收稿日期：2022-09-07

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校碳達(dá)峰碳中和研究專項(xiàng)項(xiàng)目（STZX202230）；國(guó)家自然科學(xué)基金（52368010）；內(nèi)蒙古自治區(qū)檔案科技項(xiàng)目

（2022-39）；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)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(hào)：0254-0096（2023）12-0544-08

摘 要：提出3種結(jié)構(gòu)不同的風(fēng)能太陽(yáng)能耦合天然氣多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)，結(jié)合全年太陽(yáng)能測(cè)試數(shù)據(jù)及3年風(fēng)能測(cè)試數(shù)據(jù)作為仿真模擬的邊界條件與真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐，構(gòu)建TRNSYS仿真模型。以呼和浩特市郊區(qū)典型建筑為例，對(duì)3套系統(tǒng)進(jìn)行模擬與分析得出：集熱效率與集熱面積、風(fēng)力機(jī)額定功率呈一種二元Parabola函數(shù)關(guān)系，集熱效率隨集熱面積的增大而逐漸減小；燃?xì)獗趻鞝t熱效率隨集熱面積、風(fēng)力機(jī)額定功率的變化不明顯；燃?xì)庀牧颗c集熱面積、風(fēng)力機(jī)額定功率呈一種以e為底的二元指數(shù)函數(shù)關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)集熱面積增加到一定數(shù)值后，燃?xì)庀牧矿E減；對(duì)比3種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相比，對(duì)于農(nóng)村典型建筑，出力順序?yàn)椤叭細(xì)獗趻鞝t→太陽(yáng)能集熱器→風(fēng)力機(jī)”的串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能集熱器；天然氣；集熱器效率；多能互補(bǔ)；風(fēng)力機(jī)額定功率

中圖分類號(hào)：TK01""""""""" """"""""" "" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

中國(guó)北方地區(qū)冬季長(zhǎng)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(wèn)題，清潔取暖是解決該問(wèn)題的有效途徑。綜合能源系統(tǒng)相對(duì)于單一能源系統(tǒng)具有更加豐富的能量來(lái)源，且多應(yīng)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(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。耿直等［1］提出一種太陽(yáng)能與風(fēng)能互補(bǔ)的供暖方案，通過(guò)對(duì)供暖系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析得出，在供暖期間總體光學(xué)轉(zhuǎn)化效率呈先降低再升高的趨勢(shì)，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(fēng)電、儲(chǔ)熱水箱、燃?xì)饨M成的聯(lián)合供熱系統(tǒng)，通過(guò)分析風(fēng)電場(chǎng)月均輸出功率、風(fēng)電輸出功率與額定功率之比，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性；李源［3］針對(duì)空氣源耦合燃?xì)獗趻鞝t、太陽(yáng)能耦合燃?xì)獗趻鞝t等多種多能互補(bǔ)系統(tǒng)，利用示范項(xiàng)目實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從能耗、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、技術(shù)4個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了適宜性分析；Bellos等［4］和鄧鵬杰［5］將TRNSYS等計(jì)算機(jī)仿真軟件應(yīng)用于多能互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)化研究，優(yōu)化目標(biāo)集中在系統(tǒng)設(shè)備容量、太陽(yáng)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(yáng)能供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，通過(guò)對(duì)比此系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃?xì)獗趻鞝t和電加熱采暖系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)冷凝式壁掛爐輔助太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的年運(yùn)行成本最低。

目前，針對(duì)內(nèi)蒙古中部地區(qū)的多能互補(bǔ)系統(tǒng)研究中多數(shù)只含有單一的太陽(yáng)能或風(fēng)能，忽略了強(qiáng)大的可再生能源開(kāi)發(fā)潛力。天然氣補(bǔ)充風(fēng)能太陽(yáng)能的多能源互補(bǔ)供能系統(tǒng)在呼和浩特地區(qū)有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但目前關(guān)于上述系統(tǒng)的研究較少，且缺少具體運(yùn)行參數(shù)之間的耦合研究?；诖耍疚尼槍?duì)呼和浩特市郊區(qū)天然氣補(bǔ)充風(fēng)能太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬。通過(guò)調(diào)研與實(shí)驗(yàn)研究為仿真模擬提供邊界條件與真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。設(shè)計(jì)選擇適合郊區(qū)農(nóng)村居住建筑的多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)控制方法，研究多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器效率、燃?xì)庀牧康冗\(yùn)行參數(shù)與系統(tǒng)各參數(shù)的耦合關(guān)系，以期為相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)為今后相關(guān)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(yáng)能豐富Ⅱ區(qū)，且其風(fēng)能潛力巨大，擁有豐富的可再生能源。因其位于嚴(yán)寒C類地區(qū)，冬季寒冷漫長(zhǎng)，每年供暖需求量約為5個(gè)月［7］。本文根據(jù)對(duì)呼和浩特市周邊4個(gè)村落的實(shí)際調(diào)研結(jié)果，確立以某農(nóng)村典型建筑為研究對(duì)象，建筑面積60 m2，建筑平面圖如圖1所示，設(shè)定供暖時(shí)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(xiàng)參數(shù)均以實(shí)際調(diào)研為參考。

1.2 系統(tǒng)原理構(gòu)成

天然氣補(bǔ)充風(fēng)能太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的構(gòu)成與連接方式如圖2所示。太陽(yáng)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(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)，加入風(fēng)能后的多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益有顯著提高［8-10］，因城郊地區(qū)住宅的風(fēng)電裝機(jī)容量有限，其產(chǎn)生的熱能大部分能儲(chǔ)存于蓄熱水箱中，故不設(shè)置風(fēng)電蓄電池。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［11］，太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)中，其蓄熱單元應(yīng)能夠容納1～7 d的蓄熱量，水箱內(nèi)的最高溫度不得

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

2 模型建立

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐

為向仿真模型提供更加真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)行大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。太陽(yáng)能測(cè)試實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院樓頂，采用PC-2-T2型光伏電站環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行為期一年的測(cè)試，并對(duì)太陽(yáng)能資源進(jìn)行時(shí)間特性分析。結(jié)果表明，在供暖期內(nèi)太陽(yáng)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(fēng)能實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選取為內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源基地，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用ZephIR ZX 300型激光雷達(dá)對(duì)風(fēng)資源進(jìn)行為期3年的測(cè)試，并進(jìn)行時(shí)空特性分析。結(jié)果表明，2、4、11月份的平均風(fēng)速較高，其中2月份平均風(fēng)速最大，在19 m處達(dá)到3.05 m/s。供暖期熱負(fù)荷產(chǎn)生時(shí)間與風(fēng)資源時(shí)間匹配度較好，具有較大的風(fēng)資源利用潛力。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)蓄熱水箱的保溫性能與水箱內(nèi)換熱盤管的換熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)流程以及儀器選用嚴(yán)格依據(jù)水箱測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)［12］。計(jì)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(shí)驗(yàn)為仿真模擬提供了關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)與真實(shí)數(shù)據(jù)支撐。

2.2 仿真模型構(gòu)建

本文創(chuàng)建了3種農(nóng)村多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)控制方法，構(gòu)建了3套仿真模型，3套仿真系統(tǒng)按照熱源運(yùn)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?yàn)椤叭細(xì)獗趻鞝t→太陽(yáng)能集熱器→風(fēng)力機(jī)”，仿真模型如圖3所示；串聯(lián)

SGW出力順序?yàn)椤疤?yáng)能集熱器→燃?xì)獗趻鞝t→風(fēng)力機(jī)”，仿真模型如圖4所示；并聯(lián)結(jié)構(gòu)燃?xì)獗趻鞝t和平板集熱器通過(guò)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(tái)。所使用關(guān)鍵核心組件為：Type156儲(chǔ)熱水箱，Type15天氣文件處理器，Type 2b控制器，Type 1b平板式太陽(yáng)能集熱器，Type 751燃?xì)獗趻鞝t，Type 682負(fù)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(jì)算時(shí)長(zhǎng)均為1 a，共計(jì)8760 h，仿真計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1 h。

串聯(lián)GSW模型：當(dāng)供暖開(kāi)始時(shí)，室內(nèi)溫度較低，水箱溫度接近室內(nèi)溫度，開(kāi)啟熱源側(cè)循環(huán)泵，啟動(dòng)燃?xì)獗趻鞝t，壁掛爐始終運(yùn)行在45～47 ℃進(jìn)水溫度區(qū)間，在加熱一段時(shí)間后，當(dāng)水箱溫度超過(guò)控制策略設(shè)定的2 ℃上死區(qū)溫度后，停止加熱，循環(huán)往復(fù)。當(dāng)水箱溫度低于80 ℃，太陽(yáng)能集熱器進(jìn)出水溫差大于2 ℃時(shí)，開(kāi)啟三通閥Type 11f流向太陽(yáng)能集熱器通路，否則關(guān)閉通路；水箱溫度低于80 ℃時(shí)啟動(dòng)風(fēng)力機(jī)，相反則關(guān)閉。

串聯(lián)SGW模型：為避免由于控制策略差異導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不同，該系統(tǒng)設(shè)置與GSW系統(tǒng)相同的控制原理。

并聯(lián)模型：供暖期開(kāi)始，水箱溫度較低，各組件判斷是否開(kāi)啟各自循環(huán)水泵。當(dāng)水箱溫度低于45 ℃時(shí)，開(kāi)啟燃?xì)獗趻鞝t；當(dāng)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(shí)，啟動(dòng)運(yùn)行太陽(yáng)能集熱器；當(dāng)風(fēng)力機(jī)滿足運(yùn)行要求，且水箱溫度低于80 ℃時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)力機(jī)。

3 模擬結(jié)果與分析

對(duì)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(yùn)行的關(guān)鍵。本文針對(duì)所搭建系統(tǒng)，著重探究太陽(yáng)能集熱器熱效率、壁掛爐熱效率、燃?xì)庀牧扛鬟\(yùn)行參數(shù)與系統(tǒng)集熱面積、風(fēng)力機(jī)額定功率的關(guān)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(dá)式。

3.1 太陽(yáng)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(fēng)力機(jī)額定功率、太陽(yáng)能集熱器集熱面積的變化如圖6所示。

圖6中[x]軸為風(fēng)力機(jī)額定功率，[y]軸為集熱面積，z軸為集熱器熱效率，圓點(diǎn)為當(dāng)前模式下整個(gè)仿真模擬運(yùn)行期間集熱器熱效率平均值，曲面為擬合所得結(jié)果。擬合得出集熱器熱效率與集熱面積、風(fēng)力機(jī)額定功率的函數(shù)關(guān)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(fēng)力機(jī)額定功率，[kW]；[A]——太陽(yáng)能集熱器集熱面積，[m2]。

多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)中集熱效率與集熱面積、風(fēng)力機(jī)額定功率呈一種二元Parabola函數(shù)關(guān)系。通過(guò)分析得知，當(dāng)集熱面積小于4 m2時(shí)，流經(jīng)太陽(yáng)能集熱器的熱介質(zhì)溫升不明顯，在未達(dá)到限定溫度時(shí)，燃?xì)獗趻鞝t繼續(xù)加熱，使得再次進(jìn)入集熱器傳熱介質(zhì)的溫度升高，導(dǎo)致熱效率逐漸降低。當(dāng)集熱面積一定時(shí)，隨著風(fēng)力機(jī)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(guò)集熱器的加熱溫度升高明顯，此時(shí)達(dá)到燃?xì)獗趻鞝t的限定溫度后，壁掛爐無(wú)需啟動(dòng)，集熱效率有所升高。當(dāng)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(yáng)能增多，水箱內(nèi)的熱介質(zhì)溫升明顯，使得集熱器進(jìn)水溫度升高，熱效率有所降低。因此，在儲(chǔ)熱設(shè)備不變的情況下，更大的太陽(yáng)能集熱面積將導(dǎo)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(jié)構(gòu)下，集熱器熱效率隨風(fēng)力機(jī)額定功率以及太陽(yáng)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(fēng)力機(jī)額定功率的函數(shù)關(guān)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(dāng)集熱面積一定時(shí)，隨著風(fēng)力機(jī)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(shì)。隨著集熱面積的增大，集熱器中的熱量以長(zhǎng)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(fēng)力機(jī)額定功率以及太陽(yáng)能集熱面積的變化如圖8所示。圖中曲面為擬合結(jié)果，集熱器熱效率隨集熱面積、風(fēng)力機(jī)額定功率的函數(shù)關(guān)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(fēng)力機(jī)額定功率的整體變化趨勢(shì)與上述兩系統(tǒng)相同。當(dāng)集熱面積小于20 m2時(shí)，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(yáng)能增多，使水箱溫度上升，集熱器進(jìn)水溫度升高，集熱效率下降。當(dāng)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(dá)到上限值后，系統(tǒng)的集熱部分將停止運(yùn)行，隨著面積的增大，水箱中水溫并不會(huì)無(wú)限升高，因此集熱效率下降速率變緩。

3.2 燃?xì)獗趻鞝t熱效率分析

燃?xì)獗趻鞝t熱效率為燃?xì)馑訜岬难h(huán)工質(zhì)獲得的熱量與燃?xì)庀臒崃康谋戎担溆?jì)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(jìn)水溫度，[K]；[qG]——燃?xì)鉄嶂?，[J"/m3]；[VG]——燃?xì)怏w積流量，[m3/s]。

圖9為3種模式下整個(gè)仿真模擬運(yùn)行期間壁掛爐熱效率平均值。由于燃?xì)獗趻鞝t始終運(yùn)行在45～47 ℃的進(jìn)水溫度區(qū)間，故在不同風(fēng)力機(jī)額定功率下，隨著太陽(yáng)能集熱面積的增大，熱效率的變化不明顯，且風(fēng)力機(jī)額定功率的影響也相對(duì)較小，整體變化幅度不超過(guò)1%。

雖然燃?xì)獗趻鞝t熱效率變化不明顯，但發(fā)現(xiàn)不同模式下供暖期間燃?xì)庀牧颗c風(fēng)力機(jī)額定功率、集熱面積存在一定的函數(shù)關(guān)系。

3.2.1 串聯(lián)GSW系統(tǒng)模式

串聯(lián)GSW系統(tǒng)模式下，燃?xì)庀? 量隨風(fēng)力機(jī)額定功率以及太陽(yáng)能集熱面積的變化如圖10所示。燃?xì)庀牧颗c集熱面積、風(fēng)力機(jī)額定功率的函數(shù)關(guān)系如式（5）所示。

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

式中：[Vg]——供暖期燃?xì)庀牧?，m3。

多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)中供暖期燃?xì)庀牧颗c集熱面積、風(fēng)力機(jī)額定功率呈一種以e為底的二元指數(shù)函數(shù)關(guān)系。特別注意的是，當(dāng)太陽(yáng)能集熱面積增大到10 m2時(shí)，燃?xì)庀牧矿E減。

3.2.2 串聯(lián)SGW系統(tǒng)模式

串聯(lián)SGW系統(tǒng)模式下，燃?xì)庀牧侩S風(fēng)力機(jī)額定功率以及太陽(yáng)能集熱面積的變化如圖11所示。燃?xì)庀牧颗c集熱面積、風(fēng)力機(jī)額定功率的函數(shù)關(guān)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?xì)庀牧康娘L(fēng)力機(jī)額定功率敏感度SGW工況強(qiáng)于GSW工況約22.98%；而集熱器面積[A]敏感度則相反，GSW工況強(qiáng)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?xì)庀牧侩S風(fēng)力機(jī)額定功率以及太陽(yáng)能集熱面積的變化如圖12所示。燃?xì)庀牧颗c集熱面積、風(fēng)力機(jī)額定功率的函數(shù)關(guān)系為式（7）：

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

并聯(lián)結(jié)構(gòu)相較于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在燃?xì)庀牧糠矫娌徽撌荹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(guò)對(duì)以上3套系統(tǒng)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)集熱面積增大到一定數(shù)值后，燃?xì)庀牧矿E減，之后的燃?xì)庀乃俾拭黠@降低?？梢?jiàn)集熱面積的選擇對(duì)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(jié)構(gòu)選擇

為了盡可能減少化石能源的使用，本文對(duì)比了3種系統(tǒng)的燃?xì)庀牧?。?jīng)過(guò)計(jì)算分析得出，在各種風(fēng)力機(jī)額定功率與集熱面積的組合下，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的燃?xì)庀牧烤笥趦煞N串聯(lián)系統(tǒng)，不同設(shè)備容量配置下燃?xì)庀牧吭黾拥谋壤秊?1%～65%。為對(duì)比兩種串聯(lián)系統(tǒng)模式在供暖期的燃?xì)庀牧浚瑢M合公式（式（6）與式（5））做差，得出不同風(fēng)力機(jī)額定功率與集熱面積下兩系統(tǒng)燃?xì)庀牧坎钪?，如圖13所示。

由圖13可知，在不同風(fēng)力機(jī)額定功率下，隨著太陽(yáng)能集熱面積的增大，燃?xì)庀牧坎钪抵饾u減小。當(dāng)集熱面積小于24 m2時(shí)差值曲線位于零差值線上方，即SGW結(jié)構(gòu)燃?xì)庀牧看笥贕SW結(jié)構(gòu)燃?xì)庀牧?，此時(shí)宜選用GSW結(jié)構(gòu)。當(dāng)集熱面積大于24 m2時(shí)差值曲線位于零差值線下方，即GSW結(jié)構(gòu)燃?xì)庀牧看笥赟GW結(jié)構(gòu)燃?xì)庀牧?，此時(shí)宜選用SGW結(jié)構(gòu)。

5 結(jié) 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(bǔ)供熱系統(tǒng)并進(jìn)行了模擬與分析，得出以下結(jié)論：

1）擬合得出多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)間函數(shù)關(guān)系式，量化參數(shù)間變化規(guī)律。太陽(yáng)能集熱效率與集熱面積、風(fēng)力機(jī)額定功率呈一種二元Parabola函數(shù)關(guān)系。

2）供暖期燃?xì)庀牧颗c太陽(yáng)能集熱面積、風(fēng)力機(jī)額定功率呈一種以e為底的二元指數(shù)函數(shù)關(guān)系。運(yùn)行參數(shù)間更清晰的數(shù)學(xué)表達(dá)與量化后的變化規(guī)律可為相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(duì)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(yáng)能集熱器面積大于24 m2時(shí)，SGW結(jié)構(gòu)燃?xì)庀牧扛伲恍∮?4 m2時(shí)，GSW結(jié)構(gòu)燃?xì)庀牧扛?。農(nóng)村典型建筑供熱系統(tǒng)中，太陽(yáng)能集熱面積建議在10 m2左右，在保證太陽(yáng)能集熱效率的同時(shí)燃?xì)庀牧恳草^低，故采用GSW結(jié)構(gòu)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