多能互补供热研究现状与评价方法

冯艳

摘要：太阳能供暖具有很好的发展前景，但是由于其不稳定需要和其他能源联合供热，将其称之为多能互补供热，该文总结了国内外多能互补供热的研究现状，进一步查找了关于供热系统优劣性的评价方法，指出了该评价方法存在的问题，提出了多能互补供热模糊综合评价模型，为实际应用提供了可靠的手段。

关键词：多能互补供热;研究现状;评价方法;模糊综合评判模型

引言

进入新世纪以来，全球生产和繁荣的增长促使能源需求保持增长，其中各国对于建筑能耗的需求逐渐上升。这直接带来了资源枯竭，环境污染等问题。太阳能以数量巨大，不用运输，不污染环境和毫无危险等优点引起了科研人员的关注。但是因为太阳能能源密度低，强度易受季节、气候、地点等因素的影响，具有不稳定性。所以，要保证太阳能系统稳定的运行，必须和其他能源的加热设备联合使用，这种加热设备称为“辅助热源”，其作用是当太阳能供应量不足时，作为太阳能系统的能量补充，满足系统的能量需求。所以，太阳能供热系统准确的说应该是“太阳能+”供热系统，即多能互补供热系统。

1 多能互补系统国内外研究现状

太阳能供热采暖系统是由集热器，储水箱，连接管道，辅助热源，控制系统，末端装置等构成。其作用是将能量密度低的太阳能通过集热器转化为热水，储存在水箱，然后通过连接管道将热水输送到末端装置。如若太阳能提供的能量不足，可用辅助热源进行辅助来达到用户的供热要求。

国外对太阳能的利用的研究比较早。在两次世界大战之后，不可再生能源急剧减少，许多研究学者对可再生能源引起了关注。早在1950年美国麻省理工学院就举行了关于利用太阳能采暖的学术会议，会议上研究人员发表了许多看法。丹麦工业大学的Andersen等人[1]对丹麦太阳能联合系统在单户住宅的热性能进行了研究，分别对两种系统的热性能进行了測试，这两种系统都带有储罐和太阳能集热器，只是大小有所不同，发现太阳复合系统通过在储罐中维持高温分层，保持辅助加热体积尽可能的小，保持辅助温度体积越小越好，确保油箱完好无损绝缘可以使得太阳能组合系统可以得到显着改善。Hassanien[2]研究使用真空管太阳能集热器作为太阳能热水器辅助的性能和可行性，并进行了计算，结果显示内部空气温度在加热的温室超过未加热（对照）温室内的温度2℃-3℃，而湿度降低了10%。此外，太阳能集热器的热效率和投资回收期分别为0.49和4.1年。总之，这种整合可以提供超过35%的温室所需的总热量。Vikas Verma;K. Murugesan等人[3]为了解在印度冬季气候条件下从早到晚连续8小时操作的空间加热期间的性能变化进行了太阳能辅助地源热泵系统的实验研究。M. Jradi;C. Veje;B.N.J?rgensen[4]分析和评估了太阳能地下土壤热能储存系统和热电联产系统的性能。发现整体而言系统加热系数性能约为4.76，对于独立光伏系统，PV-ASHP组合系统为19.1%，组合为22.2%，PV-ASHP系统采用季节性地下热能储存块。Gerhard Faninger[5]为了找到一种解决方案来克服奥地利太阳能供应和能源需求之间的不匹配，提出了太阳能 - 生物质加热系统，该系统既有单独的系统供热，也有区域供热。来自森林的木柴，树皮和木屑形式的生物燃料来源以及来自木材加工业的残余物是当地可用的太阳能“天然储存”的明显形式，其可以再次储存，运输和生长。因此，生物质是太阳能季节性储存的最佳形式，也是太阳能加热系统的有吸引力的辅助燃料。M. Jradi*;S.Riffat等人[6]基于ORC的混合微型CHP系统的创新设计提出使用生物质锅炉和太阳能浓缩器来运行CHP系统，与传统的天然气驱动装置相比，提供更可靠的操作。A.Al-Salaymeh;I.Al-Rawabdeh;S.Emrand等人[7]通过调查发现在约旦锅炉-太阳能集成系统的市场需求就系统是可以接受的，并且关于锅炉和太阳能集成系统的经济研究表明，使用太阳能热水器加热空间和生活用水具有成本效益。投资回收期可低至3年，公用事业费用远低于使用传统供暖系统的水电费，在约旦已经进行了锅炉-太阳能-电气集成系统原型的初步设计和设计。

目前来看太阳能提供采暖和生活热水的技术已经相当成熟，但是太阳能和多种能源联合供暖的研究还需要继续。

多能互补的热泵系统试验台，还对甘肃一新农村住宅冬季太阳能联合燃煤锅炉供暖进行了现场测试，得出了多能互补供暖运行模式有其合理性。北京建筑大学刘芳等人[12]以北京市某农宅为研究对象，设计了燃气壁挂炉辅助太阳能地板辐射采暖系统，通过运行测试发现此系统在测试期间节省了能耗减少了排放量。王博渊等[13]开发一种基于太阳能的多能源互补供热装置，通过模拟实测分析发现，采用该开发装置系统的有用得热量提升75%，太阳能保证率由10%～20% 提升至41. 2%，若集热器面积增加一倍，系统的太阳能保证率可达70%。郑汝奎等人[14]对太阳能-空气能复合系统进行了供暖性能分析，得出了该复合系统运行费用较低，节能性较好的结论。

国内近几年建成的太阳能供热、采暖发展较快，建成了许多采暖试点工程，其中具有代表性的三个示范工程为北京清华阳光能源开发有限责任公司办公楼，北京新农村建设太阳能供热采暖示范村，建研科技园太阳能供热采暖示范工程。

—设备热效率，取0.65;—年总节约能量，MJ/年;n—系统寿命，年;W—标准煤热值，29.308MJ/kg;

对于能耗损失，则需要计算各能源的消耗量。

目前常用的评价都是基于公式单独计算的，没有综合的分析结果。

2 模糊层次综合评判法在多能互补供热系统评估中的应用

多能互补供热系统是一个复杂的供热系统，受很多因素的影响。目前的评价方法对于整个系统的运行状况的预测有限。本文通过建立比较全面的多因素指标体系，运用模糊综合分析法，从多方面因素出发分析了多能互补系统的运行评价方法。

2.1建立评价指标体系

根据模糊数学原理及应用，对整个多能互补系统的综合效益评价因素进行鉴别，建立多能互补系统综合效益评判因素集合，主要评判因素为经济，能耗，环境，供热特性四个部分。因此可知，所取的因素评判集为：

2.2建立评判集

多能互补系统综合评价是该供热系统优劣的最终依据，综合供热特性，经济，能耗，环境效益将多能互补供热系统优劣分为 3 个等级，构造的评价集为 V={}。

2.3确定因子权重

建好模型之后，需要对评价指标进行相应的权重分配，权重大小表示了评价指标的重要程度。确定权重大小的方法很多，有层次分析法、Delphi 法、专家估计法、加权平均法等，根据供热系统的特性，本文选择层次分析法来确定权重大小。先对一级指标分配相应的权重值，然后对二级指标进行权重分配，这一过程需要将二级指标与一级指标的隶属关系考虑进去。

3结语

对多能互补供热的研究已经很多，但是国内对大型的区域进行多能互补供热的实际案例还比较少，对于这方面的评价都是基于单独的评价指标进行计算，本文提出了多能互补模糊综合评判方法，该方法结合了多种因素对多能互补供热系统进行了综合的评价，该过程中运用了各因素的相互比较关系建立了判断矩阵，使得评判结果更加准确，这些优点优于传统的单独进行评价指标的计算，评价结果也更加符合实际情况。但是模糊综合评价结果依赖于合理的评价指标体系、评价指标因素、指标权重分配，这些部分是否选取合理对评价结果影响很大，需要进一步的优化该模型。

参考文献：

[1] 王丙林，陈杨杨，于伟锋. 东北地区太阳能供暖的经济和环境效益分析[J]. 绿色科技，2016（08）：126-128.

[2] 王枭飞，王天赐，雒智铭，王倩. 模糊层次综合评判法在锅炉供暖系统风险评估中的应用[J]. 中国特种设备安全. 2017，33（6）：28-32，37.

[3] 刘文剑，吴湘滨，张惠，丁国华. 模糊层次性综合评判模型对越岭隧道开挖和支护方式的选择初探[J]. 中南公路工程. 2006，31（1）：18-23.

（作者单位：东北石油大学土木建筑工程学院）