張良銳，崔海亭，馬康樂，張欣悅

太陽能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)研究*

張良銳，崔海亭?，馬康樂，張欣悅

（河北科技大學 機械工程學院，石家莊 050018）

為研究太陽能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)的供暖效果，通過正交實驗設計了多種工況，并利用TRNSYS軟件對不同工況進行模擬計算得出了最優(yōu)工況，按照最優(yōu)工況參數(shù)進行實驗研究。結(jié)果表明：在集熱器面積21 m2、生物質(zhì)鍋爐容量10 kW、集熱水箱容積1.9 m3、谷電蓄熱水箱容積1 m3的工況下，聯(lián)合供暖系統(tǒng)具有良好的熱舒適性，系統(tǒng)平均供熱效率為68.70%。

太陽能；生物質(zhì)能；正交試驗；TRNSYS

0 引 言

太陽能、生物質(zhì)能是清潔的可再生能源，其熱利用技術(shù)是可再生能源利用的一個重要分支[1]。我國擁有豐富的太陽能與生物質(zhì)能資源[2]，這對于可再生能源利用有著得天獨厚的優(yōu)勢，但太陽能熱利用具有時間、空間分布不均等特點，很難被充分利用，而生物質(zhì)能具有性能穩(wěn)定、原料來源豐富、成本低廉、生產(chǎn)規(guī)模靈活等特點[3]，剛好可以解決太陽能在供暖上時間與空間的矛盾。袁喜鵬等[4]利用瞬時系統(tǒng)模擬（transient system simulation, TRNSYS）軟件，以系統(tǒng)能量效率和?效率為評價指標，對生物質(zhì)鍋爐接入系統(tǒng)中的位置進行研究，其研究重點在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性能的影響，忽略了系統(tǒng)參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。周瑞辰等[5]以系統(tǒng)經(jīng)濟性與環(huán)境效益為評價指標，通過實驗研究了生物質(zhì)鍋爐與電加熱分別輔助太陽能時的供暖效果，證明了生物質(zhì)鍋爐輔助太陽能時的經(jīng)濟性與環(huán)境效益，同樣缺少對系統(tǒng)影響因素的研究。ZHANG等[6]采用實驗與模擬相結(jié)合的方法對混合太陽能/生物質(zhì)空間加熱系統(tǒng)進行研究，結(jié)果表明太陽能/生物質(zhì)加熱系統(tǒng)的一次能源效率和?效率分別為67.66%和16.17%；與傳統(tǒng)的一次能源供應系統(tǒng)相比，太陽能/生物質(zhì)加熱系統(tǒng)具有一次能源利用率高、能源效率高的優(yōu)點。PALOMBA等[7]基于太陽能集熱器、生物質(zhì)鍋爐和可逆混合熱泵系統(tǒng)，對歐洲三個不同氣候城市進行的研究表明，在較溫暖的氣候條件下，該系統(tǒng)可以滿足70%的供暖需求和100%的制冷需求，證明了該系統(tǒng)的靈活配置，也顯示了其在未來能源系統(tǒng)中的應用潛力。由此可見太陽能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)在供暖方面的優(yōu)勢以及其在未來能源結(jié)構(gòu)中的潛力。

基于上述研究，本文以石家莊地區(qū)某高校熱能工程實驗室為研究對象，通過正交試驗設計，采用TRNSYS軟件對不同組合下的工況參數(shù)進行模擬計算，選出最優(yōu)工況，并在最優(yōu)工況下進行實驗研究，為太陽能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)在石家莊地區(qū)的推廣應用提供理論基礎。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)原理

太陽能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)主要由太陽能集熱子系統(tǒng)、生物質(zhì)鍋爐蓄熱子系統(tǒng)、供暖末端以及控制系統(tǒng)四部分組成。其原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

太陽能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)原理如下：系統(tǒng)在白天太陽輻射較強時，系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)經(jīng)太陽能集熱系統(tǒng)加熱后輸送到集熱水箱用于供暖，熱量不足時啟動谷電蓄熱水箱補熱，熱量依舊不足時，將開啟生物質(zhì)鍋爐補熱；系統(tǒng)在太陽能輻射較弱或夜間運行時，開啟谷電蓄熱水箱用于供暖，熱量不足時，將開啟生物質(zhì)鍋爐補熱。

1.1.1 系統(tǒng)控制策略

設定日間末端供暖溫度為45℃，夜間為了保證谷電蓄熱水箱蓄熱溫度，生物質(zhì)鍋爐出水溫度設定為50℃，此時末端供暖溫度也為50℃。太陽能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)用于實際應用時，控制策略如下。

①集熱控制。當集熱器出水溫度減去集熱水箱底部溫度高于10℃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，關閉集熱泵。

②集熱水箱供暖控制。當集熱水箱頂部水溫高于50℃時集熱水箱開始供暖，供暖時將回水進行分流，一部分回水進入集熱水箱，一部分回水直接與集熱水箱出水進行混合，混合到45℃再進行供暖；當集熱水箱頂部水溫低于45℃時，停止供暖。

③生物質(zhì)鍋爐蓄熱控制。當處于谷價電時，鍋爐給谷電蓄熱水箱蓄熱，同時也進行供暖。

④谷電蓄熱水箱供暖控制。當處于峰價電、谷電蓄熱水箱的出水溫度高于45℃時，谷電蓄熱水箱開始供暖。

⑤生物質(zhì)鍋爐輔助加熱控制。供暖期間，若進入鍋爐的水溫低于45℃，開啟輔助加熱，將供暖水溫加熱到45℃，然后出水供暖。

1.1.2 建筑概況

石家莊屬于寒冷地區(qū)，供暖期為每年11月15日至次年3月15日，采暖設計溫度為18℃。以石家莊地區(qū)某高校熱能工程實驗室為研究對象，該實驗室為單體式建筑，高5 m、面積為100 m2、窗墻比0.3、室內(nèi)相對濕度為40%，部分建筑參數(shù)見表1。

表1 不同類型墻體傳熱系數(shù)

實驗室平面圖及室內(nèi)測點溫度如圖2所示。

圖2 實驗室平面圖及室溫測點分布

圖中測點1和測點3靠近窗戶，測點2和測點4靠近實驗室門口，測點5在供暖末端風機盤管下方。

圖3 實驗室逐時熱負荷圖

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所示逐時熱負荷圖。供暖期最大逐時熱負荷出現(xiàn)在1月份，為5 894.5 W，根據(jù)最大熱負荷計算選定太陽能集熱器面積為24 m2的真空管集熱器，安裝傾角為38°；選擇CS-100C型生物質(zhì)鍋爐用作為輔助熱源，其額定功率為10 kW、效率為80%、生物質(zhì)燃料熱值為15 990 kJ/kg。

1.2 仿真模型的建立

本文系統(tǒng)涉及太陽能與生物質(zhì)能的綜合利用，并且涉及室外氣象條件變化，以TRNSYS軟件為平臺，搭建系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型。仿真模型如圖4所示。

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、水箱、生物質(zhì)鍋爐、控制模塊。仿真模型初始參數(shù)設置如表2所示。

圖4 仿真模型圖

表2 系統(tǒng)模型主要參數(shù)

2 正交試驗設計

在太陽能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)研究中，系統(tǒng)的影響因素是多樣的，而正交試驗通過選定試驗因素和水平，再把各試驗情況放入正交表中，以達到安排和分析多因素試驗的目的，屬于一種數(shù)理統(tǒng)計法，該方法具有試驗頻次少、方法簡便、效果出色、便于操作、效率高等優(yōu)點[8]。

2.1 系統(tǒng)評價指標的選取

2.1.1 太陽能保證率[9]

在太陽能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)中，太陽能保證率能對系統(tǒng)整體性能進行評價。太陽能保證率是指在采暖季中太陽能集熱系統(tǒng)提供的有用熱量與建筑采暖所需熱負荷之比。

2.1.2 費用年值

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)濟性也十分重要，而費用年值法[10]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設計方案下，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，以確定最佳的設計方案。其計算公式為：

表3 設備金額

綜合考慮石家莊當前物價以及民用供暖設備單價，選取的各部分設備金額如表3所示。

2.2 無交互正交試驗方案設計

無交互正交試驗在不考慮所選因素間的交互作

用影響情況下，選取合適的正交表[11]，將正交表中各列的數(shù)字用相應的因素水平值代替，然后將數(shù)值代入仿真模型中進行模擬計算，最后通過所選的評價指標來確定各因素的影響程度。

2.3 極差分析方法

極差分析法[11]分析步驟如下：在確定試驗因素及水平之后，根據(jù)正交表，分別計算出第列上水平為的各試驗目標結(jié)果的均值。

極差值反映各因素對評價指標影響程度大小，越大說明因素水平改變時對評價指標影響越大。

2.4 系統(tǒng)影響因素及水平的選取

影響系統(tǒng)的因素是多樣的，在選取因素時應盡可能地選取能夠真實反映系統(tǒng)評價指標的因素。本文選取的因素為集熱器面積、集熱水箱容積、谷電蓄熱水箱容積、生物質(zhì)鍋爐容量。在選取集熱器面積時，集熱器面積的范圍應該使得該地區(qū)的太陽能保證率處于30% ～ 80%。依據(jù)此原則，選擇集熱器面積的范圍為15 ～ 39 m2；在選取集熱水箱容積時，由《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》（GB50495-2009）規(guī)定[9]，集熱水箱的容積按照每平方米集熱器采光面積對應50 ～ 150 L水箱容積選取，依據(jù)此原則，集熱水箱的容積選取范圍為1.4 ～ 3.5 m3；生物質(zhì)鍋爐容量的選擇應該考慮采暖季最冷日熱負荷的情況，本文選取的生物質(zhì)鍋爐容量范圍為10 ～ 18 kW；谷電蓄熱水箱的容積應考慮生物質(zhì)鍋爐容量，其容積能夠滿足低谷電時段生物質(zhì)鍋爐提供的熱量，本文選取的范圍為1 ～ 3 m3。各影響因素及其水平的選取如表4所示。

表4 影響因素及水平

2.5 模擬結(jié)果分析

根據(jù)2.4節(jié)確定的因素及水平，選用L25（56）型[11]標準正交表，將各因素及水平填入對應列，然后利用建立好的仿真模型對不同因素實驗條件進行計算，將結(jié)果填入相應的評價指標列中得到太陽能保證率和費用年值試驗結(jié)果，如表5所示。

對表5中的試驗結(jié)果進行差值分析可知，當以太陽能保證率為評價指標時，太陽能保證率的極差值越大越好。在此實驗中，因素A的極差值最大，為26.84%；因素D的極差值較大，為8.476%；因素B的極差值次之，為3.466%；因素C的極差值最小，為1.914%。根據(jù)極差的定義，各因素對太陽能保證率的影響為：集熱器面積> 生物質(zhì)鍋爐容量> 集熱水箱容積> 谷電蓄熱水箱容積。當以費用年值為評價指標時，費用年值的極差越大，說明該因素對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響越大，此時費用年值越小越好。在此試驗中，因素C的極差值最大，為958.128元；因素A的極差值較大，為398.074元；因素D的極差值次之，為319.314元；因素B的極差值最小，為292.978元。即各因素對費用年值的影響為谷電蓄熱水箱容積> 集熱器面積> 生物質(zhì)鍋爐容量> 集熱水箱容積。

表5 正交試驗方案及試驗結(jié)果

從圖5中可以更直觀地看到集熱器面積、集熱水箱容積、谷電蓄熱水箱容積、生物質(zhì)鍋爐容量對太陽能保證率f和費用年值Z變化趨勢的影響。

由圖5a可知，隨著集熱器面積的增大，逐漸增大，斜率變化減小，增大趨勢在變緩。最大值為48.64%，最小值為21.81%；先減小后增大，增大后的斜率變化先增大后減小，增大趨勢在變緩。最大值為6 625.048元，最小值為6 226.974元。增大集熱器面積，雖然有較大的，但是到達一個臨界值之后也會增大，不符合經(jīng)濟性。

由圖5b可知，隨著集熱水箱容積的增大，逐漸增大，斜率變化減小，增大趨勢在變緩。最大值為38.36%，最小值為34.9%；先減小后增大，增大后斜率變化在逐漸增大，增大趨勢沒有變緩。最大值為6 573.876元，最小值為6 280.898元。集熱水箱容積增大雖能提高，但其本身的影響程度不如集熱器面積，效益不如集熱器面積，同時也不符合經(jīng)濟性。

由圖5c可知，隨著谷電蓄熱水箱容積的增大，先減小后增大又逐漸減小，減小后的斜率變化減小，減小趨勢在變緩，這是由于隨著谷電蓄熱水箱容積增大，夜間低谷電時段蓄熱量增加，峰電時段放熱量增加，太陽能有效供熱量減少，減?。还入娦顭崴淙莘e繼續(xù)增大，水箱熱損失增加，峰電時段放熱量減少，太陽能有效供熱量增加，增大；繼續(xù)增大谷電蓄熱水箱容積，峰電時段放熱量遠大于水箱熱損失，太陽能有效供熱量減少，又逐漸減小。最大值為37.85%，最小值為35.94%；逐漸增大，斜率變化減小，增大趨勢在變緩。最大值為6 791.836元，最小值為5 833.708元。增大谷電蓄熱水箱容積既不能增大也沒有良好的經(jīng)濟性。

由圖5d可知，隨著生物質(zhì)鍋爐容量的增大，逐漸減小，斜率變化減小，減小趨勢在變緩。最大值為42.44%，最小值為33.97%；逐漸增大，斜率變化增大，增大趨勢沒有變緩。最大值為6 544.978元，最小值為6 225.664元。生物質(zhì)鍋爐容量的增大既不能提高也不能符合經(jīng)濟性。

圖5 太陽能保證率和費用年值隨各因素變化趨勢

綜上所述，當以太陽能保證率為評價指標時，最優(yōu)工況1為：集熱器面積39 m2、生物質(zhì)鍋爐容量10 kW、集熱水箱容積3.3 m3、谷電蓄熱水箱容積1 m3；當以費用年值為評價指標時，最優(yōu)工況2為：谷電蓄熱水箱容積1 m3、集熱器面積21 m2、生物質(zhì)鍋爐容量10 kW、集熱水箱容積1.9 m3。

根據(jù)上文分析，為評價指標時的最優(yōu)工況1、為評價指標時的最優(yōu)工況2和系統(tǒng)最初的設計工況三者進行對比，得到的數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 三種工況下f對比圖

由圖6可知，供暖期內(nèi)，設計工況下11月、12月、1月、2月、3月的分別為36.82%、32.85%、28.85%、38.81%、53.04%；優(yōu)化工況1下11月、12月、1月、2月、3月的分別為59.78%、55.64%、51.34%、61.49%、63.9%；優(yōu)化工況2下11月、12月、1月、2月、3月的分別為38%、34%、29.42%、38.9%、57.47%；相較于設計工況，供暖期內(nèi)優(yōu)化工況1的平均提高了18.87%；優(yōu)化工況2的平均提高了1.49%。

圖7 三種工況下各費用對比圖

圖7是三種工況下，費用年值、運行費用、系統(tǒng)初投資對比圖。由圖7可知，設計工況下費用年值為6 150.77元、運行費用2 731.45元、系統(tǒng)初投資17 450元；優(yōu)化工況1下費用年值為5 881.95元、運行費用1 810.92元、系統(tǒng)初投資20 775元；優(yōu)化工況2下費用年值為5 380.3元、運行費用2 350.06元、系統(tǒng)初投資15 465元；相較于設計工況，壽命期內(nèi)優(yōu)化工況1的降低了268.82元；優(yōu)化工況2的降低了770.47元。

3 實驗設計

3.1 實驗方法

由于太陽能保證率的復雜性與不穩(wěn)定性，本節(jié)將選用上文費用年值評價指標下的最優(yōu)工況進行實驗研究。根據(jù)系統(tǒng)原理圖搭建的實驗布置如圖8所示，實驗主要測試溫度、熱量、生物質(zhì)消耗量和水泵耗電量。

圖8 實驗設備布置圖

測試方法如下：

（1）太陽輻射測試方法。試驗選用SM206太陽能輻射測試儀，測量范圍為0.1 ～ 1 999 W/m2。將太陽輻射儀安裝在與集熱器采光面平行的位置。

（2）流量測試方法。用渦輪流量計檢測太陽能集熱循環(huán)管路、采暖循環(huán)管路以及蓄熱管路流量。

（3）溫度測試方法。實驗使用T型熱電偶（銅?康銅）對系統(tǒng)集熱器進出口溫度、集熱水箱溫度進出口溫度、谷電蓄熱水箱溫度、生物質(zhì)鍋爐進出口處溫度進行測試。

（4）熱量測試方法。由流量、溫差等參數(shù)求出，通過渦輪流量計記錄逐時流量，T型熱電偶記錄管路逐時供回水溫度。

（5）生物質(zhì)燃料消耗量測試方法。測試前利用高精度電子秤對生物質(zhì)燃料進行稱重，測試結(jié)束后對剩余生物質(zhì)燃料進行稱重，其差值為測試期間生物質(zhì)消耗量。

（6）耗電量測試方法。各循環(huán)泵的耗電量可由實驗室內(nèi)配電柜的電能表讀出。

（7）室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)測試方法。室內(nèi)外環(huán)境溫度由自動記錄儀測試。

（8）數(shù)據(jù)采集。實驗使用安捷倫 34970A數(shù)據(jù)采集/開關單元。

3.2 試驗分析

3.2.1 室內(nèi)溫度分析

2021年1月5日至1月9日對聯(lián)合供暖系統(tǒng)進行測試，選取1月5日室內(nèi)測點溫度與室外環(huán)境溫度進行分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 各測點各時段溫度分布圖

由圖9可知，石家莊地區(qū)晝夜溫差較大，室外溫度呈先降低后升高又降低的趨勢，室外溫升階段各測點溫度溫升明顯；室內(nèi)測點溫度變化較大，但變化趨勢基本相同，測點1、測點3溫度在18.39℃ ～ 22.80℃區(qū)間波動，測點2、測點4溫度在18.45℃～ 20.88℃區(qū)間波動，測點5溫度在18.62℃ ～ 24.31℃區(qū)間波動。這是由于測點5在風機盤管下方，升溫較快，測點1、測點3靠近窗戶在向陽面，測點2、測點4在背陽面，室內(nèi)平均溫度在19.60℃ ～ 21.06℃區(qū)間波動，有較好的熱舒適性。在夜間22:00至次日6:00，用生物質(zhì)鍋爐供暖，室外溫度在?2.66℃～ ?5.51℃區(qū)間波動，室內(nèi)平均溫度在18.92℃～ 19.06℃區(qū)間波動，夜間室內(nèi)溫度受室外溫度影響較大，但平均室溫穩(wěn)定，有較好的熱舒適性。

3.2.2 系統(tǒng)效率分析

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)燃料量的比值。

圖10為聯(lián)合供暖系統(tǒng)在測試期間各部分設備供熱量及生物質(zhì)消耗量，由圖可知測試期間集熱水箱平均供熱量14.62 kW?h，生物質(zhì)鍋爐平均供熱量123.59 kW?h，向建筑平均供熱量130.47 kW?h。由于測試期間處于供暖期最冷月，其太陽能輻照量較低，集熱水箱供熱量較少，但總的供熱量滿足建筑供暖需求，說明本文聯(lián)合供暖系統(tǒng)是可行的。

圖10 聯(lián)合供暖系統(tǒng)供熱量與生物質(zhì)消耗量

圖11為聯(lián)合供暖系統(tǒng)測試期間系統(tǒng)供熱效率，由圖可知該供暖系統(tǒng)測試期間的系統(tǒng)效率分別為64.62%、67.48%、68.42%、72.83%、70.13%，其平均效率為68.70%。

圖11 聯(lián)合供暖系統(tǒng)效率

4 結(jié) 論

利用TRNSYS軟件建立系統(tǒng)模型，以太陽能保證率和費用年值為系統(tǒng)評價指標，通過正交實驗設計選出最優(yōu)工況，并對費用年值評價指標下的最優(yōu)工況進行試驗研究，得出以下結(jié)論：

（1）當以太陽能保證率為評價指標時，最優(yōu)工況1為：集熱器面積39 m2、生物質(zhì)鍋爐容量10 kW、集熱水箱容積3.3 m3、谷電蓄熱水箱容積1 m3；當以費用年值為評價指標時，最優(yōu)工況2為：谷電蓄熱水箱容積1 m3、集熱器面積21 m2、生物質(zhì)鍋爐容量10 kW、集熱水箱容積1.9 m3。

（2）相較于設計工況，供暖期內(nèi)優(yōu)化工況1的平均提高了18.87%，優(yōu)化工況2的平均提高了1.49%。壽命期內(nèi)優(yōu)化工況1的降低了268.82元，優(yōu)化工況2的降低了770.47元。

（3）聯(lián)合供暖系統(tǒng)平均室溫在19.60℃～ 21.06℃區(qū)間波動，室溫變化穩(wěn)定，熱舒適性良好，系統(tǒng)平均供熱效率為68.70%。

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[11] 任露泉. 試驗優(yōu)化設計與分析[M]. 2版. 北京: 高等教育出版社, 2003.

Study of Solar-Biomass Combined Heating System

ZHANG Liang-rui, CUI Hai-ting, MA Kang-le, ZHANG Xin-yue

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China)

In order to study the heating effect of the combined solar-biomass heating system, various working conditions were designed by orthogonal experiments. TRNSYS software was used to simulate to obtain the optimal working conditions, and experimental studies were conducted according to the optimal working conditions parameters. The results showed that the combined heating system had good thermal comfort and the average heating efficiency of the system was 68.70% under conditions of 21 m2collector area, 10 kW biomass boiler capacity, 1.9 m3collector water tank volume and 1 m3valley electric storage water tank volume.

solar energy; biomass energy; orthogonal test; TRNSYS

2095-560X（2022）03-0249-09

TK6；TU832.1

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2022.03.009

2022-04-04

2022-04-20

河北省自然科學基金項目（B2021208017）；石家莊市科技研究與發(fā)展計劃項目（211230093A）

崔海亭，E-mail：cuiht@126.com

張良銳（1994-），男，碩士研究生，主要從事相變儲能與新能源利用研究。

崔海亭（1964-），男，博士，教授，主要從事蓄熱與強化傳熱技術(shù)方面的研究。