷模擬，其中電負荷根據(jù)《建筑照明設計標準》（GB 50034—2013）及農(nóng)村居民的用電器種類和用電特點以用電器作息的方式在軟件中計算，這部分電負荷只包括建筑負荷，并不包括熱泵等供能設備的電耗。熱負荷根據(jù)建筑圍護結(jié)構(gòu)及室內(nèi)設定供暖溫度14℃[23]，以蘭州的典型氣象參數(shù)為依據(jù)計算得出，生活熱水用量及溫度依據(jù)《全國民用建筑工程設計技術(shù)措施2009-給水排水》確定。趙志楠[24]對我國居民用氣量的統(tǒng)計分析表明縣級城市戶均人數(shù)和戶均天然氣用量均大大超過城市的數(shù)量，而鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級無戶均人數(shù)的統(tǒng)計資料，可暫用縣城的數(shù)據(jù)。以2012年的戶均用氣量為依據(jù)，將天然氣用氣量換算為沼氣用氣量，得到每戶居民每天平均用沼氣量為1.8 m3/(天·戶)。

圖2、圖3給出了1戶新農(nóng)村住宅全年逐時冷熱電和生活熱水負荷，圖4為1戶新農(nóng)村住宅冬季典型日（1月29日）負荷，為了和供暖負荷較好區(qū)別，圖2中冷負荷以負數(shù)表示。由圖2～圖4可知，對于典型的寒冷地區(qū)A區(qū)（蘭州）而言[25]，農(nóng)村居住建筑全年熱負荷遠遠大于冷負荷和電負荷，這和商業(yè)建筑有很大不同[14]，農(nóng)村建筑又遠離市政熱力管網(wǎng)，出于環(huán)境效益和穩(wěn)定性考慮，采用空氣源熱泵和生物質(zhì)鍋爐作為補充熱源，系統(tǒng)電能輸出無法滿足熱泵電能需求時從電網(wǎng)購電。蘭州供暖期為11～12月和1～3月。根據(jù)蘭州地區(qū)典型氣象參數(shù)可知全年采暖度日數(shù)為3229.41℃·d，空調(diào)度日數(shù)為1.52℃·d，故本文暫不考慮夏季空調(diào)制冷負荷。居民電負荷主要考慮照明、家用生活電器（冰箱、電視、洗衣機、電飯煲等）及農(nóng)用機械（粉碎機、鍘草機等）的電力消耗。全年來看，生活熱水負荷冬季略高于夏季，主要原因是冬季的自來水溫偏低；全天來看，生活熱水負荷主要出現(xiàn)在早、中、晚3個時段，其中晚上21時出現(xiàn)最大值。

4 性能分析

4.1 系統(tǒng)參數(shù)

內(nèi)燃機在滿負荷運行時可獲得較好的能源利用效率，從全年來考慮，針對5戶典型新農(nóng)村建筑用能需求，選用Toyota集團生產(chǎn)的AISIN SEIKI內(nèi)燃機機組[26]，其額定輸出電功率為6.0 kW，熱功率為11.7 kW，本文參考Rosato等的研究成果，對內(nèi)燃機模型中電效率、熱效率、燃料質(zhì)量流量最大變化率、冷卻系統(tǒng)傳熱速率、內(nèi)燃機熱損失速率等參數(shù)進行具體界定，詳細內(nèi)容見文獻[27]。根據(jù)選定的內(nèi)燃機參數(shù)，用前述的內(nèi)燃機數(shù)學模型進行試算獲得內(nèi)燃機每日最大用氣量，進而調(diào)用生物質(zhì)厭氧反應器模型反算出發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)尺寸，其中水力停留時間設定為20 d，發(fā)酵溫度為35℃?？諝庠礋岜脵C組選用5臺額定輸入功率為4.6 kW的低溫空氣源熱泵機組，模型中具體參數(shù)參考文獻[22]。

在設備容量確定以后，對系統(tǒng)進行簡單成本分析，厭氧反應器部分（包括前處理及儲氣、凈化、脫硫等部分）80萬元，內(nèi)燃機組按國產(chǎn)計算2.5萬元/臺，空氣源熱泵2.0萬元/臺。由此可見，聯(lián)供系統(tǒng)初投資較大，當?shù)鼐用耠y以承擔，必須形成政府主導、企業(yè)牽頭、深度融合的協(xié)同機制，充分結(jié)合當?shù)仞B(yǎng)殖企業(yè)進行糞污消納、節(jié)能降污、穩(wěn)定供能、改善空氣質(zhì)量，將分布式多聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益、電網(wǎng)削峰填谷效應等綜合考慮，國家、當?shù)卣⑵髽I(yè)、居民等聯(lián)動，分級承擔投資，利益共享，才能使基于沼氣的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在我國蓬勃發(fā)展起來。

根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學模型，在VC++6.0軟件中編制系統(tǒng)仿真程序，將聯(lián)供系統(tǒng)參數(shù)輸入仿真軟件中，調(diào)用DeST軟件計算獲得的全年逐時供暖、生活熱水及電負荷，差分得到全年逐秒負荷，以1 s為時間步長，計算系統(tǒng)全年動態(tài)性能，將得到的結(jié)果按天進行累加，即可獲得系統(tǒng)全年逐天性能。

為了分析系統(tǒng)節(jié)能性能，本文將其與傳統(tǒng)農(nóng)村分供系統(tǒng)（電網(wǎng)購電、煤爐子供暖、柴灶炊事及提供生活熱水）進行比較。具體參數(shù)如表1所示。

表1 聯(lián)供系統(tǒng)及分供系統(tǒng)基本參數(shù)

4.2 運行分析

系統(tǒng)全年運行時，熱負荷存在明顯的季節(jié)性差異，在冬季采用熱泵補熱時，補電是必不可少的。由圖2可知，寒冷地區(qū)新農(nóng)村建筑供暖期熱負荷很大，全年電負荷較為平穩(wěn)，暫不考慮發(fā)電上網(wǎng)收益的情況下，內(nèi)燃機采用供暖期滿發(fā)（以獲得最大的熱和電），非供暖期（4～10月）根據(jù)居民電負荷實時發(fā)電的運行模式，分析系統(tǒng)全年能源供需關系。

總熱負荷包括厭氧反應器保溫負荷、新物料增溫負荷、新農(nóng)村建筑供暖負荷、生活熱水負荷4部分，其中厭氧反應器保溫負荷和新物料增溫負荷為系統(tǒng)內(nèi)部熱負荷。為了分析系統(tǒng)供熱穩(wěn)定性，假設熱泵系統(tǒng)全年滿負荷運行，可獲得最大熱輸出，得到5戶新農(nóng)村住宅全年熱負荷供需關系，如圖5所示。全年熱負荷在冬季供暖期迅速上升，在1月下旬出現(xiàn)最大值，全年總熱負荷為17.37×104kW·h，其中供暖熱負荷10.37×104kW·h，生活熱水負荷1.65×104kW·h，厭氧反應器保溫負荷和新物料增溫負荷5.35×104kW·h。發(fā)電余熱與熱泵補熱基本可以滿足全年熱負荷，全年熱負荷不保證天數(shù)為44 d，主要在冬季極端天氣，但極端天氣的出現(xiàn)存在極大的不確定性[31]，為了保證供熱可靠性，在系統(tǒng)無法滿足熱負荷需求時，采用生物質(zhì)鍋爐進行補燃，全年補燃所需提供熱量為1.0×104kW·h，占全年總熱負荷的5.76%。在非供暖期，發(fā)電余熱基本可以滿足所有熱負荷，7～8月發(fā)電余熱存在很大過剩，熱泵機組的閑置雖然節(jié)省了電能消耗，但造成設備極大浪費，若系統(tǒng)應用于夏熱冬冷地區(qū)，熱泵機組在夏季供冷，可大大提高機組使用率。

考慮熱泵供熱的設備電耗時，5戶新農(nóng)村住宅全年電量平衡關系如圖6所示。由圖6可知，在蘭州地區(qū)由于冬季供暖負荷的存在，熱泵補熱量劇增，致使總電負荷顯著增大，最大值為607.58 kW·h·d-1，大于內(nèi)燃機輸出電負荷144.00 kW·h·d-1，需從電網(wǎng)購電。在非供暖期，根據(jù)居民電負荷實時發(fā)電時，由于內(nèi)燃機最小發(fā)電功率、熱機時間及最大燃料變化率的存在，使得發(fā)電量略低于電負荷，且內(nèi)燃機啟停頻繁，增加了額外損耗，影響了內(nèi)燃機壽命。因此，對于農(nóng)村住宅而言，電負荷波動頻率大，而且經(jīng)常存在“0”和“1”的突然變化，若由電負荷控制內(nèi)燃機啟停是不科學、不合理的，內(nèi)燃機必須在穩(wěn)定輸出下進行熱電聯(lián)產(chǎn)，要求分布式供能系統(tǒng)與電網(wǎng)的高效聯(lián)動，最好發(fā)電可以上網(wǎng)，獲得一定經(jīng)濟收入。若內(nèi)燃機全年進行滿負荷發(fā)電，全年可發(fā)電5.26×104kW·h，5戶新農(nóng)村住宅全年總電負荷（包括設備電耗）為6.90×104kW·h，每年需從電網(wǎng)凈補電1.64×104kW·h。

冬季典型日（1月29日）5戶新農(nóng)村住宅全天瞬時熱負荷供需平衡關系及電量平衡關系如圖7、圖8所示。模擬過程中，假定內(nèi)燃機在0時熱機啟動，熱機階段輸出電功率為0，輸出熱功率緩慢增大，熱泵全天滿負荷運行，以盡可能滿足熱負荷。由圖7可知，全天來看，除0：00～13：15時段和21時外，發(fā)電余熱與熱泵補熱可以滿足總熱負荷需求，由于生活熱水負荷的出現(xiàn)，在7、12、18和21時出現(xiàn)總熱負荷的突然躍升。結(jié)合圖5，1月29日全天總熱負荷為1261.88 kW·h，發(fā)電余熱與熱泵有效輸出熱量總和為1232.95 kW·h，需生物質(zhì)鍋爐補熱28.93 kW·h。由圖8可知，內(nèi)燃機瞬時電功率基本保持在6.0 kW，用戶電負荷功率在23.0 kW以上，主要是因為熱泵耗電過大，全天發(fā)電功率均無法滿足電負荷需求，需從電網(wǎng)補電，補電瞬時功率在17.15～27.15 kW之間，全天共需補電461.92 kW·h。

4.3 一次能源利用率

一次能源利用率也稱系統(tǒng)總能利用效率，是系統(tǒng)的輸出能與輸入能的比值，并且將系統(tǒng)輸出功、冷、熱等同看待，可以直接相加，該熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)的一次能源利用率定義如下

式中，分子為用戶實際獲得的有效能量，分母為消耗的一次能源量，包括牛糞、生物質(zhì)秸稈成型燃料和火電廠消耗燃煤。e為供能系統(tǒng)凈輸出電能，kW·h；h為供能系統(tǒng)輸出熱能，包括供暖負荷與生活熱水負荷，kW·h；h為供能側(cè)到用戶側(cè)的熱量傳輸及換熱效率；gas為供能系統(tǒng)輸出沼氣的低位發(fā)熱量，kW·h；gas為沼氣灶熱效率；AD為輸入?yún)捬醴磻髟系哪芰?，以干牛糞的高位熱值計[30]，kW·h；b為輸入生物質(zhì)鍋爐原料的能量，kW·h；grid為電網(wǎng)補電量，kW·h；eh為火電廠發(fā)電效率。

熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)的一次能源利用率高低直接決定系統(tǒng)熱力性能優(yōu)劣。圖9給出了該熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)滿足用戶所有熱、電、氣負荷需求時的逐日一次能源利用率曲線。由圖9可知，該系統(tǒng)與應用于商業(yè)建筑的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相比[14]，一次能源利用率并不高，全年平均值為37.85%，主要原因在于本系統(tǒng)一次能源利用率充分考慮了從生物質(zhì)原料到用戶側(cè)獲得的有效能量時能量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)移全過程中一次能源的實際轉(zhuǎn)化率，且考慮了熱量傳輸及換熱效率，對系統(tǒng)補電量也考慮了火電廠發(fā)電效率。另外，新農(nóng)村建筑負荷的全天較大波動性及熱負荷季節(jié)性巨大差異，造成能量生產(chǎn)效率降低及能量浪費，由于非采暖季熱負荷普遍偏低，雖然降低了內(nèi)燃機功率，但發(fā)電余熱仍然過剩，造成極大能量浪費，使得非采暖季一次能源利用率較采暖季偏低。一次能源利用率在Ⅰ和Ⅱ兩個區(qū)域出現(xiàn)較大波動也是由于在這些時段熱負荷出現(xiàn)較大波動，系統(tǒng)有效輸出能量隨之波動，但厭氧反應器來不及及時反應，每日進料量及內(nèi)燃機發(fā)電功率仍然維持在往日水平。Ⅰ和Ⅱ區(qū)域為采暖季和非采暖季的過渡性區(qū)域，Ⅰ區(qū)域間歇性存在進料及發(fā)電過剩現(xiàn)象，一次能源利用率向下波動，Ⅱ區(qū)域正好相反。

4.4 一次能源節(jié)約率

一次能源節(jié)約率反映聯(lián)供系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)分供系統(tǒng)的節(jié)能潛力，定義為在輸出相同能量的條件下，聯(lián)供系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)分供系統(tǒng)的能源節(jié)約量與分供系統(tǒng)一次能源消耗量之比。

式中，CS為傳統(tǒng)分供系統(tǒng)一次能源消耗量，kW·h；PS為本系統(tǒng)一次能源消耗量，kW·h；PERCS為傳統(tǒng)分供系統(tǒng)一次能源利用率。

西北農(nóng)村傳統(tǒng)分供系統(tǒng)采用煤爐子采暖，秸稈直接燃燒做飯及提供生活熱水，電能從電網(wǎng)購買，其基本參數(shù)如表1所示。基于此計算出一次能源節(jié)約率參數(shù)，如圖10所示。由圖可見，系統(tǒng)全年一次能源節(jié)約率除Ⅰ和Ⅱ區(qū)域外基本保持20%左右，平均值為17.12%，說明本系統(tǒng)較傳統(tǒng)分供系統(tǒng)全年可節(jié)約17.12%一次能源輸入。

5 結(jié) 論

基于沼氣的熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)可充分利用農(nóng)村禽蓄糞便、果蔬廢棄物、農(nóng)作物秸稈等廢棄物穩(wěn)定生產(chǎn)生物質(zhì)沼氣，利用內(nèi)燃機進行熱電聯(lián)產(chǎn)，同時結(jié)合空氣源熱泵補熱裝置全年穩(wěn)定提供熱、電、氣等居民基本能源需求，對緩解化石能源緊張、減少環(huán)境污染具有積極意義。本文建立了基于沼氣的熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)全工況數(shù)學模型，以5戶典型新農(nóng)村建筑為例對全年負荷供需平衡關系進行逐日計算與分析，并與傳統(tǒng)分供系統(tǒng)進行了比較。結(jié)果表明蘭州地區(qū)新農(nóng)村建筑冬季采暖負荷遠大于夏季制冷負荷，且全年總熱負荷分布差異很大；冬季典型日全天電負荷有較大波動、總熱負荷主要受環(huán)境溫度的強烈影響；系統(tǒng)全年平均一次能源利用率為37.85%，與傳統(tǒng)煤爐子采暖、秸稈炊事及提供生活熱水、電網(wǎng)購電的分供系統(tǒng)相比，全年平均一次能源節(jié)約率為17.12%。

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All operation mathematical model and thermal performance analysis on combined heating power and biogas system

ZHANG Dong1,2,3, LI Jinping1,2,3, ZHANG Han1,2,3

(1School of Energy and Power Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, Gansu, China;2Key Laboratory of Complementary Energy System of Biomass and Solar Energy, Gansu Province, Lanzhou 730050, Gansu, China;3China Northwestern Collaborative Innovation Center of Low-carbon Urbanization Technologies, Lanzhou 730050, Gansu, China)

A combined heating, power and biogas (CHPB) system driven by internal-combustion engine was proposed, in order to relieve environmental problem and the sharply increase of energy demand and domestic waste in rural areas. The system could reduce domestic waste and supply heating, power and biogas all the year around through the anaerobic digestion, internal-combustion and air-source heat pump techniques. The all operation mathematical model of the system was constructed. The system thermal performance and energy balance of supply and demand were analyzed for 5 new rural residences in Lanzhou city, about 226.8 m2of each, as a case study. The results showed that the building loads of new rural construction, of which the heating load differs greatly between summer and winter and the power load fluctuations significantly all day long, are different from that of commercial building. The power load characteristics is not benefit for following the electrical load. The yearly average primary energy rate (PER) of the system is 37.85% considering the transformation efficiency from biomass to biogas in the anaerobic digestion, heat transfer efficiency and generation efficiency of thermal power plant. The yearly average primary energy saving (PES) index is 17.12% comparing with the conventional system in cold area of Northwest China. The results can provide theoretical basis for system scale application and promote the construction of the beautiful countryside.

biofuel; fermentation; combined heating power and biogas (CHPB); dynamic modeling; thermal performance analysis; primary energy saving (PES)

10.11949/j.issn.0438-1157.20161538

TK 01.9；S 216.4

A

0438—1157（2017）05—1998—11

李金平。

張東（1985—），男，博士研究生，講師。

國家自然科學基金項目（51166008, 51676094）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2014AA052801）。

2016-10-31收到初稿，2017-01-14收到修改稿。

2016-10-31.

Prof. LI Jinping, lijinping77@163.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51166008, 51676094) and the National High Technology Research and Development Program of China (2014AA052801).