太陽(yáng)能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)研究*

張良銳，崔海亭，馬康樂，張欣悅

太陽(yáng)能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)研究*

張良銳，崔海亭?，馬康樂，張欣悅

（河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018）

為研究太陽(yáng)能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)的供暖效果，通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了多種工況，并利用TRNSYS軟件對(duì)不同工況進(jìn)行模擬計(jì)算得出了最優(yōu)工況，按照最優(yōu)工況參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在集熱器面積21 m2、生物質(zhì)鍋爐容量10 kW、集熱水箱容積1.9 m3、谷電蓄熱水箱容積1 m3的工況下，聯(lián)合供暖系統(tǒng)具有良好的熱舒適性，系統(tǒng)平均供熱效率為68.70%。

太陽(yáng)能；生物質(zhì)能；正交試驗(yàn)；TRNSYS

0 引 言

太陽(yáng)能、生物質(zhì)能是清潔的可再生能源，其熱利用技術(shù)是可再生能源利用的一個(gè)重要分支[1]。我國(guó)擁有豐富的太陽(yáng)能與生物質(zhì)能資源[2]，這對(duì)于可再生能源利用有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，但太陽(yáng)能熱利用具有時(shí)間、空間分布不均等特點(diǎn)，很難被充分利用，而生物質(zhì)能具有性能穩(wěn)定、原料來源豐富、成本低廉、生產(chǎn)規(guī)模靈活等特點(diǎn)[3]，剛好可以解決太陽(yáng)能在供暖上時(shí)間與空間的矛盾。袁喜鵬等[4]利用瞬時(shí)系統(tǒng)模擬（transient system simulation, TRNSYS）軟件，以系統(tǒng)能量效率和?效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)生物質(zhì)鍋爐接入系統(tǒng)中的位置進(jìn)行研究，其研究重點(diǎn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，忽略了系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。周瑞辰等[5]以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境效益為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過實(shí)驗(yàn)研究了生物質(zhì)鍋爐與電加熱分別輔助太陽(yáng)能時(shí)的供暖效果，證明了生物質(zhì)鍋爐輔助太陽(yáng)能時(shí)的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境效益，同樣缺少對(duì)系統(tǒng)影響因素的研究。ZHANG等[6]采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法對(duì)混合太陽(yáng)能/生物質(zhì)空間加熱系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明太陽(yáng)能/生物質(zhì)加熱系統(tǒng)的一次能源效率和?效率分別為67.66%和16.17%；與傳統(tǒng)的一次能源供應(yīng)系統(tǒng)相比，太陽(yáng)能/生物質(zhì)加熱系統(tǒng)具有一次能源利用率高、能源效率高的優(yōu)點(diǎn)。PALOMBA等[7]基于太陽(yáng)能集熱器、生物質(zhì)鍋爐和可逆混合熱泵系統(tǒng)，對(duì)歐洲三個(gè)不同氣候城市進(jìn)行的研究表明，在較溫暖的氣候條件下，該系統(tǒng)可以滿足70%的供暖需求和100%的制冷需求，證明了該系統(tǒng)的靈活配置，也顯示了其在未來能源系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。由此可見太陽(yáng)能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)在供暖方面的優(yōu)勢(shì)以及其在未來能源結(jié)構(gòu)中的潛力。

基于上述研究，本文以石家莊地區(qū)某高校熱能工程實(shí)驗(yàn)室為研究對(duì)象，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用TRNSYS軟件對(duì)不同組合下的工況參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，選出最優(yōu)工況，并在最優(yōu)工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為太陽(yáng)能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)在石家莊地區(qū)的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理

太陽(yáng)能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱子系統(tǒng)、生物質(zhì)鍋爐蓄熱子系統(tǒng)、供暖末端以及控制系統(tǒng)四部分組成。其原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

太陽(yáng)能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)原理如下：系統(tǒng)在白天太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)經(jīng)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)加熱后輸送到集熱水箱用于供暖，熱量不足時(shí)啟動(dòng)谷電蓄熱水箱補(bǔ)熱，熱量依舊不足時(shí)，將開啟生物質(zhì)鍋爐補(bǔ)熱；系統(tǒng)在太陽(yáng)能輻射較弱或夜間運(yùn)行時(shí)，開啟谷電蓄熱水箱用于供暖，熱量不足時(shí)，將開啟生物質(zhì)鍋爐補(bǔ)熱。

1.1.1 系統(tǒng)控制策略

設(shè)定日間末端供暖溫度為45℃，夜間為了保證谷電蓄熱水箱蓄熱溫度，生物質(zhì)鍋爐出水溫度設(shè)定為50℃，此時(shí)末端供暖溫度也為50℃。太陽(yáng)能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)用于實(shí)際應(yīng)用時(shí)，控制策略如下。

①集熱控制。當(dāng)集熱器出水溫度減去集熱水箱底部溫度高于10℃時(shí)，集熱泵啟動(dòng)，集熱器開始給集熱水箱蓄熱，當(dāng)集熱器出水溫度減去集熱水箱底部水溫小于2℃時(shí)，關(guān)閉集熱泵。

②集熱水箱供暖控制。當(dāng)集熱水箱頂部水溫高于50℃時(shí)集熱水箱開始供暖，供暖時(shí)將回水進(jìn)行分流，一部分回水進(jìn)入集熱水箱，一部分回水直接與集熱水箱出水進(jìn)行混合，混合到45℃再進(jìn)行供暖；當(dāng)集熱水箱頂部水溫低于45℃時(shí)，停止供暖。

③生物質(zhì)鍋爐蓄熱控制。當(dāng)處于谷價(jià)電時(shí)，鍋爐給谷電蓄熱水箱蓄熱，同時(shí)也進(jìn)行供暖。

④谷電蓄熱水箱供暖控制。當(dāng)處于峰價(jià)電、谷電蓄熱水箱的出水溫度高于45℃時(shí)，谷電蓄熱水箱開始供暖。

⑤生物質(zhì)鍋爐輔助加熱控制。供暖期間，若進(jìn)入鍋爐的水溫低于45℃，開啟輔助加熱，將供暖水溫加熱到45℃，然后出水供暖。

1.1.2 建筑概況

石家莊屬于寒冷地區(qū)，供暖期為每年11月15日至次年3月15日，采暖設(shè)計(jì)溫度為18℃。以石家莊地區(qū)某高校熱能工程實(shí)驗(yàn)室為研究對(duì)象，該實(shí)驗(yàn)室為單體式建筑，高5 m、面積為100 m2、窗墻比0.3、室內(nèi)相對(duì)濕度為40%，部分建筑參數(shù)見表1。

表1 不同類型墻體傳熱系數(shù)

實(shí)驗(yàn)室平面圖及室內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)室平面圖及室溫測(cè)點(diǎn)分布

圖中測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3靠近窗戶，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)4靠近實(shí)驗(yàn)室門口，測(cè)點(diǎn)5在供暖末端風(fēng)機(jī)盤管下方。

圖3 實(shí)驗(yàn)室逐時(shí)熱負(fù)荷圖

利用TRNSYS軟件中的TRNbuild模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行供暖期內(nèi)逐時(shí)熱負(fù)荷計(jì)算，得到圖3所示逐時(shí)熱負(fù)荷圖。供暖期最大逐時(shí)熱負(fù)荷出現(xiàn)在1月份，為5 894.5 W，根據(jù)最大熱負(fù)荷計(jì)算選定太陽(yáng)能集熱器面積為24 m2的真空管集熱器，安裝傾角為38°；選擇CS-100C型生物質(zhì)鍋爐用作為輔助熱源，其額定功率為10 kW、效率為80%、生物質(zhì)燃料熱值為15 990 kJ/kg。

1.2 仿真模型的建立

本文系統(tǒng)涉及太陽(yáng)能與生物質(zhì)能的綜合利用，并且涉及室外氣象條件變化，以TRNSYS軟件為平臺(tái)，搭建系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型。仿真模型如圖4所示。

仿真模型的主要功能模塊包括氣象數(shù)據(jù)、真空管太陽(yáng)能集熱器、水箱、生物質(zhì)鍋爐、控制模塊。仿真模型初始參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖4 仿真模型圖

表2 系統(tǒng)模型主要參數(shù)

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在太陽(yáng)能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)研究中，系統(tǒng)的影響因素是多樣的，而正交試驗(yàn)通過選定試驗(yàn)因素和水平，再把各試驗(yàn)情況放入正交表中，以達(dá)到安排和分析多因素試驗(yàn)的目的，屬于一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，該方法具有試驗(yàn)頻次少、方法簡(jiǎn)便、效果出色、便于操作、效率高等優(yōu)點(diǎn)[8]。

2.1 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

2.1.1 太陽(yáng)能保證率[9]

在太陽(yáng)能?生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)中，太陽(yáng)能保證率能對(duì)系統(tǒng)整體性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。太陽(yáng)能保證率是指在采暖季中太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供的有用熱量與建筑采暖所需熱負(fù)荷之比。

2.1.2 費(fèi)用年值

對(duì)于供暖系統(tǒng)，除了考慮系統(tǒng)整體性能外，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性也十分重要，而費(fèi)用年值法[10]是對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)的有效方法。費(fèi)用年值法可以在不同的設(shè)計(jì)方案下，對(duì)系統(tǒng)使用壽命、年運(yùn)行費(fèi)用、系統(tǒng)初投資進(jìn)行客觀的經(jīng)濟(jì)性分析，以確定最佳的設(shè)計(jì)方案。其計(jì)算公式為：

表3 設(shè)備金額

綜合考慮石家莊當(dāng)前物價(jià)以及民用供暖設(shè)備單價(jià)，選取的各部分設(shè)備金額如表3所示。

2.2 無交互正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

無交互正交試驗(yàn)在不考慮所選因素間的交互作

用影響情況下，選取合適的正交表[11]，將正交表中各列的數(shù)字用相應(yīng)的因素水平值代替，然后將數(shù)值代入仿真模型中進(jìn)行模擬計(jì)算，最后通過所選的評(píng)價(jià)指標(biāo)來確定各因素的影響程度。

2.3 極差分析方法

極差分析法[11]分析步驟如下：在確定試驗(yàn)因素及水平之后，根據(jù)正交表，分別計(jì)算出第列上水平為的各試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)結(jié)果的均值。

極差值反映各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響程度大小，越大說明因素水平改變時(shí)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響越大。

2.4 系統(tǒng)影響因素及水平的選取

影響系統(tǒng)的因素是多樣的，在選取因素時(shí)應(yīng)盡可能地選取能夠真實(shí)反映系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的因素。本文選取的因素為集熱器面積、集熱水箱容積、谷電蓄熱水箱容積、生物質(zhì)鍋爐容量。在選取集熱器面積時(shí)，集熱器面積的范圍應(yīng)該使得該地區(qū)的太陽(yáng)能保證率處于30% ～ 80%。依據(jù)此原則，選擇集熱器面積的范圍為15 ～ 39 m2；在選取集熱水箱容積時(shí)，由《太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》（GB50495-2009）規(guī)定[9]，集熱水箱的容積按照每平方米集熱器采光面積對(duì)應(yīng)50 ～ 150 L水箱容積選取，依據(jù)此原則，集熱水箱的容積選取范圍為1.4 ～ 3.5 m3；生物質(zhì)鍋爐容量的選擇應(yīng)該考慮采暖季最冷日熱負(fù)荷的情況，本文選取的生物質(zhì)鍋爐容量范圍為10 ～ 18 kW；谷電蓄熱水箱的容積應(yīng)考慮生物質(zhì)鍋爐容量，其容積能夠滿足低谷電時(shí)段生物質(zhì)鍋爐提供的熱量，本文選取的范圍為1 ～ 3 m3。各影響因素及其水平的選取如表4所示。

表4 影響因素及水平

2.5 模擬結(jié)果分析

根據(jù)2.4節(jié)確定的因素及水平，選用L25（56）型[11]標(biāo)準(zhǔn)正交表，將各因素及水平填入對(duì)應(yīng)列，然后利用建立好的仿真模型對(duì)不同因素實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果填入相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)列中得到太陽(yáng)能保證率和費(fèi)用年值試驗(yàn)結(jié)果，如表5所示。

對(duì)表5中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行差值分析可知，當(dāng)以太陽(yáng)能保證率為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，太陽(yáng)能保證率的極差值越大越好。在此實(shí)驗(yàn)中，因素A的極差值最大，為26.84%；因素D的極差值較大，為8.476%；因素B的極差值次之，為3.466%；因素C的極差值最小，為1.914%。根據(jù)極差的定義，各因素對(duì)太陽(yáng)能保證率的影響為：集熱器面積> 生物質(zhì)鍋爐容量> 集熱水箱容積> 谷電蓄熱水箱容積。當(dāng)以費(fèi)用年值為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，費(fèi)用年值的極差越大，說明該因素對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響越大，此時(shí)費(fèi)用年值越小越好。在此試驗(yàn)中，因素C的極差值最大，為958.128元；因素A的極差值較大，為398.074元；因素D的極差值次之，為319.314元；因素B的極差值最小，為292.978元。即各因素對(duì)費(fèi)用年值的影響為谷電蓄熱水箱容積> 集熱器面積> 生物質(zhì)鍋爐容量> 集熱水箱容積。

表5 正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

從圖5中可以更直觀地看到集熱器面積、集熱水箱容積、谷電蓄熱水箱容積、生物質(zhì)鍋爐容量對(duì)太陽(yáng)能保證率f和費(fèi)用年值Z變化趨勢(shì)的影響。

由圖5a可知，隨著集熱器面積的增大，逐漸增大，斜率變化減小，增大趨勢(shì)在變緩。最大值為48.64%，最小值為21.81%；先減小后增大，增大后的斜率變化先增大后減小，增大趨勢(shì)在變緩。最大值為6 625.048元，最小值為6 226.974元。增大集熱器面積，雖然有較大的，但是到達(dá)一個(gè)臨界值之后也會(huì)增大，不符合經(jīng)濟(jì)性。

由圖5b可知，隨著集熱水箱容積的增大，逐漸增大，斜率變化減小，增大趨勢(shì)在變緩。最大值為38.36%，最小值為34.9%；先減小后增大，增大后斜率變化在逐漸增大，增大趨勢(shì)沒有變緩。最大值為6 573.876元，最小值為6 280.898元。集熱水箱容積增大雖能提高，但其本身的影響程度不如集熱器面積，效益不如集熱器面積，同時(shí)也不符合經(jīng)濟(jì)性。

由圖5c可知，隨著谷電蓄熱水箱容積的增大，先減小后增大又逐漸減小，減小后的斜率變化減小，減小趨勢(shì)在變緩，這是由于隨著谷電蓄熱水箱容積增大，夜間低谷電時(shí)段蓄熱量增加，峰電時(shí)段放熱量增加，太陽(yáng)能有效供熱量減少，減小；谷電蓄熱水箱容積繼續(xù)增大，水箱熱損失增加，峰電時(shí)段放熱量減少，太陽(yáng)能有效供熱量增加，增大；繼續(xù)增大谷電蓄熱水箱容積，峰電時(shí)段放熱量遠(yuǎn)大于水箱熱損失，太陽(yáng)能有效供熱量減少，又逐漸減小。最大值為37.85%，最小值為35.94%；逐漸增大，斜率變化減小，增大趨勢(shì)在變緩。最大值為6 791.836元，最小值為5 833.708元。增大谷電蓄熱水箱容積既不能增大也沒有良好的經(jīng)濟(jì)性。

由圖5d可知，隨著生物質(zhì)鍋爐容量的增大，逐漸減小，斜率變化減小，減小趨勢(shì)在變緩。最大值為42.44%，最小值為33.97%；逐漸增大，斜率變化增大，增大趨勢(shì)沒有變緩。最大值為6 544.978元，最小值為6 225.664元。生物質(zhì)鍋爐容量的增大既不能提高也不能符合經(jīng)濟(jì)性。

圖5 太陽(yáng)能保證率和費(fèi)用年值隨各因素變化趨勢(shì)

綜上所述，當(dāng)以太陽(yáng)能保證率為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)工況1為：集熱器面積39 m2、生物質(zhì)鍋爐容量10 kW、集熱水箱容積3.3 m3、谷電蓄熱水箱容積1 m3；當(dāng)以費(fèi)用年值為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)工況2為：谷電蓄熱水箱容積1 m3、集熱器面積21 m2、生物質(zhì)鍋爐容量10 kW、集熱水箱容積1.9 m3。

根據(jù)上文分析，為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)的最優(yōu)工況1、為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)的最優(yōu)工況2和系統(tǒng)最初的設(shè)計(jì)工況三者進(jìn)行對(duì)比，得到的數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 三種工況下f對(duì)比圖

由圖6可知，供暖期內(nèi)，設(shè)計(jì)工況下11月、12月、1月、2月、3月的分別為36.82%、32.85%、28.85%、38.81%、53.04%；優(yōu)化工況1下11月、12月、1月、2月、3月的分別為59.78%、55.64%、51.34%、61.49%、63.9%；優(yōu)化工況2下11月、12月、1月、2月、3月的分別為38%、34%、29.42%、38.9%、57.47%；相較于設(shè)計(jì)工況，供暖期內(nèi)優(yōu)化工況1的平均提高了18.87%；優(yōu)化工況2的平均提高了1.49%。

圖7 三種工況下各費(fèi)用對(duì)比圖

圖7是三種工況下，費(fèi)用年值、運(yùn)行費(fèi)用、系統(tǒng)初投資對(duì)比圖。由圖7可知，設(shè)計(jì)工況下費(fèi)用年值為6 150.77元、運(yùn)行費(fèi)用2 731.45元、系統(tǒng)初投資17 450元；優(yōu)化工況1下費(fèi)用年值為5 881.95元、運(yùn)行費(fèi)用1 810.92元、系統(tǒng)初投資20 775元；優(yōu)化工況2下費(fèi)用年值為5 380.3元、運(yùn)行費(fèi)用2 350.06元、系統(tǒng)初投資15 465元；相較于設(shè)計(jì)工況，壽命期內(nèi)優(yōu)化工況1的降低了268.82元；優(yōu)化工況2的降低了770.47元。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

由于太陽(yáng)能保證率的復(fù)雜性與不穩(wěn)定性，本節(jié)將選用上文費(fèi)用年值評(píng)價(jià)指標(biāo)下的最優(yōu)工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)系統(tǒng)原理圖搭建的實(shí)驗(yàn)布置如圖8所示，實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試溫度、熱量、生物質(zhì)消耗量和水泵耗電量。

圖8 實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置圖

測(cè)試方法如下：

（1）太陽(yáng)輻射測(cè)試方法。試驗(yàn)選用SM206太陽(yáng)能輻射測(cè)試儀，測(cè)量范圍為0.1 ～ 1 999 W/m2。將太陽(yáng)輻射儀安裝在與集熱器采光面平行的位置。

（2）流量測(cè)試方法。用渦輪流量計(jì)檢測(cè)太陽(yáng)能集熱循環(huán)管路、采暖循環(huán)管路以及蓄熱管路流量。

（3）溫度測(cè)試方法。實(shí)驗(yàn)使用T型熱電偶（銅?康銅）對(duì)系統(tǒng)集熱器進(jìn)出口溫度、集熱水箱溫度進(jìn)出口溫度、谷電蓄熱水箱溫度、生物質(zhì)鍋爐進(jìn)出口處溫度進(jìn)行測(cè)試。

（4）熱量測(cè)試方法。由流量、溫差等參數(shù)求出，通過渦輪流量計(jì)記錄逐時(shí)流量，T型熱電偶記錄管路逐時(shí)供回水溫度。

（5）生物質(zhì)燃料消耗量測(cè)試方法。測(cè)試前利用高精度電子秤對(duì)生物質(zhì)燃料進(jìn)行稱重，測(cè)試結(jié)束后對(duì)剩余生物質(zhì)燃料進(jìn)行稱重，其差值為測(cè)試期間生物質(zhì)消耗量。

（6）耗電量測(cè)試方法。各循環(huán)泵的耗電量可由實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配電柜的電能表讀出。

（7）室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)測(cè)試方法。室內(nèi)外環(huán)境溫度由自動(dòng)記錄儀測(cè)試。

（8）數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)使用安捷倫 34970A數(shù)據(jù)采集/開關(guān)單元。

3.2 試驗(yàn)分析

3.2.1 室內(nèi)溫度分析

2021年1月5日至1月9日對(duì)聯(lián)合供暖系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，選取1月5日室內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度與室外環(huán)境溫度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 各測(cè)點(diǎn)各時(shí)段溫度分布圖

由圖9可知，石家莊地區(qū)晝夜溫差較大，室外溫度呈先降低后升高又降低的趨勢(shì)，室外溫升階段各測(cè)點(diǎn)溫度溫升明顯；室內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度變化較大，但變化趨勢(shì)基本相同，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)3溫度在18.39℃ ～ 22.80℃區(qū)間波動(dòng)，測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)4溫度在18.45℃～ 20.88℃區(qū)間波動(dòng)，測(cè)點(diǎn)5溫度在18.62℃ ～ 24.31℃區(qū)間波動(dòng)。這是由于測(cè)點(diǎn)5在風(fēng)機(jī)盤管下方，升溫較快，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)3靠近窗戶在向陽(yáng)面，測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)4在背陽(yáng)面，室內(nèi)平均溫度在19.60℃ ～ 21.06℃區(qū)間波動(dòng)，有較好的熱舒適性。在夜間22:00至次日6:00，用生物質(zhì)鍋爐供暖，室外溫度在?2.66℃～ ?5.51℃區(qū)間波動(dòng)，室內(nèi)平均溫度在18.92℃～ 19.06℃區(qū)間波動(dòng)，夜間室內(nèi)溫度受室外溫度影響較大，但平均室溫穩(wěn)定，有較好的熱舒適性。

3.2.2 系統(tǒng)效率分析

從供需平衡的角度來說，送入末端的供熱量就是建筑的需熱量，供熱系統(tǒng)的效率應(yīng)該是能源供入末端的能量與太陽(yáng)能采光面輻照量加生物質(zhì)燃料量的比值。

圖10為聯(lián)合供暖系統(tǒng)在測(cè)試期間各部分設(shè)備供熱量及生物質(zhì)消耗量，由圖可知測(cè)試期間集熱水箱平均供熱量14.62 kW?h，生物質(zhì)鍋爐平均供熱量123.59 kW?h，向建筑平均供熱量130.47 kW?h。由于測(cè)試期間處于供暖期最冷月，其太陽(yáng)能輻照量較低，集熱水箱供熱量較少，但總的供熱量滿足建筑供暖需求，說明本文聯(lián)合供暖系統(tǒng)是可行的。

圖10 聯(lián)合供暖系統(tǒng)供熱量與生物質(zhì)消耗量

圖11為聯(lián)合供暖系統(tǒng)測(cè)試期間系統(tǒng)供熱效率，由圖可知該供暖系統(tǒng)測(cè)試期間的系統(tǒng)效率分別為64.62%、67.48%、68.42%、72.83%、70.13%，其平均效率為68.70%。

圖11 聯(lián)合供暖系統(tǒng)效率

4 結(jié) 論

利用TRNSYS軟件建立系統(tǒng)模型，以太陽(yáng)能保證率和費(fèi)用年值為系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選出最優(yōu)工況，并對(duì)費(fèi)用年值評(píng)價(jià)指標(biāo)下的最優(yōu)工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)以太陽(yáng)能保證率為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)工況1為：集熱器面積39 m2、生物質(zhì)鍋爐容量10 kW、集熱水箱容積3.3 m3、谷電蓄熱水箱容積1 m3；當(dāng)以費(fèi)用年值為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)工況2為：谷電蓄熱水箱容積1 m3、集熱器面積21 m2、生物質(zhì)鍋爐容量10 kW、集熱水箱容積1.9 m3。

（2）相較于設(shè)計(jì)工況，供暖期內(nèi)優(yōu)化工況1的平均提高了18.87%，優(yōu)化工況2的平均提高了1.49%。壽命期內(nèi)優(yōu)化工況1的降低了268.82元，優(yōu)化工況2的降低了770.47元。

（3）聯(lián)合供暖系統(tǒng)平均室溫在19.60℃～ 21.06℃區(qū)間波動(dòng)，室溫變化穩(wěn)定，熱舒適性良好，系統(tǒng)平均供熱效率為68.70%。

[1] 劉慶玉, 關(guān)琦, 張敏, 等. 北方典型農(nóng)村住宅太陽(yáng)能輔助采暖優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 可再生能源, 2020, 38(4): 447-452. DOI: 10.3969/j.issn.1671-5292.2020.04.004.

[2] 張蓓蓓, 馬穎, 耿維, 等. 中國(guó)油菜秸稈資源的生物質(zhì)能源利用潛力評(píng)價(jià)[J]. 可再生能源, 2017, 35(1): 126-134. DOI: 10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2017.01.019.

[3] WANG B, WANG Q, WEI Y M, et al. Role of renewable energy in China’s energy security and climate change mitigation: An index decomposition analysis[J]. Renewable and sustainable energy reviews, 2018, 90: 187-194. DOI: 10.1016/j.rser.2018.03.012.

[4] 袁喜鵬, 強(qiáng)巴索朗, 董曉冬, 等. 基于TRNSYS的太陽(yáng)能與生物質(zhì)能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)性能模擬分析[J]. 西藏科技, 2019(5): 22-25.

[5] 周瑞辰, 張興惠, 閆瑞妙. 生物質(zhì)能-太陽(yáng)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)在北方農(nóng)村的應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)沼氣, 2019, 37(1): 108-113. DOI: 10.3969/j.issn.1000-1166.2019.01.021.

[6] ZHANG X H, YANG J J, FAN Y, et al. Experimental and analytic study of a hybrid solar/biomass rural heating system[J]. Energy, 2020, 190: 116392. DOI: 10.1016/j.energy.2019.116392.

[7] PALOMBAV,BORRI E, CHARALAMPIDIS A, et al. Implementation of a solar-biomass system for multi-family houses: Towards 100% renewable energy utilization[J]. Renewable energy, 2020, 166: 190-209. DOI: 10.1016/j.renene.2020.11.126.

[8] ?ZDEMIR M B, ACIR A. Optimization of the effective parameters on ground-source heat pumps for space cooling applications using the Taguchi method[J]. Heat transfer research, 2020, 51(6): 537-550.DOI: 10.1615/HeatTransRes.2019029634.

[9] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn): GB 50495-2019[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2019.

[10] 馮為民, 付曉靈. 工程經(jīng)濟(jì)學(xué)[M]. 2版. 北京: 北京大學(xué)出版社, 2012.

[11] 任露泉. 試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析[M]. 2版. 北京: 高等教育出版社, 2003.

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

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（B2021208017）；石家莊市科技研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（211230093A）

崔海亭，E-mail：cuiht@126.com

張良銳（1994-），男，碩士研究生，主要從事相變儲(chǔ)能與新能源利用研究。

崔海亭（1964-），男，博士，教授，主要從事蓄熱與強(qiáng)化傳熱技術(shù)方面的研究。