孫志鵬

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)研究院，北京 100043)

近年來，我國農(nóng)村地區(qū)清潔供暖得到大力提倡，得力于北方農(nóng)村地區(qū)充足的陽光輻射量、生物質(zhì)能豐富等因素，空氣源熱泵、太陽能、生物質(zhì)等清潔能源已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用[1-2]，但由于運行方式不合理、農(nóng)宅保溫性能差等問題[3]，同時不同清潔能源之間不能夠很好地互補，導(dǎo)致農(nóng)村地區(qū)冬季供暖費用過高，清潔供暖的發(fā)展受到極大限制。

針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者在系統(tǒng)優(yōu)化配置及不同能源間的互補方式等方面，進(jìn)行了大量的數(shù)值與實驗研究。張甫仁[4]等針對農(nóng)村環(huán)境建立了一種太陽能耦合沼氣的聯(lián)合供暖系統(tǒng)，并基于試驗方法，實測并分析了聯(lián)合供暖系統(tǒng)的運行規(guī)律及節(jié)能效果，結(jié)果表明，該太陽能耦合沼氣聯(lián)合供暖系統(tǒng)運行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著，但其初投資較高且生物質(zhì)能需求較大，沒有考慮農(nóng)村每戶平均生物質(zhì)能總量不足的問題；張鑫[5]等基于實驗方法研究了太陽能儲能系統(tǒng)運行特性，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠在極端天氣下保證室內(nèi)溫度不低于20 ℃，且能夠有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鍋爐集中供暖方式；陳闖[6]等提出一種適用于北方農(nóng)村的基于太陽能、空氣源熱泵、生物質(zhì)耦合的聯(lián)合供暖系統(tǒng)，基于TRNSYS數(shù)值分析方法，分析了系統(tǒng)供暖運行特性，仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)制熱穩(wěn)定，太陽能貢獻(xiàn)率高達(dá)43%，且生物質(zhì)能源得到了靈活應(yīng)用；ZHANG Xing-hui[7]等結(jié)合Energyplus軟件與實驗方法研究了一種適用于農(nóng)村供暖的太陽能-生物質(zhì)多能互補系統(tǒng)，研究表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，其中生物質(zhì)能占比約三分之二，供暖系統(tǒng)一次能源利用率高達(dá)66.67%；韓中合[8]等以我國北方嚴(yán)寒農(nóng)村地區(qū)農(nóng)宅為研究對象，基于太陽能與生物質(zhì)提出了農(nóng)村分散型供暖系統(tǒng)，基于動態(tài)數(shù)值分析的方法，分析了系統(tǒng)運行特性，研究表明該分散式供暖系統(tǒng)可減少散煤燃燒2.85t，年節(jié)約5446元，供暖效果較好；A.M. Hemeida[9]等結(jié)合實驗與數(shù)值方法，研究了埃及某農(nóng)村地區(qū)太陽能耦合風(fēng)能系統(tǒng)運行特性，并結(jié)合實測的當(dāng)?shù)靥柲茌椛鋽?shù)據(jù)與風(fēng)能源數(shù)據(jù)給出了最優(yōu)方案；陳孚江[10]等利用TRNSYS軟件，建立了土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)模型并對其進(jìn)行數(shù)值研究，結(jié)果表明TRNSYS能夠準(zhǔn)確仿真系統(tǒng)運行特性，該熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)能夠為冷熱負(fù)荷較大地區(qū)建筑供冷、供熱及生活熱水，運行平穩(wěn)。

綜上所述，目前針對北方農(nóng)村清潔供暖的研究中，清潔能源與空氣源熱泵之間缺少深度耦合設(shè)計，對農(nóng)村當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)能源的種類及全年分布規(guī)律考慮較少，本文基于TRNSYS/GenOpt軟件，首次提出了一種針對農(nóng)村散戶的多能互補供暖系統(tǒng)及其多能耦合運行控制方案，并對系統(tǒng)互補運行控制策略進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)了生物質(zhì)能、太陽能及空氣源熱泵間多能互補的最大化。

1 系統(tǒng)概述

農(nóng)戶宅院可設(shè)計較大的地下儲熱水箱，農(nóng)作物秸稈、家畜養(yǎng)殖糞便、廚房垃圾等生物質(zhì)能源豐富，用于供暖不僅可以減少秸稈還田造成的病蟲害問題，而且生物質(zhì)能源供熱受環(huán)境溫度影響較小，應(yīng)用方式靈活；同時，農(nóng)宅供暖采用單獨的空氣源熱泵系統(tǒng)，當(dāng)室外溫度較低時，熱泵制熱效率大大降低，是造成農(nóng)宅供暖運行費用過高的主要原因之一。本文結(jié)合河北石家莊西北部山區(qū)某農(nóng)村實際情況，提出了采用太陽能儲能、生物質(zhì)能及空氣源熱泵系統(tǒng)的多能源聯(lián)合供暖系統(tǒng)，旨在充分利用不同清潔能源之間互補特性，降低農(nóng)宅供暖費用，提高清潔能源利用效率。農(nóng)村住宅沼氣-生物質(zhì)燃燒-太陽能集熱器-空氣源熱泵-儲能多能互補供暖系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 農(nóng)宅生物質(zhì)-太陽能-空氣源熱泵-儲能多能互補供暖系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)：空氣源熱泵系統(tǒng)與太陽能-生物質(zhì)供暖系統(tǒng)。

2 實例分析

2.1 農(nóng)村住宅建筑概況

本文以石家莊市西北部山區(qū)一處單層農(nóng)宅為研究對象，住宅為1層平房，建筑面積為108 m2，建筑長10 m，寬10.8 m，房屋高度4 m，房屋四周未設(shè)置保溫層。

2.2 當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)及熱負(fù)荷預(yù)測

應(yīng)用TRNSYS軟件的氣象參數(shù)模塊讀取了石家莊市氣象參數(shù)，包括全年逐時的室外溫度、太陽輻射量，基于建筑能耗計算模塊獲得了農(nóng)宅供暖季逐時熱負(fù)荷，采暖季從11月15日0時開始，到第二年3月15日結(jié)束，供暖季計算熱負(fù)荷50W/m2，最大熱負(fù)荷為22 500 kJ/h，累計熱負(fù)荷為6.1×107 kJ。

2.3 當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)資源分析

根據(jù)實際調(diào)研情況，該地區(qū)生物質(zhì)資源主要分為動物糞便、廚房垃圾及秸稈等，其中動物糞便主要由大型養(yǎng)殖場產(chǎn)生，秸稈包括玉米秸稈、小麥秸稈、高粱谷物等。

其中動物糞便與廚房垃圾用于沼氣池發(fā)酵，沼氣產(chǎn)量受氣候影響較大，冬季產(chǎn)量較低，因此本文設(shè)置沼氣存儲設(shè)備，將夏季產(chǎn)生的沼氣除去廚房需求，全部儲存。

農(nóng)村建設(shè)有大型養(yǎng)殖場，基于實際調(diào)研數(shù)據(jù)，得到該地區(qū)沼氣-月份分布圖，如圖2所示。

圖2 全年沼氣產(chǎn)量-時間分布圖

其中，沼氣低位熱能取23.6 MJ/m3，根據(jù)實測數(shù)據(jù)及調(diào)研情況，取沼氣壁爐制熱效率為0.8。秸稈資源較為豐富，有利于冬季取暖，因此設(shè)置生物質(zhì)鍋爐?；趯嶋H調(diào)研數(shù)據(jù)，平均每戶10畝地計算，得到該地區(qū)全年秸稈分布規(guī)律，如圖3所示。

圖3 全年逐月秸稈產(chǎn)量分布圖

其中，秸稈燃燒低位發(fā)熱量取12.6 MJ/kg，根據(jù)實測數(shù)據(jù)及調(diào)研數(shù)據(jù)，生物質(zhì)燃燒供暖模塊制熱效率取0.7。

3 仿真分析及配置優(yōu)化

3.1 數(shù)學(xué)模型

3.1.1 太陽能集熱器

假設(shè)系統(tǒng)中的太陽能集熱器按照最佳傾角安裝，集熱器總集熱量計算公式如式(1)與式(2)所示。

Q總=J·S·A

(1)

(2)

式中Q總——集熱器總集熱量/MJ；

J——集熱器面輻射度/MJ·(m2·h)-1；

S——集熱時長/h；

A——集熱器面積/m2；

JB——水平面輻射度/MJ·(m2·h)-1；

JD——散射輻射度/MJ·(m2·h)-1；

α——當(dāng)?shù)鼐S度/°。

3.1.2 生物質(zhì)發(fā)熱量計算

根據(jù)不同的低位熱值及燃燒系數(shù)，生物質(zhì)燃料燃燒總發(fā)熱量計算公式如式(3)所示

(3)

式中Q生——生物質(zhì)總熱量/MJ；

qri——第i種生物質(zhì)低位熱值/MJ·kg-1;

εi——第i種生物質(zhì)燃燒系數(shù)，在本文研究種，通過實測數(shù)據(jù)，對該系數(shù)進(jìn)行校正；

Mi——第i種生物質(zhì)總量/kg。

3.2 仿真模型建立及驗證

應(yīng)用TRNSYS軟件對提出的農(nóng)村住宅供暖系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，建立了包括沼氣模塊、生物質(zhì)鍋爐、太陽能集熱器、空氣源熱泵、蓄熱水箱等部件在內(nèi)系統(tǒng)模型。沼氣系統(tǒng)-生物質(zhì)燃燒-太陽能集熱器-空氣源熱泵-儲能罐多能互補供暖系統(tǒng)仿真模型圖如圖4所示。

圖4 生物質(zhì)-太陽能-空氣源熱泵-儲能模型圖

其中不同的系統(tǒng)運行模式包括：

(1)原始工況，即空氣源熱泵系統(tǒng)單獨供熱。如圖4所示，該運行模式下，通過修改混合閥與分水閥控制信號來實現(xiàn)空氣源熱泵系統(tǒng)單獨制熱，而太陽能+生物質(zhì)系統(tǒng)停止運行；

(2)互補運行模式，結(jié)合空氣源熱泵運行曲線能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)室外溫度較低時空氣源熱泵系統(tǒng)COP明顯降低，而生物質(zhì)系統(tǒng)受室外溫度影響較小，因此當(dāng)室外溫度較高(比如≥1 ℃)時，由空氣源熱泵系統(tǒng)供熱，而當(dāng)室外溫度較低時(比如低于1 ℃)時，空氣源熱泵停止運行，首先由太陽能儲能供熱，耗盡后由生物質(zhì)能供暖。如圖4所示，在該運行模式中，通過檢測室外溫度、室外輻射量及Type14信號控制混合閥及分水閥，實現(xiàn)不同室外溫度下空氣源熱泵的啟停，保證其制熱性能保持在較高水平，通過檢測熱泵水箱及太陽能儲熱水箱水溫控制生物質(zhì)模塊的啟停。

本文基于農(nóng)宅太陽能集熱器實際使用情況，結(jié)合劉艷峰[11]等提出的太陽能采暖系統(tǒng)所需儲熱水箱容積計算公式，設(shè)定了多能互補供暖系統(tǒng)中太陽能蓄熱水箱主要參數(shù)，并基于某典型日逐時的儲熱水箱實測數(shù)據(jù)，對集熱器模型進(jìn)行驗證，仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比誤差如圖5所示。

圖5 太陽能集熱器模型驗證

驗證結(jié)果如圖5所示，太陽能集熱器儲熱水箱平均溫度仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)最大誤差為8%，誤差較小，由此可知該太陽能集熱器模型計算精度較高，能夠準(zhǔn)確計算太陽能集熱器運行情況。

系統(tǒng)模型中空氣源熱泵模塊已經(jīng)在其他文章中進(jìn)行了校核驗證，首先運用TRNSYS軟件，基于驗證過的房屋供暖能耗模型建立了空氣源熱泵供暖系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，通過對比典型日熱泵啟停時間比、典型日系統(tǒng)電耗量對本文中的空氣源熱泵模型外部性能文件進(jìn)行了校核驗證。

本文主要考慮了玉米秸稈、小麥秸稈及其他生物質(zhì)燃料三種生物質(zhì)能，不同生物質(zhì)能的燃燒系數(shù)根據(jù)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正，最終玉米秸稈為0.73，小麥秸稈為0.74，其他為0.8，從而根據(jù)公式(3)，基于Fortran語言，在TRNSYS仿真平臺建立了新的生物質(zhì)燃燒模塊。

3.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

供暖季設(shè)置為11月16日至次年3月15日，根據(jù)三種不同運行模式特點，取兩個典型日為：典型日1為首供暖日，即11月16日0時至24時，對應(yīng)于1～24 h；典型日2為冬至日，即12月21日0時至24時，對應(yīng)于25～49 h。

空氣源熱泵單獨運行時，結(jié)合熱泵COP能效曲線可知，室外溫度較高時，供暖負(fù)荷較低且熱泵能效較高，此時系統(tǒng)供暖能耗低，節(jié)能效果較好；而其他時刻，室外溫度降低，此時不僅供暖負(fù)荷增加，且空氣源熱泵能效降低，從而導(dǎo)致熱泵能耗大大增加。

相對于空氣源熱泵制熱性能受室外溫度影響較大，生物質(zhì)能燃燒供暖基本不受環(huán)境溫度影響，同時太陽能集熱器產(chǎn)生的熱水并不用于實時的供暖，而是儲存于儲熱水罐，用于室外溫度較低時的農(nóng)宅供暖，因此也不容易受環(huán)境溫度影響。

針對這一問題，本文提出互補運行模式，其運行特性如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)互補運行模式熱平衡分析

由圖6能夠看到，當(dāng)室外溫度較高時(中午11時～下午17時)，空氣源熱泵制熱，且此時的太陽能以熱水形式儲存起來，當(dāng)室外溫度較低時(或晚上20時后)，太陽能儲熱優(yōu)先制熱，當(dāng)儲熱耗盡時，則由生物質(zhì)能制熱。

由COP圖能夠看到，互補運行模式運行工況下，熱泵基本保持較高的制熱效率，避免了在低制熱能效且高制熱負(fù)荷時運行，從而有效降低了能耗。

3.5 系統(tǒng)配置優(yōu)化

本文基于TRNSYS/GenOpt功能模型，以年運行費用最低為優(yōu)化目標(biāo)，對多能供暖系統(tǒng)不同運行模式的臨界切換溫度進(jìn)行優(yōu)化，臨界切換溫度指由生物質(zhì)能替代空氣源熱泵供暖的室外臨界溫度，優(yōu)化范圍-5～3 ℃，間隔1 ℃。

系統(tǒng)能耗主要包括空氣源熱泵系統(tǒng)電耗負(fù)荷側(cè)循環(huán)泵及太陽能集熱器水泵電耗，見公式(4)所示

Ctotal=(J熱泵系統(tǒng)+J集熱水泵+J循環(huán)系統(tǒng))×β+∑Mγ

(4)

式中Ctotal——系統(tǒng)運行總費用;

β——當(dāng)?shù)仉妰r;

M與γ——生物質(zhì)能總消耗質(zhì)量及其價格。

結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，當(dāng)生物質(zhì)能消耗量小于圖4所示每戶全年總產(chǎn)量時，價格為零，反之則設(shè)置為一個極大值(即不購買生物質(zhì)能)；當(dāng)?shù)仉妰r為小于1 000 kWh時為0.5元/kWh，否則為0.8元/kWh。

優(yōu)化結(jié)果表明，臨界切換溫度最優(yōu)解為-3 ℃，此時文中提出的多能互補供暖系統(tǒng)采暖季運行費用最低，為4 100元，相較于原有的空氣源熱泵單獨供暖系統(tǒng)，降低農(nóng)宅取暖費用約21%。圖7為不同臨界切換溫度時整個供暖季系統(tǒng)運行電耗量及生物質(zhì)能消耗情況，其中耗電量指系統(tǒng)總運行費用，生物質(zhì)能指其總剩余量，1～5時分別對應(yīng)11月、12月、1月、2月及3月，“太陽能+生物質(zhì)”指的是二者低位熱值之和。

圖7 系統(tǒng)運行能耗及生物質(zhì)能消耗情況

如圖7所示，不同的臨界切換溫度直接影響生物質(zhì)能在整個供暖季的消耗規(guī)律，由于生物質(zhì)能總量與農(nóng)宅供暖季總能耗為定值，而空氣源熱泵制熱效率隨著溫度降低而明顯降低，因此只有使生物質(zhì)能最大化代替空氣源熱泵的低能效運行，才能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)多能互補的最大化。結(jié)合典型日系統(tǒng)運行特性可知，當(dāng)臨界切換溫度大于-3℃時，生物質(zhì)能過早的被消耗在室外溫度較高工況下，而后續(xù)供暖季，空氣源熱泵需要在較低的室外溫度下運行，增加了運行費用，且供暖期早期(11月15日～12月15日)系統(tǒng)運行費用在整個供暖季占比較小，主要費用產(chǎn)生在供暖季中期，因此臨界切換溫度高于-3℃時，其大小變化對系統(tǒng)總運行費用影響較??；而當(dāng)臨界切換溫度低于-3℃時，供暖季結(jié)束時生物質(zhì)能尚未用盡，且直接增加了空氣源熱泵低能效狀態(tài)運行時間，則不能夠充分利用生物質(zhì)能，從而不能夠有效降低系統(tǒng)運行費用，且對系統(tǒng)總運行費用影響較大。

仿真結(jié)果表明，臨界切換溫度設(shè)置為-3℃時，整個供暖季生物質(zhì)能供暖占比約17%。

4 結(jié)論

本文基于實測數(shù)據(jù)與數(shù)值分析方法，針對河北西北部山區(qū)某農(nóng)村農(nóng)宅清潔供暖系統(tǒng)，結(jié)合當(dāng)?shù)厍鍧嵸Y源稟賦，提出了生物質(zhì)能+太陽能+空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，并基于TRNSYS/OPT軟件對系統(tǒng)運行控制策略進(jìn)行優(yōu)化。得到結(jié)論：

(1)本文提出的多能互補供暖系統(tǒng)及其運行控制策略能夠充分利用農(nóng)村地區(qū)多種能源進(jìn)行冬季供暖，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，“生物質(zhì)能+太陽能”制熱系統(tǒng)能夠與空氣源熱泵系統(tǒng)有效互補；

(2)多能互補供暖系統(tǒng)不同運行模式的最佳臨界切換溫度為-3 ℃，此時系統(tǒng)運行費用降低至4 100元，較單獨的空氣源熱泵供暖降低約21%，其中生物質(zhì)能供暖貢獻(xiàn)率約為17%。

(3)供暖期早期(11月15日～12月15日)系統(tǒng)運行費用在整個供暖季占比較小，主要費用產(chǎn)生在供暖季中期，因此臨界切換溫度高于-3 ℃時，其大小變化對系統(tǒng)總運行費用影響較??；而當(dāng)臨界切換溫度低于-3 ℃時，供暖季結(jié)束時生物質(zhì)能尚未用盡，直接增加了空氣源熱泵低能效狀態(tài)運行時間，其大小變化對系統(tǒng)總運行費用影響較大。