生物质锅炉辅助聚光光伏光热的低碳供热系统建模与优化研究

赵 洋， 岳 涵， 张 泳， 张 衡，2， 陈海平，2， 高 丹，3

(1． 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206；2． 华北电力大学 热电生产过程污染物监测与控制北京市重点实验室，北京 102206；3.华北电力大学 国家能源发展战略研究院，北京 102206)

自我国明确提出“力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值、2060年前实现碳中和”目标以来，绿色低碳能源转型已成必然趋势。以天然气和可再生能源为主要供热方式的供热系统正逐步取代煤炭供暖[1]。据预测，我国北方地区用于供暖的天然气消耗量将超过1 800亿m3[2]，然而我国天然气资源储量较低，供应量有限，需要大量进口国外天然气资源。目前国际局势紧张，天然气市场较不稳定，依赖天然气必会产生能源安全隐患，因此迫切需要另外的清洁能源替代天然气。

生物质广泛存在于自然界中，并以农作物、树林、动物代谢物以及农林废弃物等形式存在，具有环保、节能、可再生性以及产量丰富等特点[3]。由于生物质是由植物通过光合作用从大气中吸收二氧化碳的固碳作用产生的，使用其进行供热不会造成大气中二氧化碳量的增加，是一种零碳燃料[4-5]。我国农业生物质资源较为丰富，主要集中在我国北方地区，因此在北方地区利用生物质资源在冬季供热领域有巨大的应用潜力，可有效缓解天然气消耗压力[6]。目前，生物质成型燃料锅炉技术已较为成熟，在技术发展与国家政策影响下，生物质锅炉已经在北方地区迅速发展，并被广泛应用在北方住宅小区等户用生物质供暖领域[7]。

光伏光热技术(PV/T)最早由Kern和Russell在1978年提出，其主要原理为在光伏电池底部加装冷却流道，通过冷却水冷却光伏电池的同时吸收利用光伏电池热量[8]。光伏光热技术作为一种太阳能热电联产技术，相对于常规光伏电池或集热器，具有更高的太阳能综合利用率[9]。聚光技术通过提高入射太阳能能量密度，可有效提高PV/T产热品质，可以将出口水温度提升至50 ℃以上。由于采用便宜的聚光器，可以大幅降低系统成本，实现高效低成本的太阳能综合利用[10]。

地源热泵充分利用地热能，通过地埋管吸收或者放出土地和地下水中的热量，并用于冬天的供暖或夏天的制冷，同时也可利用土地和地下水的蓄热能力，实现了跨季节储能，是一种清洁高效的供能设备[11]。目前，许多学者将太阳能技术与地源热泵进行耦合，通过太阳能产出低品位热源，以对地源热泵产热进行补充，可同时提高光热部分与地源热泵的能效[12-13]。刘仙萍等[14]设计了PV/T与地源热泵耦合系统，研究了不同参数下的系统性能，结果表明PV/T的引入可使地源热泵的运行时间明显缩短，并有效降低了温度波动，有利于土地的热平衡。

我国北方地区有丰富的太阳能和生物质能等可再生能源，根据这一特点许多学者针对太阳能技术与生物质锅炉的耦合系统展开研究。韩中合等[15]设计了太阳能集热器与生物质能技术耦合的分布式供能系统，从能效、环境影响和经济收益3个角度对系统进行了综合评估。杨雪秀等[16]设计了用于北方农村的太阳能-生物质锅炉供暖系统，并对系统进行了动态分析，结果表明太阳能与生物质的耦合能够有效满足供暖需求，降低碳排放。综上所述，虽然许多学者对于太阳能技术与地源热泵系统，以及太阳能技术与生物质能源技术的结合进行了详细的研究，但是同时利用太阳能、地热能以及生物质能的低碳联合供热系统的研究相对较少。

基于上述研究背景，笔者提出将聚光光伏光热技术、生物质锅炉与地源热泵耦合的联合供热系统。以天津市某宿舍楼为研究对象，利用TRNSYS仿真平台对系统进行了动态研究，并以降低考虑经济性的系统建设及运行成本和提高考虑清洁能源使用量最大的能量保证率为目标，通过NSGA-II算法对系统配置与运行参数进行多目标优化设计，以期为民用低碳供热方案提供新思路。

1 供热系统设计

1.1 系统组成及运行模式

本文的生物质锅炉辅助聚光光伏光热供热系统主要由聚光光伏光热(CPV/T)组件、水源热泵、地埋管、生物质锅炉、水箱、循环水路、循环泵和控制阀门等组成，系统设计如图1所示。

图1 供热系统设计图Fig.1 Schematic diagram of heating system

对于该供热系统而言，蓄热水箱出口水温是关键参数，根据其数值不同有3种供热运行模式：(1) 当蓄热水箱出口水温高于设计温度T1时，采用蓄热水箱出口水直接对热网供热；(2) 当蓄热水箱出口水温低于另一设计温度T2时，仅开启生物质锅炉对热网循环水进行加热；(3) 当蓄热水箱出口水温在T2～T1内时，蓄热水箱出口水无法满足热网负荷需求，可将其作为水源热泵的低温热源，提高热泵效率，利用热泵对热网循环水进行加热。对于系统中聚光光伏光热组件所发出电量，采用“自发自用、余量上网”的运行模式。该模式下光伏发电系统并网，无需专门配置蓄电池系统，降低了蓄电池系统采购与运维过程中的高成本及危险性，且系统运行中的不足电量可直接由电网提供，依赖于未来的智能电网系统，可在有效实现系统运行稳定性的同时降低系统运行费用。

1.2 热负荷

选取天津市某宿舍楼，对其供热系统进行研究。该宿舍楼包含3层，总面积为2 142 m2，总居住面积约为1 458 m2。宿舍每层包含27个寝室，每个寝室包含4名人员，总人数为324。宿舍每层配备卫生间、盥洗室各2个。宿舍围护结构参数根据DB 29-1—2013 《天津市居住建筑节能设计标准》[17]进行设置，具体参数如表1所示。

2 供热系统仿真模型

使用TRNSYS软件建立供热系统模型。根据系统设计方案选用相关设备模型，所用主要设备部件有供热负荷模块Type682、水源热泵模块Type927、地埋管模块Type557、生物质辅助加热模块Type751、蓄热水箱模块Type4、水泵模块Type114、控制器Type2和气象参数读取模块Type15。聚光光伏光热组件参数根据实验室所设计的组件实际参数确定。蓄热水箱容积按照每平方米太阳能集热器采光面积配置0.04～0.1 m3容量设置。水源热泵根据实际产品参数设置，其详细设置见表2。通过控制器对聚光光伏光热组件-地埋管循环与单独地埋管循环进行切换控制。当聚光光伏光热组件出口温度与地面管出口温度差值低于2 K时，认为此时由于太阳辐射强度不高或聚光光伏光热组件向外界环境散失热量过大，关闭聚光光伏光热组件循环。当两者温差大于5 K时，认为聚光光伏光热组件接收能量较高，需要对其余热进行回收利用并降低电池温度以提高太阳能电池效率，因此开启聚光光伏光热组件循环。

表1 宿舍典型应用场景围护结构参数Tab.1 Envelope structure parameters of typical dormitory application scene

表2 水源热泵参数Tab.2 Parameters of water source heat pump

根据系统设计、运行模式及控制逻辑将所用模块进行连接，搭建出供热系统模型并进行供热模拟与优化，所搭建的系统模型如图2所示。

聚光光伏光热组件作为系统中的关键供能设备，其结构如图3所示。太阳光经过聚光镜反射后汇聚于上玻璃表面形成高能流密度的辐照条件。之后在聚光光伏光热组件内经过逐层透射、反射和吸收。由于太阳能电池在发电的同时会产生热量而提高电池温度，太阳能电池光电转换效率降低。设计采用扁盒型流道内的导热流体将太阳能电池散失的大部分热量回收，可有效降低电池温度，在提高光电转换效率的同时实现了热电联产。且相对传统的独立安装太阳能电池板和太阳能集热器的模式，该供能设备可有效节约安装面积。组件输出特性计算按照文献[18]中的计算流程计算(见图4)。首先使用Lighttools软件对聚光镜进行建模，模拟出上表面辐照值分布。然后在Fluent软件中将辐照值通过用户自定义函数(UDF)作为辐射源附加到聚光光伏光热组件的上表面。将相应电池片区域辐照值和温度值作为电池片参数来求解电池组件的输出功率，这部分能量作为体积热源从电池片区域中的能量中减去。通过与实验值对比分析，该模型的误差值小于5%，表明所建模型可用。之后，将模拟所得数据通过降价模型进行拟合，从而得到符合所设计组件实际参数的输出性能公式。

图2 供热系统模型Fig.2 Simulation model of heating system

图3 聚光光伏光热组件示意图Fig.3 Schematic diagram of CPV/T module

图4 组件性能模拟计算流程图Fig.4 Flow chart of module performance simulation calculation

选择热效率ηth、电效率ηe和总效率ηoverall3个指标[19]来评价聚光光伏光热组件的性能。

(1)

(2)

(3)

式中：cp为导热流体比热容，J/(kg·K)；ρ为导热流体密度，kg/m3；qV为导热流体体积流量，m3/s；Tout和Tin分别为导热流体出口和进口的温度，K；ε为聚光镜的聚光效率，取0.875；C为聚光镜的几何聚光比；G为辐射值，W/m2；Ap为组件上表面面积，m2；Ac为太阳能电池面积，m2；Ep为输出电功率，W。

3 供暖系统优化研究

3.1 优化参数与目标

根据气象软件Meteonorm中提供的气象站所采集的天津市TMY2格式的典型年气象条件数据对该供热系统性能进行模拟。直接影响系统性能的关键参数为蓄热水箱容积V、地埋管孔数D、蓄热水箱出口水温设计温度T1和T2，选择这4个参数作为优化参数进行系统优化。优化目标包含降低考虑经济性的系统建设及运行成本，以及提高考虑太阳能使用率最大的太阳能保证率。

系统建设及运行成本按成本年值计算[20]：

(4)

式中：F为成本年值，万元；i为折现率，取5%；m为系统寿命，取15 a；C0为初投资，万元；C为运行费用，万元。

按照本文的系统设置，确定具体成本年值表达式：

(5)

式中：M为固定初投资，万元；Wout为发电量，kW·h；Win为耗电量，kW·h；B为生物质燃料价格，万元。

由于固定初投资M不变，因此不计入优化目标中，排除M后的成本年值记为N。

太阳能保证率[21]为：

(6)

式中：S为保证率；Esolar为太阳能供能量，kJ；E为总能量需求量，kJ。

由于本文供热系统由太阳能和生物质供能，因此将提高保证率的目标转化为降低年供热耗用生物质能量(Swz)，并将其作为等价目标求解。

3.2 优化方法

采用NSGA-II算法进行系统优化，该方法引入了“拥挤距离”和“拥挤距离排序”的方法，对于极值点的探索性能良好。通过isight软件对所建立模型进行调用，通过改变模型中的相关模块参数寻找成本年值和保证率目标下供热系统参数的最优解集。求解迭代过程如图5所示。

3.3 优化结果

通过NSGA-II算法得到多个目标解，采用优劣距离法对各个解进行评价。该评价方法作为有效的多指标评价方法，能充分利用原始数据对各解间的差距进行评价，从而从多个目标解中选出最优解。评价排序选取得到的最优解结果为：蓄热水箱容积V为9.9 m3，地埋管孔数D为8，蓄热水箱出口水直接供热温度T1为44.1 ℃，仅靠生物质锅炉补热的蓄热水箱出口水温T2为15.3 ℃。在经济性方面，优化后按照系统中聚光光伏光热设备的造价为1 500元/m2，水箱的造价为1 000元/m3，地埋管的造价为1万元/孔，各循环水泵、控制阀、管路、热泵及生物质锅炉的固定初投资和整体设计安装费总和为30万元计算。所得优化后的系统初投资为53.9万元，成本年值为5.4万元，年运行费用为1.8万元；就能源消耗量而言，系统全年总发电量大于总用电量，因此系统净输入电量为0 kW·h，外界输入能源为供热所需补充的生物质能，由图5(b)可得，优化后系统的全年生物质能输入量为12.5 MW·h，按生物质燃料低位热值12.5 MJ/kg计算，该系统每年约需要消耗生物质燃料4 t。

(a) Swz

4 供热系统运行分析

采用优化后的参数值对供热系统进行仿真，模拟计算供热系统性能特性。供热系统主要能量来源为聚光光伏光热系统，系统中组件面积为100 m2，其全年输出电功率和热功率分别如图6和图7所示。全年最大输出电功率超过40 kW，最大输出热功率超过250 kW。本系统中，聚光光伏光热组件收集的热量首先经过蓄热水箱存储以满足系统实时供热需求。多余的热量经过地埋管系统存储，进行短中长期太阳能辐射量与负荷需求之间不匹配的调节，且经过地埋管系统对聚光光伏光热系统出口流体的进一步冷却，返回聚光光伏光热系统的流体温度有所降低，提高了与聚光光伏光热组件的换热，可使电池温度进一步降低，发电量得以进一步提升。

图7 聚光光伏光热系统全年输出热功率Fig.7 Annual output thermal power of CPV/T system

聚光光伏光热系统由于供热系统中地埋管设备的加入及目标函数的优化，全年的电、热效率较为均匀稳定，如图8和图9所示，系统电效率主要集中在10%～17%，热效率主要在60%左右，总效率基本在70%以上，系统太阳能利用效率较高，可有效转化太阳能进行热电联供，实现对传统独立太阳能电池板和太阳能集热器的可靠替代，在节约系统所需建筑外表面面积的同时可提高清洁能源利用占比。

图8 聚光光伏光热系统全年电效率Fig.8 Annual electrical efficiency of CPV/T system

供热系统中另一重要供热设备为水源热泵。如图10所示，在优化后运行条件下其性能系数(COP)大部分在3～4，最大值达到8.7。结果表明低品位热源提高了热泵运行时的COP，可使热泵COP高于其额定值，充分利用了低品位热源，实现了对热网的高效供热。

图9 聚光光伏光热系统全年热效率Fig.9 Annual thermal efficiency of CPV/T system

图10 热泵的COPFig.10 COP of heat pump

5 结 论

(1) 设计了一种结合聚光光伏光热技术、生物质锅炉以及地源热泵的低碳供热系统。系统通过聚光光伏光热组件可使太阳能转化总效率高于70%，辅以地埋管调节太阳能与热负荷间的不平衡实现了对太阳能的高效消纳。

(2) 针对某宿舍负荷场景，按照降低系统建设及运行成本和提高清洁能源能量保证率的设计目标对设计与运行参数进行多目标优化。当蓄热水箱容积V为9.9 m3，地埋管孔数D为8，蓄热水箱直接供热温度T1为44.1 ℃，仅靠生物质锅炉补热的蓄热水箱出口水温T2为15.3 ℃时系统达到最优，优化后净输入电量为0 kW·h，可为系统的工程实际配置设定提供一定参考。

(3) 对优化后供热系统的分析结果表明，聚光光伏光热系统的电效率主要集中在10%～17%，热效率主要在60%左右；水源热泵的COP大部分在3～4，最大值达到8.7，热泵COP高于其额定值，表明系统可利用低品位热源实现对热网的高效供热。