生物质能-太阳能联合供暖系统在北方农村的应用研究

周瑞辰， 张兴惠， 闫瑞妙

(太原理工大学 环境科学与工程学院， 山西 太原 030024)

煤在北方地区供暖现阶段依然占据主力位置，但其用作供暖能耗较大[1]。而且煤炭品质参差不齐，燃烧不充分，会产生大量的S和N氧化物污染环境[2]。农村无天然气管网，热泵空调因国内厂家技术不过关，始终无法达到高效、节能指标，造成无法使用其在北方大规模采暖[3]。太阳能作为一种清洁能源虽然具有普遍性、长久性，但它受季节、地理、天气等自然条件的限制影响，到达地面的辐射量是间断的，不稳定的[4]，目前在太阳能储存上面临很多技术难题，为了进行连续供暖，必将增加集热器面积，水箱容积，提高初投资费用，单独使用太阳能在农村中供暖并不理想。生物质能是来源于太阳能的一种可再生能源，具有含碳量低的特点，我国每年生物质资源量折合7亿吨标准煤[5].发展包含生物质能在内的可再生能源不仅能够优化能源结构，而且有助于减轻温室效应和生态良性循环，可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成为解决能源与环境问题的重要途径之一[6-9]。生物质固体成型燃料技术是在一定温度和压力作用下，把木质素充当粘合剂将松散的秸秆、树枝和木屑等农林生物质压缩成棒状，块状或颗粒状等成型燃料[10]。木质、棉杆和玉米秸秆为原材料的3种燃料NO排放量均在0.05%以下，CO也不高于1%[11]。由于我国北方农村地区有丰富的生物质能源和太阳能资源，燃料运输成本低，高效环保的生物质锅炉辅助太阳能供热系统的开发和利用，对形成具有清洁、高效、舒适、可持续的村镇供暖模式，有着重要的意义[12]，与煤相比，生物质固体燃料排放的温室气体不到煤的1/9，能源环境效益巨大[13]。

生物质-太阳能联合供暖系统是将生物质燃料作为辅助热源，在阳光充足时发挥太阳能的作用，太阳能提供热量，生物质锅炉不运行；而在气候不好的时候生物质炉弥补太阳能供热的不足，两者切换使用降低了运行成本，提高了生物质炉的使用寿命，无需为了增加集热器面积而增加初投资，降低成本[14]。目前，对此系统的研究主要集中于对系统的设计上，鲜少有研究人员对此系统做具体实验分析[15]。因此，本文以山西省吕梁市归化村一农宅为研究对象，通过对该系统进行完备的数据采集与数值计算，分析对比其可行性与经济性。本次测试对象是实际住户而非实验室人工模拟环境，所以测试结果更能真正反映出该系统在不同工况下的供暖特性；并且能在一定程度上对该系统在北方农村地区的应用提供参考。

1 实验方法

1.1 建筑概况

规划村位于寒冷地区，1月份是每年最寒冷的季节，故选择在2016年12月份至2017年2月份进行测试，便于观测该系统在最不利气候条件下的应对能力。选择了一家具有地暖的典型农户作为测试对象(见图1)，并在该系统设计的同时加入了电加热系统进行对比测试，为了满足房间整体供暖需求，经负荷计算后，选择功率为6 kW的电加热棒置于水箱内部，在室内控制系统启停的时间。该宅建于2002年，正门朝南，有足够的日照，房前有一庭院，房屋平面图见图2。

图1 归化村居民住宅

图2 住宅平面图及室内测点分布

1.2 系统设计和测定方法

1.2.1 系统设计方案

在本次试验中，试验位于吕梁市信义镇归化村，房间采暖面积为100 m2。供暖的热负荷经过计算为5982.3 W，供暖方式为全天供暖，每天供暖时长为24 h，所需热量为144 kW·h。本次供试系统共有18块光热板，通过并联的形式将两组串联的光热板连接在一起，其中一组太阳能集热器包含8块集热板，另一组太阳能集热器包含10块集热板。根据现阶段测试，晴朗天气下，太阳的平均光照强度为(9:30～16:00)760 w·m-2，平均流量0.61 t·h-1，平均进水温度28℃，出水温度40℃，平均温升12℃，平均光热效率50%。因此1块太阳能集热板1天可收集5.32 kW·h的热量。晴天时每天可向房间供给热量95.76 kW·h。晴天时，白天由太阳能供暖，晚上21：00点开始用生物质炉供暖到第2天早上7：00点；隔天采用电加热作为辅助热源供热，同样从晚上21:00供暖至第2天早上7:00点。

系统设计应该使用户室内温度在最冷天达到《寒冷地区居住建筑节能设计标准》中的要求，整个系统简单合理、管路紧凑明确，保证生活用水的水质水量，保证太阳能集热器的效率[16-17]。根据以上设计要求，考虑经济因素，工程费用，设计出图3所示方案。

图3 太阳能-生物质能联合供暖系统简图

1.2.2 系统运行方案

在日常运行时，系统分为6种运行状态，其各种运行方案的详细情况如下：

状态1：当太阳能集热器出水温度与储热水箱内水的温差Tb-Ts≥5℃,并且室内温度T0>18℃时，此时太阳辐射较强，太阳能集热器出水温度较高，并且房间温度过高，系统可以暂时停止向房间供热，将多余热量储存在水箱中。此时系统将水箱的旁通管路关闭，将水箱进出口阀门打开，使水流经水箱后直接回到太阳能集热器形成循环。

状态2：当太阳能集热器出水温度与储热水箱内水的温差Tb-Ts≥5℃,并且室内温度T0<16℃时，此时太阳辐射较强，太阳能集热器出水温度较高，但是房间温度过低，可以将太阳能集热器的供水不经水箱直接供给采暖用户。

状态3：当太阳能集热器出水温度与储热水箱内水的温差Tb-Ts<5℃,并且室内温度T0>18℃时，此时太阳辐较小，房间温度达到采暖温度，系统关闭。

状态4：当太阳能集热器出水温度与储热水箱内水的温差Tb-Ts<5℃,室内温度T0<16℃，并且太阳能集热器出水温度Tb≥45℃时，此时太阳辐射较小，但足以向房间供暖，太阳能集热器的供水不经水箱直接供给采暖用户。

状态5：当太阳能集热器出水温度与储热水箱内水的温差Tb-Ts<5℃,室内温度T0<16 ℃，并且太阳能集热器出水温度Tb<45℃，水箱温度Ts≥46℃时，太阳辐射过小，不足以向房间供暖，但是水箱内热量充足，因此将太阳能集热器关闭，由水箱直接向采暖用户供给热量。

状态6：当太阳能集热器出水温度与储热水箱内水的温差Tb-Ts<5℃,室内温度T0<16 ℃，并且太阳能集热器出水温度Tb<45℃，水箱温度Ts<44℃时，太阳辐射过小，水箱内热量用尽，此时需要使用电加热或生物质炉向水箱补热，提升水箱温度并向采暖用户供热。

1.2.3 检测仪器和分析方法

室内温度采用美国Agilent 34972A LXI/USB数据采集开关单元(见图4)进行测定，使用前进过校准。采集仪可利用USB线直接连接电脑，并可利用专用软件Agilent Bench Link Data Logger 3对采集仪进行操控。各种传感器需通过采集仪上面的34901A数据采集模块与采集仪进行连接。采集模块上共有22个连接通道，其中20个为LH通道，另外2个为LI通道。本次试验的温度传感器分为两种。一种是铠装pt100铂电阻温度传感器，自带4分螺纹，可与ppr管连接测量管内流体温度。一种是普通防水pt100铂电阻温度传感器。用于测量采暖用户室内室外温度、集热板温度与水箱内水温(见图5和图6)。数据采集仪在偏厅放置，每30 S自动记录数据，测试仪器及参数见表1。

图4 数据采集仪

图5 铠装铂电阻传感器

图6 普通防水传感器

测试仪器 测量精度 测量范围铠装铂电阻温度传感器±0.5%-50℃～150℃普通防水温度传感器B级精度±0.3℃-200℃～550℃电磁流量计0.5%0.1～10 m·s-1

2 实验分析

2.1 室内温度分析

经过连续多天数据测试，选取1组能反应当地供暖季平均室外温度水平的1天作为研究对象，将测试数据调入originpro软件并绘制相应的折线图(见图7)。

图7 各测点各时段温度分布图

由图7可以看出，吕梁地区昼夜温差较大，白天9点至下午4点采用太阳能供暖，室外在上午9点到10点时间段有迅速的温升，而室内房间温升阶段主要在上午10点到下午13点，下午15点后室内外温度均在降低。在此期间各房间温度变化较大，但变化趋势基本保持一致，其中客厅温度相对最高，主卧和偏厅都在向阳面，温度相差不多，次卧在背阳面温度最低；夜晚21点到第二天早上7点用生物质锅炉供暖，在本时间段各房间温度变化很小，室内温度非常稳定，数据显示在室内温度在17.39℃～17.88℃波动，室外温度在-3.48℃～-7.01℃波动，室内温度分布均匀，舒适性很好。

2.2 对比性测试

从3个月测试期间选出了连续最冷2天的室外温度情况，分别测试了生物质锅炉和电加热两种辅助热源在本地区极寒天气情况下室内平均温度的表现，如图8所示。

图8 极寒温度下2种辅助热源的对比

夜间室外温度在-12℃～-6℃波动，只研究用辅助热源在夜间采暖期的表现。由图8可知，当采用生物质炉供暖时，即便室外温度很低，依然可以保证室内平均温度在17.3℃～17.5℃，温度波动很小，保持度很好，非常稳定；当采用电加热供暖时，随着室外温度的逐渐降低，室内平均温度无法维持在16 ℃以上，测试数据显示，波动范围在13.55℃～15.59℃，已经无法满足国家制定的《农村居住建筑节能设计标准》，即GB/T50824-2013中规定冬季供暖标准为16℃～24℃。而且室内平均温度波动很大，稳定性较差。

2.3 辅助热源经济性比较

从初投资和运行费用2个方面来评价辅助热源的经济性，将其初投资和运行费用折合成综合热价，从而来衡量其经济性的优劣。由于各种辅助热源的初投资相差很大，而且经过若干年后货币价值的变动情况不明。因此，将各个运行费用折合为投资年限值，能够更准确的进行经济性比较。本供暖系统中太阳能保证率为50%,辅助热源承担的平均负荷占总负荷的50%,在供暖期，辅助热源提供的热量为259.2 MJ·d-1,辅助供热系统的寿命按15年计算,公式如下[18]：

(1)

式中：M为辅助热源综合热价现值，元·MJ-1；H为辅助系统初投资，元；n为系统使用寿命，年；i为银行存款利率，本文取3%；Ut为第t年的运行费用，元；Qt为辅助系统第t年提供的热量，MJ。

系统某年的运行费用根据公式2计算[19]:

(2)

式中：Q为由辅助系统提供的负荷，MJ；q为单位热源的热值；η为辅助系统热效率；p为单位热源的市场价格。

将公式2带入公式1中即可得到各辅助系统折现后的综合热价，辅助热源的具体参数及综合热价见表2。

由表中计算结果可见，煤作为辅助热源最为经济，这主要是因为山西地区煤炭资源丰富且煤价便宜，运输方便，但是煤炭质量参差不齐，对环境污染严重，不符合国家建设绿色环保新农村的理念；其次是生物质燃料，它也是非常经济的辅助热源，而且生物质燃料作为可再生燃料，污染极低，农村地区也便于制造运输。热泵和电加热经济性较差，这主要是因为热泵初投资大，对于农村单住宅用户来说性价比很低，不易于推广，突出不了其优势；电加热设备消耗单位电能的产热量太小，用电量太大，效果不理想。

表2 辅助热源综合热价参数

注：本表中热源价格、初投资为本地查询值，仅供参考

2.4 环境效益分析

农村用户多采用太阳能采暖系统，可以大量减少温室气体、有害气体，例如：二氧化碳、二氧化硫和粉尘等的排放。太阳能作为一种清洁能源取代化石能源节能效益良好。该住宅建筑面积100 m2，以15年为有效期计算二氧化碳的减排量如下式计算[20]：

(3)

其中：△Q由集热系统面积、太阳辐射量、集热器平均集热效率、蓄热水箱与管路损失率计算而来。对于本系统，供暖期年节约总能量为14752.8 MJ，非供暖期供热水系统年节约总能量为15201.2 MJ，系统总年节约量为29954 MJ，代入公式(3)计算得出本供暖系统在使用年限内二氧化碳减排量62784.8吨；二氧化硫、烟尘排放因子分别为0.02，0.01，计算得出系统二氧化硫减排量为471.2吨，烟尘减排量为235.9吨。

3 结 论

(1)通过对山西吕梁归化村地区住宅室内各房间温度进行连续性测试，用生物质锅炉作为辅助热源供暖可以很好保持房间温度，房间各时段温度波动不超过±0.5℃，相比电加热作为辅助热源可以明显看出生物质锅炉在稳定性上的明显优势，而且生物质锅炉可以保证在室外恶劣工况下室内整体的温度适宜。

(2)通过对各种辅助热源进行经济效益的对比，可以清楚的发现生物质燃料在农村使用的经济性明显优于热泵系统、电加热系统。

(3)通过计算二氧化碳、二氧化硫、粉尘三个指标的减排量对系统的环境效益进行评价，得出系统的减排量为：二氧化碳减排量为62784.8吨,二氧化硫减排量为471.2吨，烟尘减排量为235.9吨。

(4)本次实验测试对太阳能—生物质能互补供暖系统在农村的使用有一定的指导性，可以看出其在某些领域的优越性，对此系统在北方农村地区的推广应用提供一定依据。