太阳能联合生物质能供暖系统热性能和能源特性的分析

黄思慧,李洁*,陆红梅,蔡永斌

(1 石河子大学水利建筑工程学院,新疆 石河子 832003;2 石河子大学科研处,新疆 石河子 832003)

随着全球气候变化、能源日益紧缺,我国在2020提出力争在2030年达到碳达峰和2060年碳中和目标[1]。国家住房和城乡建设部、农业农村部和乡村振兴局在2021年联合发布《关于加快农房和村庄建设现代化的指导意见》,鼓励村镇使用适合当地特点和农民需求的清洁能源,推广和应用太阳能光热等技术和产品。截至2021年,中国在能源消耗的领域中,建筑能耗占总能耗的35.42%[2],其中供暖能耗占建筑能耗的67.38%。以新疆为例,非集中供暖面积为28 235.35万m2,占现有住宅面积64.38%,该供暖方式以燃烧锅炉为主,存在效率低、能耗高和污染严重等缺点。太阳能[3-6]和生物质能[7-8]作为可再生能源在国内外有着广泛的研究。国外学者Chasapis等[9]研究了太阳能热-生物质能混合供暖系统的运行性能,太阳能利用率52.9%,生物质利用率为47.1%;Boonrit等[10]对准稳态条件下太阳能与生物质能混合空调系统性能的实验研究结果表明,该系统运行在额定容量的75%左右,平均系统性能系数(COP)为0.11。国内学者刘志坚等[11]在中国青藏地区建立以生物质能和太阳能为能源的新型混合供暖系统,将其应用于农村住宅建筑的研究结果表明:能源使用较传统建筑低了153.3(kW·h)/d,室内平均气温高出8.78 ℃,极大改善了建筑室内环境;张东等[12]提出一种以太阳能、生物质能和空气热量为主要热源的多可再生能源互补热泵系统,研究结果表明在寒冷地区三种热泵的COP分别为1.7、2.32和2.26; 张从光等[13]对太阳能联合生物质能源供应系统的环境性能进行评估,结果表明综合供应系统大大减少了由于取代褐煤等替代品而导致的不可再生能源消耗; 杜聪等[14]对不同耦合连接方式下的生物质能-太阳能双热源联用建筑供暖系统进行了数值研究,研究表明直接耦合的太阳能集热效果高于间接耦合,供暖期内前者的太阳能利用率高于后者2.7%。

本文研究提出将太阳能和生物质能结合利用,提高中国农村地区可再生能源利用率,减少燃煤等传统供暖方式对环境的有害影响。从理论上讲,对于经济发展缓慢且太阳能和生物质能丰富的农村地区,推广太阳能联合生物质能供暖系统是可行的。基于以上想法,对太阳能联合生物质能供暖系统的热力学和能源特性进行分析,并从节能减排、热舒适性两个方面对该供暖系统进行评估,为该供暖系统推广提供数据支撑。

1 太阳能联合生物质能供暖系统

1.1 供暖系统简介

本文研究的太阳能联合生物质能供暖系统位于新疆图木舒克市51团6 连,该系统由太阳能供暖模块、生物质能供暖模块、低温地板辐射模块三个部分组成。其中,太阳能供暖模块包括太阳能集热器、储热水箱和板式换热器,生物质能供暖模块为生物质锅炉,这两个模块都通过低温地板辐射模块向室内供暖;整个供暖系统运行通过全自动控制系统实现,技术参数如表1所示。

表1 供暖系统硬件参数

该供暖系统组件设备具体如下:太阳能集热器16根热管式真空管组成(图1a),太阳能集热器面积为24.37 m2;生物质锅炉选择了大庆庭裕科技有限公司开发的生物质锅炉(图1b),生物质燃料的燃烧值4 500 kcal/kg;储热水箱容积为2 m3,板式换热器的规格为0.6 m2(图1c);低温地板辐射模块由直径20 mm 的地暖盘管和5 路分集水器组成(图1d)。太阳能供暖系统通过太阳能集热器加热系统回路中的工作流体接受热量,其中工作流体由55%的乙二醇和45% 的水组成,其沸点和冰点分别为107 ℃和-40 ℃。接收的热量通过板式换热器转移到储热水箱,工作流体为水。当系统的自控系统监测到室内温度低18 ℃时,系统打开管道电磁阀,启动循环泵,将储热水箱中的热量传递到低温地板辐射系统,低温地板辐射系统通过向地面热传导和热对流将热量传递到室内,从而提高室内温度。当太阳能供暖系统无法向室内提供足够热量时,停止太阳能供暖,生物质能供暖系统通过燃烧生物质燃料加热管道流体(水),依旧通过低温地板辐射系统提高室内温度。

图1 系统装置图

图2 太阳能联合生物质能供暖系统组成

1.2 供暖系统运行方案

该供暖系统采用室内温度控制模式,供暖热源以优先使用太阳能供暖为基本原则。为避免造成供热不足或供热过量,根据所在地点的室外气候环境和室内温度控制模式,系统设计以下两种供暖模式:太阳能单热源运行模式(模式一)、太阳能-生物质能双热源运行模式(模式二)。

1.2.1 模式一

当太阳辐射量足够满足建筑热负荷时,采用模式一运行,具体运行如下:当太阳能集热器出水温度比储热水箱的平均温度≥5 ℃(≤1 ℃)时,通过板式换热器将太阳能集热器收集的热量储存在储热水箱中。当储热水箱平均温度≥35 ℃时,通过低温地板辐射模块开启向室内提供热量。当室内达到≥22 ℃或者储热水箱≤30 ℃时,低温地板辐射模块关闭。

1.2.2 模式二

生物质能是整个供暖系统的辅助能源。当太阳能供暖系统无法向室内提供足够的热量,即当储热水箱平均温度和最不利室温分别≤30 ℃和≤18 ℃时,生物质能供暖模块开启,通过低温地板辐射模块向室内供暖。当最不利室温≥22 ℃且储热水箱平均温度≤35 ℃时,生物质能供暖模块关闭,室内停止供暖,或当最不利室温≤22 ℃且储热水箱平均温度≥35 ℃时,生物质能供暖模块关闭,重新启动太阳能供暖模块,直至最不利室温≥22 ℃,室内停止供暖。

2 供暖系统热性能和能源特性评价的理论依据

针对不同供热方式的热力学分析,一般采用热效率指标进行分析,这种分析方法是如今广泛应用的评价方法,但其能源效率只能反映数量上的差异,而不能反映质量上的差异。火用效率可以在能量平衡时既考虑数量,又考虑质量。本文对系统的太阳能集热器、板式换热器和生物质锅炉的热效率在两种模式下进行性能评估,然后对整个系统的热效率和火用效率在两种模式下的进行评估。

2.1 太阳能集热器的太阳能热效率

供暖系统中,太阳能集热器的集热效率决定了太阳能供暖系统的运行性能。本研究使用Hbttel-Whillier提出的经典模型[15]。

2.2 板式换热器的热效率

本研究采用GB/T 30261-2013《制冷空调用板式热交换器热效率评价方法》评价整个实验过程中板式热交换器的热效率,换热器的测量参数如图3所示。

图3 板式换热器测量参数示意图

2.3 供暖系统的辅助能源和火用效率

在供暖期间,太阳能联合生物质能供暖系统的总输入火用包括太阳能吸收火用、生物质固体颗粒燃料提供的化学火用和电辅助加热器提供的热火用,所得火用为建筑室内累计总负荷的热火用。供暖系统能源和火用效率的计算公式如下:

(1)

(2)

式(1)、(2)中ηQ为系统能源效率;ηex为系统火用效率;QC为供热期内房间的累计供热能耗,GJ;Qs是来自太阳能的输入能量,GJ;Qa是来自生物质能的输入能量,GJ;ηex太阳能联合生物质能供暖系统的火用效率;exc是输出的火用,kJ/kg;exs是太阳吸收火用,kJ/kg;exa是由生物质固体燃料提供的化学火用和电能提供的热量火用,kJ/kg;To为室外绝对温度,K;Ta室内绝对温度,K;Tp为集热器面板平均绝对温度,K;ΔHl低热值燃料,MJ/kg;W为系统运行期间消耗的有功电能,GJ;r为水蒸气潜热,2.5 MJ/kg;ω为生物质固体燃料中水的质量分数,为1%～3%;

3 试验结果及分析

3.1 试验介绍

在2022年1月8-14日、2月27-3月5日分别进行供暖中期和末期为期共14天的试验测试,以评估太阳能集热器、板式换热器、生物质锅炉和整个系统的性能。整个系统中配备的热计量表和压力传感器用于测量系统回路中流体的温度、流速和压力,系统中安装所有测量仪器的输出信号通过控制测序传输到计算机上,试验过程中通过控制电磁阀的启闭来控制系统的运行。采用Grubbs检验方法来保证试验数据的准确性,Grubbs检验法是将偏离平均值很远的数据从测量数据中剔除,可确保检测结果的有效性。

3.2 试验的结果及分析

3.2.1 模式一

2022年2月27-3月5日试验期间的室外环境参数(图4)显示:室外温度最高和最低温度分别为16.1 ℃和-1.5 ℃,平均温度为6.8 ℃,而室内最高和最低温度分别为23.8 ℃和18 ℃,累计太阳辐射量达到50.80 MJ/m2,表明太阳能供暖能够满足建筑热负荷。

图4 模式一的室外环境参数

试验运行期间主要以太阳能为热源进行供暖即模式一,采用Grubbs方法检验试验数据。太阳能集热器和板式换热器的原样本数据为10 080个,处理后的数据样本分别变为10 053个和10 064个。模式一室内外温度、太阳辐射强度和板式换热器两侧温度(图5)显示:板式换热器工作时间基本在11:30-19:00,可以稳定工作8 h,一次侧进水温度和二次侧出水温度最高达到60.3 ℃和53.2 ℃,一次侧和二次侧的进出水温差维持在5 ℃左右,太阳能集热运行时长达到62.35 h。系统管道流量在工作期间保持在0.7 m3/h,变化幅度小,功率随着室外辐射增大,功率逐渐增大,随着辐射减小而减小。

图5 模式一板式换热器两侧温度

模式一运行期间地暖进出水温度(图6)显示:模式一可以满足建筑热负荷,室内温度始终保持在18 ℃以上。系统运行期间,太阳能供热量达到315.35 kW·h,太阳能供暖时长为49.65 h,系统耗电量为20 kW·h。乙二醇比定压热容和密度分别为3.412 2 kJ/(kg·℃)和1.071 3 kg/m3,太阳能集热器集热面积为24.34 m2。

图6 模式一的地暖进水和回水温度

模式一板式换热器和太阳能集热器逐时热效率(图7)显示:太阳能集热器面板和板式换热器的热效率分别都集中在60%～70%和65%～75%,分别占剩余数据的63.35%和81.38%,平均效率分别为69.36%和70.1%,表明太阳能集热器和板式换热器在工作期间热效率基本保持稳定状态,太阳能集热器的热效率除了在工作阶段的首尾阶段热效率出现振荡现象,中间基本保持平稳状态,因为首尾阶段太阳辐射弱,不能充分利用太阳能集热器的集热能力。

图7 模式一板式换热器和太阳能集热器逐时热效率

根据上述试验数据经过计算可得:建筑能耗为254.68 kW·h,太阳能供热量为351.35 kW·h,生物质能供热量为0kW·h,整个系统的热效率为72.48%,火用效率为28.35%。

3.2.2 模式二

2022年1月8-14日试验期间室外环境参数(图8)显示:与模式一相比,模式二的室外温度更低,室外最高温度为-1.65 ℃,最低温度为-16.49 ℃,室外平均温度为-7.23 ℃;太阳辐射强度不稳定,有上下振荡的现象,太阳辐射量达到32.56 MJ/m2。表明仅依靠太阳能供暖难以满足建筑热负荷,所以系统在试验运行期间主要以模式二进行供暖。对2022年1月8-14日测的所有数据采用Grubbs方法进行检验,集热器和板式换热器的热效率测的原有数据为10 080个,去除异常值之后剩余9 893个,生物质锅炉热效率测的原有数据1 260个,去除异常值之后剩余1 215个。

图8 模式二的室外气候参数

模式二板式换热器两侧温度(图9)显示:板式换热器两侧温度反复振荡,集热时间短且并不稳定,太阳能集热总时长为44.35 h,这是因为室外温度低和太阳辐射弱,导致太阳能集热器热损失大,所以较模式一的集热时间缩短了40.58%。

图9 模式二板式换热器两侧温度

模式二地暖进水和回水温度(图10)显示:模式二双热源供暖可以满足建筑热负荷,室内温度维持在18～22 ℃,太阳能供暖总时长达到36.35 h,生物质能供暖总时长32.56 h,消耗生物质燃料116.63 kg。

图10 模式二地暖进水和回水温度

太阳能集热器热效率和板式换热器的逐时热效率(图11)显示:与模式一相比,模式二板式换热器和太阳能集热器的热效率较为分散且并不稳定,1月8-14日由于室外太阳辐射弱,太阳能集热器的平均热效率为61.35%,板式换热器平均热效率为65.36%。

图11 模式二板式换热器和太阳能集热器的逐时热效率

生物质锅炉在运行期间逐时热效率(图12)显示:生物质锅炉的能源效率稳定且高效,基本保持在70%～80%之间,占总样本数86.36%,平均热效率为78.69%。系统运行期间,太阳能供热量为203.65 kW·h,生物质能供热量为431.56 kW·h,建筑热负荷为454.35 kW·h,整个系统的热效率为68.67%,火用效率为26.39%。与模式一相比,模式二整个系统的热效率和火用效率都有所下降,这是因为室外温度低且室内热负荷增大导致的。

图12 模式二生物质锅炉逐时热效率

4 供暖系统的效益分析

4.1 供暖系统的节能分析

为了进一步了解供暖系统的节能效益,本文选取农村民居传统燃煤供暖系统,参照刘加平[16]推出的公式计算试验期间建筑的耗热量指标qH(kg/m2)和耗煤量指标qc(kg/m2),并评价供暖系统的节能效益。试验期间建筑处于无人居住状态,建筑耗热量指标只考虑围护结构的传热耗热量,且忽略门窗的空气渗透和建筑内部的耗热量。根据相关数据计算试验期间建筑节能指标,模式一耗热量指标为18.24 W/m2,折算为耗煤量指标为0.62 kg/m2,整个建筑的耗煤量为65.72 kg;模式二耗热量指标为37.41 W/m2,折算为耗煤量指标为1.28 kg/m2,整个建筑的耗煤量为139.52 kg。然后将以上传统燃煤供暖系统试验期间模式一和模式二的耗煤量换算为耗电量,结果分别为534.96、1 135.69 kW·h。

太阳能联合生物质能供暖系统除太阳能外,主要的能源消耗来自电力消耗和生物质燃料消耗。模式一产生的耗电量为20.37 kW·h,模式二的耗电量和生物质燃料分别为34.56、431.56 kW·h,由此可知:与传统燃煤供暖系统相比,模式一节能514.59 kW·h,节能率高达96.19%,而模式二节能673.57 kW·h,节能率为59.09%。

4.2 供暖系统的热舒适性分析

用于评估室内热舒适度最多的模型是Fanger于1972年开发的预测平均投票(PMV-PDD)模型[17]。PMV预测暴露于相同环境的一大群人的热投票平均值。该模型综合了空气温度、平均辐射温度、相对湿度、空气流速、人员代谢率和服装热阻六个因素。根据上述模式一和模式二的测试得到室内热环境数据,在新陈代谢1.2 met、服装热阻1.0 clo的前提下计算室内热舒适度。

试验期间试验房处于无人居住状态,因此室内风速取0.05 m/s[18],由室内相对湿度(图13)可知,室内相对湿度在20%～80%区域变化,模式一和二室内平均相对湿度分别为53.35%和64.36%。

图13 两种模式的室内逐时相对湿度

按文献[17]中相关公式计算PMV,结果如图14所示。根据FANGER提出的热舒适度模型,如果-1

图14 人体热感觉示意图

5 结论

本文评价了一种太阳能和生物质能作为热源的供暖系统,通过该系统以两种模式运行以应对不同的环境条件,研究该供暖系统运行性能,结果表明:

(1)不同的工况下太阳能集热器和板式换热器都具有良好的集热性能,两种模式都可以满足建筑供暖的需求。

(2)模式一太阳能集热器和板式换热器集热效率稳定在60%～75%之间,平均效率分别为69.36%和81.38%,系统的能源效率和火用效率分别为72.48%和28.35%。

(3)模式二太阳能集热器和板式换热器集热效率稳定在50%～90%之间,平均效率分别61.35.%和65.36%,系统的火用效率和能源效率分别为26.39%和68.67%。生物质锅炉热效率基本保持在70%～80%之间,平均效率78.69%。

(4)与传统供暖方式相比,模式一的节能率高达96.19%,模式二的节能率达到59.09%。

(5)模式一的平均PMV为-0.5,模式二的平均PMV为-0.7,表明该供暖系统的两种供暖模式都有良好的热舒适性。