太阳能-生物质能-谷电蓄热联合供暖系统研究

崔海亭，张良锐，马康乐，张欣悦

(河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018)

太阳能-生物质能-谷电蓄热联合供暖系统在供暖方面以及在未来能源结构中都具备较为明显的优势与潜力。基于上述文献的研究，本文以石家庄市某高校热能工程实验室为研究对象，采用模拟与实验相结合的方法对联合供暖系统进行研究，为系统在石家庄地区的推广应用提供理论基础。

1 系统设计

1.1 系统原理

该联合供暖系统主要由太阳能供暖单元、生物质锅炉供暖单元、谷电蓄热供暖单元、末端采暖单元等组成。其主要部件包括太阳能集热器、集热水箱、生物质锅炉、电加热器、相变蓄热水箱、循环水泵、阀门、采暖末端。太阳能集热器作为主要热源，将热量通过生物质锅炉传递至末端装置，以满足室内供暖负荷的需求，其热量可以以显热形式存储在集热水箱或以潜热的形式存储在相变蓄热水箱中，在太阳辐射较弱的时候进行供热；电加热器在供暖季夜间低谷电时段供暖，供暖同时保障相变蓄热水箱蓄热，在峰电时段放热；生物质锅炉作为辅助热源，对不满足供暖要求的供水进行补热，确保送入末端的供水达到供暖要求。本文系统中太阳能与生物质锅炉直接耦合，整个系统中为串联结构。系统原理图如图1所示。

图1 系统原理图Fig.1 Schematic diagram of the system

1.2 系统运行逻辑

供暖末端的供暖控制是用控制器监控每个房间的室内温度，若房间温度低于17 ℃时，开启热水进入末端的阀门对房间进行加热，当室内温度被加热到20 ℃时，关闭阀门。根据气象条件、末端供暖控制与分时电价政策，该系统可实现多种运行模式的切换，主要包括太阳能直接供暖模式、集热模式、集热水箱供暖模式、集热器给相变蓄热水箱蓄热模式、低谷电蓄热供暖模式、相变蓄热水箱供暖模式、生物质锅炉辅助加热模式。

1)太阳能直接供暖模式(模式1) 当太阳能集热器集热量只能满足供暖需求或集热水箱与相变蓄热水箱中温度已经很高时，太阳能只进行供暖。模式的控制方式：开启集热循环泵P1、采暖循环泵P3、电动阀V5和V10。

2)集热水箱集热模式(模式2) 当集热器出水温度与集热水箱出水温度差值高于6 ℃时，集热泵启动，集热器开始给集热水箱蓄热，当集热器出水温度减去集热水箱底部水温小于2 ℃时，关闭集热泵。模式的控制方式：开启集热循环泵P1、电动阀V1和V2。

3)集热水箱供暖模式(模式3) 当需要供暖、集热水箱顶部水温高于50 ℃、且相变蓄热水箱没有供暖时，集热水箱开始供暖时，将供暖回水进行分流控制，一部分回水进入集热水箱，另一部分回水直接旁通到供水侧与集热水箱出水进行混合，混合到45 ℃，再进行供暖。当集热水箱顶部的水温小于45 ℃，或者相变蓄热水箱开始供暖时，关闭集热水箱供暖。模式的控制方式：开启采暖循环泵P3、电动阀V3，V4和V10。

4)太阳能集热器给相变蓄热水箱蓄热模式(模式4) 当集热水箱顶部水温高于60 ℃，且相变蓄热水箱没有向建筑供暖时，向相变蓄热水箱进行蓄热，关闭集热水箱蓄热。当集热水箱顶部温度小于60 ℃或者相变蓄热水箱在向建筑供暖时，关闭向相变蓄热水箱，开启向集热水箱蓄热。模式的控制方式：开启集热循环泵P1、电动阀V5，V8和V11。

5)低谷电蓄热供暖模式(模式5) 当处于谷价电时，电加热器给相变蓄热水箱蓄热，同时也进行供暖，此时为了保证蓄热温度，电加热器供热温度设定为50 ℃。当不在谷价电时，关闭电加热器。模式的控制方式：开启蓄热循环泵P2、采暖循环泵P3、电动阀V7，V8，V9，V10和V11。

6)相变蓄热水箱供暖模式(模式6) 当处于峰价电、需要供暖、且相变蓄热水箱的出水温度大于45 ℃时，相变蓄热水箱开始供暖。当不处于峰价电、或者不需要供暖、或者相变蓄热水箱的出水温度小于45 ℃时，关闭相变蓄热水箱供暖。模式的控制方式：开启采暖循环泵P3，电动阀V7，V10和V11。

7)生物质锅炉辅助加热模式(模式7) 在供暖期间，若进入锅炉的水温小于45 ℃，会开启辅助加热，将供水加热到45 ℃，然后出水供暖。当室内环境温度高于20 ℃时，将关闭锅炉。该模式主要对上述的供暖模式供暖不足时进行补热。模式的控制方式：开启采暖循环泵P3、电动阀V6。

根据上文运行模式分析，联合系统运行逻辑图如图2所示。

图2 联合供暖系统运行逻辑图Fig.2 Logic diagram of the combined heating system operation

1.3 建筑概况

石家庄市属于寒冷地区，供暖期为每年11月15日至次年3月15日，采暖设计温度为18 ℃。本文供暖设计对象为河北科技大学热能工程实验室，该实验室为单体式建筑，长12.5 m、宽8 m、高5 m，面积为100 m2。利用TRNSYS软件中的TRNbuild模块对实验室进行供暖期内逐时热负荷计算，得到图3所示供暖期实验室逐时热负荷和逐时热指标。

根据室外气温以及采暖热负荷，可以将整个供暖期划分为供暖初期(11月15日—12月15日)、供暖中期(12月16日—2月25日)、供暖末期(2月26日—3月15日)3个时期。由图3可知，在供暖初期与供暖末期逐时热负荷较低，相应的供热指标也较小；供暖中期室外温度较低，太阳辐射降低，采暖需求明显增加，且供暖期热负荷峰值出现在1月14日，最大逐时热负荷为5.894 kW，最大逐时热指标为58.9 W/m2。

图3 供暖季逐时热负荷与逐时热指标Fig.3 Hour-by-hour heat load and hour-by-hour heat index in heating season

本文系统涉及到太阳能、生物质能和低谷电的综合利用，并且涉及到室外气象条件变化，本文以TRNSYS(transient system simulation program)为平台，搭建系统的动态仿真模型。其仿真模型如图4所示。

图4 仿真模型图Fig.4 Simulation model diagram

仿真模型的主要功能模块包括：气象数据、真空管太阳能集热器(简称真空管集热器)、集热水箱、生物质锅炉、电加热器、相变蓄热水箱和控制模块。仿真模型初始参数设置如表1所示。

2 模拟结果分析

2.1 联合供暖系统性能评价模型

1)太阳能保证率[16]太阳能保证率是指太阳能集热系统提供的有效热量与建筑采暖所需热负荷之比。

表1 系统模型主要参数Tab.1 Main parameters of the system model

(1)

式中：f为太阳能保证率，%；Qu为太阳能集热系统提供的有用热量，kW·h；Qc为建筑采暖耗热量，kW·h。

2)系统供热效率 从供需平衡的角度来说，送入末端的供热量就是建筑的需热量，供热系统的效率应该是能源供入末端的能量与太阳能采光面辐照量加生物质燃料量加耗电量和的比值。

(2)

式中：ηs为系统供热效率；Qr为太阳能集热器吸收的太阳能辐照量，kW·h；Qnet为生物质颗粒燃烧热值，kJ/kg；Qd为电的发热值，kJ/(kW·h)；A为耗电量，kW·h；B为生物质消耗量，kg。

3)费用年值[17]对于供暖系统，除了考虑系统整体性能外，系统的经济性也是十分重要的，而费用年值法是对系统经济性能进行客观评价的有效方法。费用年值法可以在不同的方案下，对系统使用寿命、年运行费用、系统初投资进行客观的经济性分析，以确定最佳的方案。其计算公式为

(3)

式中：Z为费用年值，元；L0为系统初投资，元；C为运行费用，元；r为折现率，取0.05；n为使用年限，取15。

综合石家庄市当前物价以及民用供暖设备单价，选取的各部分设备单价明细如表2所示。

表2 设备单价明细Tab.2 Equipment unit price details

2.2 供水温度对系统性能影响

研究供水温度为40，45，50，55，60 ℃时，对联合供暖系统的影响。图5和图6为系统供热量随供水温度变化图和系统能耗随供水温度变化图。

图5 系统供热量随供水温度的变化Fig.5 Variation of system heat supply with the water supply temperature

图6 系统能耗随供水温度的变化Fig.6 Variation of system energy consumption with the water supply temperature

由图5和图6可知，随着联合供暖系统供水温度在40～60 ℃逐渐升高，太阳能有效供热量呈现下降的趋势，生物质锅炉和低谷电供热量呈现升高趋势。因为太阳能集热器接受辐照量是一定的，随着联合供暖系统供水温度逐渐升高，集热器出水温度与集热水箱底部水温差值降低，集热水箱中的热量不能及时输送到供暖末端，太阳能有效集热量逐渐下降，导致进入末端的太阳能热量减少，从而导致太阳能有效供热量降低。此时，将开启生物质锅炉进行补热，以满足采暖末端供暖需求，生物质锅炉供热量增大；同时，联合供暖系统供水温度逐渐升高导致太阳能对相变蓄热水箱的蓄热量也减少，夜间低谷电对相变蓄热水箱蓄热量将增加。当系统供水温度从40 ℃上升到60 ℃时，太阳能系统有效供热量减少了1 082.65 kW·h，生物质锅炉供热量增加了1 137.67 kW·h；低谷电蓄热量增加了393.37 kW·h；生物质消耗量增加了334.63 kg，耗电量增加了414.07 kW·h。

图7显示了系统效率随供水温度的变化情况。由图7可知，系统供水温度在40～60 ℃逐渐升高，联合供暖系统供热效率、太阳能保证率变化趋势基本相同；在40～50 ℃时，下降趋势缓慢；在50～60 ℃时，下降趋势加快。因为在太阳能辐照条件一定的情况下，随着系统供水温度升高，太阳能集热器出水温度与水箱出水温度间温差减小，太阳能有效利用热量将逐渐减少，供热效率和太阳能保证率均减小，当联合供暖系统供水温度在40～60 ℃变化时，联合供暖系统供热效率降低了11.08%，太阳能保证率降低了23.35%。

图7 系统效率随供水温度的变化Fig.7 Variation of system efficiency with the water supply temperature

2.3 集热器面积对联合供暖系统的影响

图8和图9为集热器面积对联合供暖系统供热量和系统能耗的影响，当集热器面积从20 m2增大到40 m2时，太阳能有效供热量随着集热器面积增大而增大，增大趋势有所减缓，生物质锅炉和低谷电供热量则随着集热器面积增大而减小，相应的生物质消耗量和耗电量也减小。因为随着集热器面积增大，太阳能有效利用热量增加，进入供暖末端的太阳能热量增大，即太阳能供热量增大，水箱蓄热能力有限，太阳能热量不能充分的储存，使得集热器热损失增加，太阳能有效利用热量增加趋势减缓；供暖末端耗热量不变，太阳能有效供热量增大，则生物质锅炉供热量相应减少，低谷电夜间蓄热量也相应减小。当集热器面积从20 m2增大到40 m2时，太阳能有效供热量增加了2 879.26 kW·h，生物质锅炉供热量减少了1 699.97 kW·h，低谷电供热量减少了865.74 kW·h；生物质消耗量减少了500.02 kg，耗电量减少了911.30 kW·h。

图8 供热量随集热器面积的变化Fig.8 Variation of heat supply with collector area

图9 系统能耗随集热器面积的变化Fig.9 Variation of system energy consumption with collector area

图10 太阳能保证率和供热效率随集热器 面积的变化Fig.10 Variation of solar assurance and heating efficiency with collector area

对系统的供热效率和太阳能保证率进行分析，由图 10可知，随着集热器面积的增大，太阳能保证率逐渐增加，供热效率逐渐降低。因为在太阳能供热时段，供暖末端耗热量不变，太阳能有效供热量增加，太阳能保证率增加。随着集热器面积的增加，集热系统接受辐照量增加，虽然系统总能耗减少，但进入系统的总热量增加，从而降低了联合供暖系统供热效率。当集热器面积从20 m2增大到40 m2时，太阳能保证率增加25.99%，供热效率降低了2.11%。图11为系统费用年值随面积的变化情况，太阳能集热器占系统初投资比重较大，随着集热器面积增大，集热器的初投资呈线性增大，运行费用呈单调减小趋势，系统费用年值呈单调增加趋势，当集热器面积从20 m2增大到40 m2时，运行费用减少了628.57元，费用年值增加了390.66元。

图11 费用年值随集热器面积的变化Fig.11 Variation of annual value of costs with collector area

2.4 集热水箱容积对联合供暖系统的影响

集热水箱容积对联合供暖系统供热量和系统能耗的影响如图12和图13所示，当集热水箱容积从1.5 m3增大到4 m3时，随着集热水箱容积的增大，太阳能有效供热量增加，相应的生物质锅炉供热量减少，生物质消耗量减少，但低谷电供热量增加。因为随着集热水箱容积的增大，储存的太阳能热量增加，太阳能集热系统对相变蓄热水箱的蓄热量减少，夜间低谷电蓄热量增加，耗电量也随之增加。当集热水箱容积增加到2.5 m3时，其太阳能有效供热量增加趋势减缓，因为集热器有效集热量是一定的，集热水箱容积增大，热损也会增大，水箱有效集热量减少，其有效供热量增长趋势减缓。集热水箱容积从1.5 m3增大到4 m3时，太阳能有效供热量增加了786.57 kW·h，生物质锅炉供热量减少了583.31 kW·h，低谷电供热量增加了410.04 kW·h；生物质消耗量减少了171.57 kg，耗电量增加了430.62 kW·h。

图12 供热量随集热水箱容积的变化Fig.12 Variation of heat supply with volume of hot water collection tank

图13 系统能耗随集热水箱容积的变化Fig.13 Variation of system energy consumption with the volume of the hot water collection tank

对图14中系统的供热效率和太阳能保证率进行分析可知，随着集热水箱容积的增大，太阳能保证率和供热效率呈增大趋势。因为随着集热水箱容积的增大，水箱集热量和供热量增加，供暖末端耗热量不变，太阳能有效供热量增加，太阳能保证率增加。随着集热水箱容积的增加，集热系统接受辐照量不变，系统总能耗减少，进入系统的总热量减小，联合供暖系统供热效率增加。集热水箱容积从1.5 m3增大到4 m3时，太阳能保证率增加8.67%，供热效率增加了4.31%。对图15系统的费用年值进行分析可知，集热水箱容积占系统初投资比重较小，随着集热水箱容积增大，系统初投资增加，运行费用先减小后增大，系统费用年值先减小后增大，集热水箱容积为2 m3时，其费用年值最低，为5 395.54元。

图14 供热效率和太阳能保证率随集热水箱 容积的变化Fig.14 Variation of heating efficiency and solar assurance rate with the volume of the hot water collection tank

图15 费用年值随集热水箱容积的变化Fig.15 Variation of annual value of costs with the volume of the hot water collection tank

3 实验验证

3.1 实验平台的搭建

根据上文模拟分析，相关实验设备根据表1进行选取，图16为本联合供暖系统的实验平台组成图，系统的散热末端选用风机盘管，其中相变蓄热小球有序地放置在相变水箱中。实验测试的主要数据有温度、热量、生物质消耗量、低谷电耗电量、泵耗电量。

图16 实验平台组成图Fig.16 Layout of experimental equipment

3.2 联合供暖系统运行性能分析

2022-01-05至2022-01-09进行联合供暖系统测试，期间日照充足，昼夜温差较大，有利于研究系统整体性能测试。图17为测试期间室外气象参数，1月5日太阳能辐射强度相对较高，日照充足，太阳能集热器正常启动，测试联合供暖系统的末端供水温度、相变水箱出水温度、室内温度以及集热水箱温度变化，分析系统运行性能，温度变化如图18所示。

图17 测试期间室外气象参数Fig.17 Outdoor meteorological parameters during the test

图18 系统运行温度变化图Fig.18 Graph of system operation temperature change

由图18可知，生物质锅炉具有良好的水温调节能力，供水温度在白天设定为45 ℃，夜间低谷电时段为了满足相变蓄热，将供水温度设定为50 ℃，供水温度在系统运行过程中变化幅度较小，在各设备交换启停过程时段略有波动。太阳能集热系统在8:40到16:40正常运行，太阳能集热器运行时段，室温持续升高，到14:00达到21 ℃。谷电时段因为夜间温度较低，系统受环境因素影响较大，此时室温维持在19 ℃左右。联合供暖系统测试日内平均温度为19.76 ℃，而寒冷地区冬季供暖室内设计温度为18～24 ℃[18]，说明该联合供暖系统能够达到采暖要求，具有良好的热舒适性。

3.3 联合供暖系统热效率分析

图19为测试期间系统供热效率和供热指标的实验值与模拟值对比图。

图19 测试期间供热效率与供热指标Fig.19 Heat supply efficiency and heat supply index during the test

由图19可知，测试的实验值均比模拟值偏高，因为测试期间日照充足，日照时间长，室内温度较高，使得实验值整体高于模拟值。测试期间联合供暖系统的供热效率实验值分别为65.85%，66.25%，66.00%，64.50%，68.30%，模拟值分别为65.05%，64.25%，63.36%，61.90%，62.19%；供暖热指标实验值分别为53.19，52.92，51.87，53.18，54.78 W/m2，模拟值分别为49.53，48.74，49.28，50.05，51.04 W/m2。系统平均供热效率实验值为66.20%，模拟值为63.36%，误差为4.29%；平均供热指标实验值为53.19 W/m2，模拟值为49.92 W/m2，误差为6.15%。

4 结 语

本文通过仿真模拟与实验研究相结合的方法，对太阳能-生物质能-谷电蓄热联合供暖系统进行了相关因素与系统运行性能的研究分析，得出以下结论。

1)通过仿真模拟分析，联合供暖系统供水温度从40 ℃升高至60 ℃，联合供暖系统供热效率降低了11.08%，太阳能保证率降低了23.35%；集热器面积从20 m2增大到40 m2时，太阳能保证率增加了25.99%，供热效率降低了2.11%，费用年值增加了390.66元；集热水箱容积从1.5 m3增大到4 m3时，太阳能保证率增加了8.67%，供热效率增加了4.31%，集热水箱容积为2 m3时，其费用年值最低为5 395.54元。

2)通过研究分析，系统平均供热效率实验值为66.20%，模拟值为63.36%，误差为4.29%；平均供热指标实验值为53.19 W/m2，模拟值为49.92 W/m2，误差为6.15%。

3)通过实验分析，太阳能-生物质能-谷电蓄热联合供暖系统测试日内平均温度为19.76 ℃，能够达到采暖要求，具有良好的热舒适性。

由于联合供暖系统影响因素较多，后续可以对系统各影响因素进行优化分析，确定各影响因素对系统的影响程度，以便于对此联合供暖系统开展更加深入的研究。