太阳能−生物质能联合供暖系统研究*

张良锐，崔海亭，马康乐，张欣悦

太阳能−生物质能联合供暖系统研究*

张良锐，崔海亭†，马康乐，张欣悦

（河北科技大学 机械工程学院，石家庄 050018）

为研究太阳能−生物质能联合供暖系统的供暖效果，通过正交实验设计了多种工况，并利用TRNSYS软件对不同工况进行模拟计算得出了最优工况，按照最优工况参数进行实验研究。结果表明：在集热器面积21 m2、生物质锅炉容量10 kW、集热水箱容积1.9 m3、谷电蓄热水箱容积1 m3的工况下，联合供暖系统具有良好的热舒适性，系统平均供热效率为68.70%。

太阳能；生物质能；正交试验；TRNSYS

0 引 言

太阳能、生物质能是清洁的可再生能源，其热利用技术是可再生能源利用的一个重要分支[1]。我国拥有丰富的太阳能与生物质能资源[2]，这对于可再生能源利用有着得天独厚的优势，但太阳能热利用具有时间、空间分布不均等特点，很难被充分利用，而生物质能具有性能稳定、原料来源丰富、成本低廉、生产规模灵活等特点[3]，刚好可以解决太阳能在供暖上时间与空间的矛盾。袁喜鹏等[4]利用瞬时系统模拟（transient system simulation, TRNSYS）软件，以系统能量效率和㶲效率为评价指标，对生物质锅炉接入系统中的位置进行研究，其研究重点在系统结构对系统性能的影响，忽略了系统参数变化对系统性能的影响。周瑞辰等[5]以系统经济性与环境效益为评价指标，通过实验研究了生物质锅炉与电加热分别辅助太阳能时的供暖效果，证明了生物质锅炉辅助太阳能时的经济性与环境效益，同样缺少对系统影响因素的研究。ZHANG等[6]采用实验与模拟相结合的方法对混合太阳能/生物质空间加热系统进行研究，结果表明太阳能/生物质加热系统的一次能源效率和㶲效率分别为67.66%和16.17%；与传统的一次能源供应系统相比，太阳能/生物质加热系统具有一次能源利用率高、能源效率高的优点。PALOMBA等[7]基于太阳能集热器、生物质锅炉和可逆混合热泵系统，对欧洲三个不同气候城市进行的研究表明，在较温暖的气候条件下，该系统可以满足70%的供暖需求和100%的制冷需求，证明了该系统的灵活配置，也显示了其在未来能源系统中的应用潜力。由此可见太阳能−生物质能联合供暖系统在供暖方面的优势以及其在未来能源结构中的潜力。

基于上述研究，本文以石家庄地区某高校热能工程实验室为研究对象，通过正交试验设计，采用TRNSYS软件对不同组合下的工况参数进行模拟计算，选出最优工况，并在最优工况下进行实验研究，为太阳能−生物质能联合供暖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

太阳能−生物质能联合供暖系统主要由太阳能集热子系统、生物质锅炉蓄热子系统、供暖末端以及控制系统四部分组成。其原理如图1所示。

图1 系统原理图

太阳能−生物质能联合供暖系统原理如下：系统在白天太阳辐射较强时，系统循环工质经太阳能集热系统加热后输送到集热水箱用于供暖，热量不足时启动谷电蓄热水箱补热，热量依旧不足时，将开启生物质锅炉补热；系统在太阳能辐射较弱或夜间运行时，开启谷电蓄热水箱用于供暖，热量不足时，将开启生物质锅炉补热。

1.1.1 系统控制策略

设定日间末端供暖温度为45℃，夜间为了保证谷电蓄热水箱蓄热温度，生物质锅炉出水温度设定为50℃，此时末端供暖温度也为50℃。太阳能−生物质能联合供暖系统用于实际应用时，控制策略如下。

①集热控制。当集热器出水温度减去集热水箱底部温度高于10℃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。

②集热水箱供暖控制。当集热水箱顶部水温高于50℃时集热水箱开始供暖，供暖时将回水进行分流，一部分回水进入集热水箱，一部分回水直接与集热水箱出水进行混合，混合到45℃再进行供暖；当集热水箱顶部水温低于45℃时，停止供暖。

③生物质锅炉蓄热控制。当处于谷价电时，锅炉给谷电蓄热水箱蓄热，同时也进行供暖。

④谷电蓄热水箱供暖控制。当处于峰价电、谷电蓄热水箱的出水温度高于45℃时，谷电蓄热水箱开始供暖。

⑤生物质锅炉辅助加热控制。供暖期间，若进入锅炉的水温低于45℃，开启辅助加热，将供暖水温加热到45℃，然后出水供暖。

1.1.2 建筑概况

石家庄属于寒冷地区，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℃。以石家庄地区某高校热能工程实验室为研究对象，该实验室为单体式建筑，高5 m、面积为100 m2、窗墙比0.3、室内相对湿度为40%，部分建筑参数见表1。

表1 不同类型墙体传热系数

实验室平面图及室内测点温度如图2所示。

图2 实验室平面图及室温测点分布

图中测点1和测点3靠近窗户，测点2和测点4靠近实验室门口，测点5在供暖末端风机盘管下方。

图3 实验室逐时热负荷图

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所示逐时热负荷图。供暖期最大逐时热负荷出现在1月份，为5 894.5 W，根据最大热负荷计算选定太阳能集热器面积为24 m2的真空管集热器，安装倾角为38°；选择CS-100C型生物质锅炉用作为辅助热源，其额定功率为10 kW、效率为80%、生物质燃料热值为15 990 kJ/kg。

1.2 仿真模型的建立

本文系统涉及太阳能与生物质能的综合利用，并且涉及室外气象条件变化，以TRNSYS软件为平台，搭建系统的动态仿真模型。仿真模型如图4所示。

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、水箱、生物质锅炉、控制模块。仿真模型初始参数设置如表2所示。

图4 仿真模型图

表2 系统模型主要参数

2 正交试验设计

在太阳能−生物质能联合供暖系统研究中，系统的影响因素是多样的，而正交试验通过选定试验因素和水平，再把各试验情况放入正交表中，以达到安排和分析多因素试验的目的，属于一种数理统计法，该方法具有试验频次少、方法简便、效果出色、便于操作、效率高等优点[8]。

2.1 系统评价指标的选取

2.1.1 太阳能保证率[9]

在太阳能−生物质能联合供暖系统中，太阳能保证率能对系统整体性能进行评价。太阳能保证率是指在采暖季中太阳能集热系统提供的有用热量与建筑采暖所需热负荷之比。

2.1.2 费用年值

对于供暖系统，除了考虑系统整体性能外，系统的经济性也十分重要，而费用年值法[10]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设计方案下，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，以确定最佳的设计方案。其计算公式为：

表3 设备金额

综合考虑石家庄当前物价以及民用供暖设备单价，选取的各部分设备金额如表3所示。

2.2 无交互正交试验方案设计

无交互正交试验在不考虑所选因素间的交互作

用影响情况下，选取合适的正交表[11]，将正交表中各列的数字用相应的因素水平值代替，然后将数值代入仿真模型中进行模拟计算，最后通过所选的评价指标来确定各因素的影响程度。

2.3 极差分析方法

极差分析法[11]分析步骤如下：在确定试验因素及水平之后，根据正交表，分别计算出第列上水平为的各试验目标结果的均值。

极差值反映各因素对评价指标影响程度大小，越大说明因素水平改变时对评价指标影响越大。

2.4 系统影响因素及水平的选取

影响系统的因素是多样的，在选取因素时应尽可能地选取能够真实反映系统评价指标的因素。本文选取的因素为集热器面积、集热水箱容积、谷电蓄热水箱容积、生物质锅炉容量。在选取集热器面积时，集热器面积的范围应该使得该地区的太阳能保证率处于30% ～ 80%。依据此原则，选择集热器面积的范围为15 ～ 39 m2；在选取集热水箱容积时，由《太阳能供热采暖工程技术规范》（GB50495-2009）规定[9]，集热水箱的容积按照每平方米集热器采光面积对应50 ～ 150 L水箱容积选取，依据此原则，集热水箱的容积选取范围为1.4 ～ 3.5 m3；生物质锅炉容量的选择应该考虑采暖季最冷日热负荷的情况，本文选取的生物质锅炉容量范围为10 ～ 18 kW；谷电蓄热水箱的容积应考虑生物质锅炉容量，其容积能够满足低谷电时段生物质锅炉提供的热量，本文选取的范围为1 ～ 3 m3。各影响因素及其水平的选取如表4所示。

表4 影响因素及水平

2.5 模拟结果分析

根据2.4节确定的因素及水平，选用L25（56）型[11]标准正交表，将各因素及水平填入对应列，然后利用建立好的仿真模型对不同因素实验条件进行计算，将结果填入相应的评价指标列中得到太阳能保证率和费用年值试验结果，如表5所示。

对表5中的试验结果进行差值分析可知，当以太阳能保证率为评价指标时，太阳能保证率的极差值越大越好。在此实验中，因素A的极差值最大，为26.84%；因素D的极差值较大，为8.476%；因素B的极差值次之，为3.466%；因素C的极差值最小，为1.914%。根据极差的定义，各因素对太阳能保证率的影响为：集热器面积> 生物质锅炉容量> 集热水箱容积> 谷电蓄热水箱容积。当以费用年值为评价指标时，费用年值的极差越大，说明该因素对系统经济性的影响越大，此时费用年值越小越好。在此试验中，因素C的极差值最大，为958.128元；因素A的极差值较大，为398.074元；因素D的极差值次之，为319.314元；因素B的极差值最小，为292.978元。即各因素对费用年值的影响为谷电蓄热水箱容积> 集热器面积> 生物质锅炉容量> 集热水箱容积。

表5 正交试验方案及试验结果

从图5中可以更直观地看到集热器面积、集热水箱容积、谷电蓄热水箱容积、生物质锅炉容量对太阳能保证率f和费用年值Z变化趋势的影响。

由图5a可知，随着集热器面积的增大，逐渐增大，斜率变化减小，增大趋势在变缓。最大值为48.64%，最小值为21.81%；先减小后增大，增大后的斜率变化先增大后减小，增大趋势在变缓。最大值为6 625.048元，最小值为6 226.974元。增大集热器面积，虽然有较大的，但是到达一个临界值之后也会增大，不符合经济性。

由图5b可知，随着集热水箱容积的增大，逐渐增大，斜率变化减小，增大趋势在变缓。最大值为38.36%，最小值为34.9%；先减小后增大，增大后斜率变化在逐渐增大，增大趋势没有变缓。最大值为6 573.876元，最小值为6 280.898元。集热水箱容积增大虽能提高，但其本身的影响程度不如集热器面积，效益不如集热器面积，同时也不符合经济性。

由图5c可知，随着谷电蓄热水箱容积的增大，先减小后增大又逐渐减小，减小后的斜率变化减小，减小趋势在变缓，这是由于随着谷电蓄热水箱容积增大，夜间低谷电时段蓄热量增加，峰电时段放热量增加，太阳能有效供热量减少，减小；谷电蓄热水箱容积继续增大，水箱热损失增加，峰电时段放热量减少，太阳能有效供热量增加，增大；继续增大谷电蓄热水箱容积，峰电时段放热量远大于水箱热损失，太阳能有效供热量减少，又逐渐减小。最大值为37.85%，最小值为35.94%；逐渐增大，斜率变化减小，增大趋势在变缓。最大值为6 791.836元，最小值为5 833.708元。增大谷电蓄热水箱容积既不能增大也没有良好的经济性。

由图5d可知，随着生物质锅炉容量的增大，逐渐减小，斜率变化减小，减小趋势在变缓。最大值为42.44%，最小值为33.97%；逐渐增大，斜率变化增大，增大趋势没有变缓。最大值为6 544.978元，最小值为6 225.664元。生物质锅炉容量的增大既不能提高也不能符合经济性。

图5 太阳能保证率和费用年值随各因素变化趋势

综上所述，当以太阳能保证率为评价指标时，最优工况1为：集热器面积39 m2、生物质锅炉容量10 kW、集热水箱容积3.3 m3、谷电蓄热水箱容积1 m3；当以费用年值为评价指标时，最优工况2为：谷电蓄热水箱容积1 m3、集热器面积21 m2、生物质锅炉容量10 kW、集热水箱容积1.9 m3。

根据上文分析，为评价指标时的最优工况1、为评价指标时的最优工况2和系统最初的设计工况三者进行对比，得到的数据如图6所示。

图6 三种工况下f对比图

由图6可知，供暖期内，设计工况下11月、12月、1月、2月、3月的分别为36.82%、32.85%、28.85%、38.81%、53.04%；优化工况1下11月、12月、1月、2月、3月的分别为59.78%、55.64%、51.34%、61.49%、63.9%；优化工况2下11月、12月、1月、2月、3月的分别为38%、34%、29.42%、38.9%、57.47%；相较于设计工况，供暖期内优化工况1的平均提高了18.87%；优化工况2的平均提高了1.49%。

图7 三种工况下各费用对比图

图7是三种工况下，费用年值、运行费用、系统初投资对比图。由图7可知，设计工况下费用年值为6 150.77元、运行费用2 731.45元、系统初投资17 450元；优化工况1下费用年值为5 881.95元、运行费用1 810.92元、系统初投资20 775元；优化工况2下费用年值为5 380.3元、运行费用2 350.06元、系统初投资15 465元；相较于设计工况，寿命期内优化工况1的降低了268.82元；优化工况2的降低了770.47元。

3 实验设计

3.1 实验方法

由于太阳能保证率的复杂性与不稳定性，本节将选用上文费用年值评价指标下的最优工况进行实验研究。根据系统原理图搭建的实验布置如图8所示，实验主要测试温度、热量、生物质消耗量和水泵耗电量。

图8 实验设备布置图

测试方法如下：

（1）太阳辐射测试方法。试验选用SM206太阳能辐射测试仪，测量范围为0.1 ～ 1 999 W/m2。将太阳辐射仪安装在与集热器采光面平行的位置。

（2）流量测试方法。用涡轮流量计检测太阳能集热循环管路、采暖循环管路以及蓄热管路流量。

（3）温度测试方法。实验使用T型热电偶（铜−康铜）对系统集热器进出口温度、集热水箱温度进出口温度、谷电蓄热水箱温度、生物质锅炉进出口处温度进行测试。

（4）热量测试方法。由流量、温差等参数求出，通过涡轮流量计记录逐时流量，T型热电偶记录管路逐时供回水温度。

（5）生物质燃料消耗量测试方法。测试前利用高精度电子秤对生物质燃料进行称重，测试结束后对剩余生物质燃料进行称重，其差值为测试期间生物质消耗量。

（6）耗电量测试方法。各循环泵的耗电量可由实验室内配电柜的电能表读出。

（7）室内外环境参数测试方法。室内外环境温度由自动记录仪测试。

（8）数据采集。实验使用安捷伦 34970A数据采集/开关单元。

3.2 试验分析

3.2.1 室内温度分析

2021年1月5日至1月9日对联合供暖系统进行测试，选取1月5日室内测点温度与室外环境温度进行分析，结果如图9所示。

图9 各测点各时段温度分布图

由图9可知，石家庄地区昼夜温差较大，室外温度呈先降低后升高又降低的趋势，室外温升阶段各测点温度温升明显；室内测点温度变化较大，但变化趋势基本相同，测点1、测点3温度在18.39℃ ～ 22.80℃区间波动，测点2、测点4温度在18.45℃～ 20.88℃区间波动，测点5温度在18.62℃ ～ 24.31℃区间波动。这是由于测点5在风机盘管下方，升温较快，测点1、测点3靠近窗户在向阳面，测点2、测点4在背阳面，室内平均温度在19.60℃ ～ 21.06℃区间波动，有较好的热舒适性。在夜间22:00至次日6:00，用生物质锅炉供暖，室外温度在−2.66℃～ −5.51℃区间波动，室内平均温度在18.92℃～ 19.06℃区间波动，夜间室内温度受室外温度影响较大，但平均室温稳定，有较好的热舒适性。

3.2.2 系统效率分析

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的比值。

图10为联合供暖系统在测试期间各部分设备供热量及生物质消耗量，由图可知测试期间集热水箱平均供热量14.62 kW∙h，生物质锅炉平均供热量123.59 kW∙h，向建筑平均供热量130.47 kW∙h。由于测试期间处于供暖期最冷月，其太阳能辐照量较低，集热水箱供热量较少，但总的供热量满足建筑供暖需求，说明本文联合供暖系统是可行的。

图10 联合供暖系统供热量与生物质消耗量

图11为联合供暖系统测试期间系统供热效率，由图可知该供暖系统测试期间的系统效率分别为64.62%、67.48%、68.42%、72.83%、70.13%，其平均效率为68.70%。

图11 联合供暖系统效率

4 结 论

利用TRNSYS软件建立系统模型，以太阳能保证率和费用年值为系统评价指标，通过正交实验设计选出最优工况，并对费用年值评价指标下的最优工况进行试验研究，得出以下结论：

（1）当以太阳能保证率为评价指标时，最优工况1为：集热器面积39 m2、生物质锅炉容量10 kW、集热水箱容积3.3 m3、谷电蓄热水箱容积1 m3；当以费用年值为评价指标时，最优工况2为：谷电蓄热水箱容积1 m3、集热器面积21 m2、生物质锅炉容量10 kW、集热水箱容积1.9 m3。

（2）相较于设计工况，供暖期内优化工况1的平均提高了18.87%，优化工况2的平均提高了1.49%。寿命期内优化工况1的降低了268.82元，优化工况2的降低了770.47元。

（3）联合供暖系统平均室温在19.60℃～ 21.06℃区间波动，室温变化稳定，热舒适性良好，系统平均供热效率为68.70%。

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Study of Solar-Biomass Combined Heating System

ZHANG Liang-rui, CUI Hai-ting, MA Kang-le, ZHANG Xin-yue

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China)

In order to study the heating effect of the combined solar-biomass heating system, various working conditions were designed by orthogonal experiments. TRNSYS software was used to simulate to obtain the optimal working conditions, and experimental studies were conducted according to the optimal working conditions parameters. The results showed that the combined heating system had good thermal comfort and the average heating efficiency of the system was 68.70% under conditions of 21 m2collector area, 10 kW biomass boiler capacity, 1.9 m3collector water tank volume and 1 m3valley electric storage water tank volume.

solar energy; biomass energy; orthogonal test; TRNSYS

2095-560X（2022）03-0249-09

TK6；TU832.1

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2022.03.009

2022-04-04

2022-04-20

河北省自然科学基金项目（B2021208017）；石家庄市科技研究与发展计划项目（211230093A）

崔海亭，E-mail：cuiht@126.com

张良锐（1994-），男，硕士研究生，主要从事相变储能与新能源利用研究。

崔海亭（1964-），男，博士，教授，主要从事蓄热与强化传热技术方面的研究。