太陽能聯(lián)合生物質(zhì)能供暖系統(tǒng)熱性能和能源特性的分析

黃思慧,李潔*,陸紅梅,蔡永斌

(1 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832003;2 石河子大學(xué)科研處,新疆 石河子 832003)

隨著全球氣候變化、能源日益緊缺,我國在2020提出力爭在2030年達(dá)到碳達(dá)峰和2060年碳中和目標(biāo)[1]。國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和鄉(xiāng)村振興局在2021年聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快農(nóng)房和村莊建設(shè)現(xiàn)代化的指導(dǎo)意見》,鼓勵(lì)村鎮(zhèn)使用適合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)和農(nóng)民需求的清潔能源,推廣和應(yīng)用太陽能光熱等技術(shù)和產(chǎn)品。截至2021年,中國在能源消耗的領(lǐng)域中,建筑能耗占總能耗的35.42%[2],其中供暖能耗占建筑能耗的67.38%。以新疆為例,非集中供暖面積為28 235.35萬m2,占現(xiàn)有住宅面積64.38%,該供暖方式以燃燒鍋爐為主,存在效率低、能耗高和污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。太陽能[3-6]和生物質(zhì)能[7-8]作為可再生能源在國內(nèi)外有著廣泛的研究。國外學(xué)者Chasapis等[9]研究了太陽能熱-生物質(zhì)能混合供暖系統(tǒng)的運(yùn)行性能,太陽能利用率52.9%,生物質(zhì)利用率為47.1%;Boonrit等[10]對準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下太陽能與生物質(zhì)能混合空調(diào)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,該系統(tǒng)運(yùn)行在額定容量的75%左右,平均系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)為0.11。國內(nèi)學(xué)者劉志堅(jiān)等[11]在中國青藏地區(qū)建立以生物質(zhì)能和太陽能為能源的新型混合供暖系統(tǒng),將其應(yīng)用于農(nóng)村住宅建筑的研究結(jié)果表明:能源使用較傳統(tǒng)建筑低了153.3(kW·h)/d,室內(nèi)平均氣溫高出8.78 ℃,極大改善了建筑室內(nèi)環(huán)境;張東等[12]提出一種以太陽能、生物質(zhì)能和空氣熱量為主要熱源的多可再生能源互補(bǔ)熱泵系統(tǒng),研究結(jié)果表明在寒冷地區(qū)三種熱泵的COP分別為1.7、2.32和2.26; 張從光等[13]對太陽能聯(lián)合生物質(zhì)能源供應(yīng)系統(tǒng)的環(huán)境性能進(jìn)行評估,結(jié)果表明綜合供應(yīng)系統(tǒng)大大減少了由于取代褐煤等替代品而導(dǎo)致的不可再生能源消耗; 杜聰?shù)萚14]對不同耦合連接方式下的生物質(zhì)能-太陽能雙熱源聯(lián)用建筑供暖系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值研究,研究表明直接耦合的太陽能集熱效果高于間接耦合,供暖期內(nèi)前者的太陽能利用率高于后者2.7%。

本文研究提出將太陽能和生物質(zhì)能結(jié)合利用,提高中國農(nóng)村地區(qū)可再生能源利用率,減少燃煤等傳統(tǒng)供暖方式對環(huán)境的有害影響。從理論上講,對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢且太陽能和生物質(zhì)能豐富的農(nóng)村地區(qū),推廣太陽能聯(lián)合生物質(zhì)能供暖系統(tǒng)是可行的?；谝陨舷敕?對太陽能聯(lián)合生物質(zhì)能供暖系統(tǒng)的熱力學(xué)和能源特性進(jìn)行分析,并從節(jié)能減排、熱舒適性兩個(gè)方面對該供暖系統(tǒng)進(jìn)行評估,為該供暖系統(tǒng)推廣提供數(shù)據(jù)支撐。

1 太陽能聯(lián)合生物質(zhì)能供暖系統(tǒng)

1.1 供暖系統(tǒng)簡介

本文研究的太陽能聯(lián)合生物質(zhì)能供暖系統(tǒng)位于新疆圖木舒克市51團(tuán)6 連,該系統(tǒng)由太陽能供暖模塊、生物質(zhì)能供暖模塊、低溫地板輻射模塊三個(gè)部分組成。其中,太陽能供暖模塊包括太陽能集熱器、儲熱水箱和板式換熱器,生物質(zhì)能供暖模塊為生物質(zhì)鍋爐,這兩個(gè)模塊都通過低溫地板輻射模塊向室內(nèi)供暖;整個(gè)供暖系統(tǒng)運(yùn)行通過全自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 供暖系統(tǒng)硬件參數(shù)

該供暖系統(tǒng)組件設(shè)備具體如下:太陽能集熱器16根熱管式真空管組成(圖1a),太陽能集熱器面積為24.37 m2;生物質(zhì)鍋爐選擇了大慶庭?？萍加邢薰鹃_發(fā)的生物質(zhì)鍋爐(圖1b),生物質(zhì)燃料的燃燒值4 500 kcal/kg;儲熱水箱容積為2 m3,板式換熱器的規(guī)格為0.6 m2(圖1c);低溫地板輻射模塊由直徑20 mm 的地暖盤管和5 路分集水器組成(圖1d)。太陽能供暖系統(tǒng)通過太陽能集熱器加熱系統(tǒng)回路中的工作流體接受熱量,其中工作流體由55%的乙二醇和45% 的水組成,其沸點(diǎn)和冰點(diǎn)分別為107 ℃和-40 ℃。接收的熱量通過板式換熱器轉(zhuǎn)移到儲熱水箱,工作流體為水。當(dāng)系統(tǒng)的自控系統(tǒng)監(jiān)測到室內(nèi)溫度低18 ℃時(shí),系統(tǒng)打開管道電磁閥,啟動循環(huán)泵,將儲熱水箱中的熱量傳遞到低溫地板輻射系統(tǒng),低溫地板輻射系統(tǒng)通過向地面熱傳導(dǎo)和熱對流將熱量傳遞到室內(nèi),從而提高室內(nèi)溫度。當(dāng)太陽能供暖系統(tǒng)無法向室內(nèi)提供足夠熱量時(shí),停止太陽能供暖,生物質(zhì)能供暖系統(tǒng)通過燃燒生物質(zhì)燃料加熱管道流體(水),依舊通過低溫地板輻射系統(tǒng)提高室內(nèi)溫度。

圖1 系統(tǒng)裝置圖

圖2 太陽能聯(lián)合生物質(zhì)能供暖系統(tǒng)組成

1.2 供暖系統(tǒng)運(yùn)行方案

該供暖系統(tǒng)采用室內(nèi)溫度控制模式,供暖熱源以優(yōu)先使用太陽能供暖為基本原則。為避免造成供熱不足或供熱過量,根據(jù)所在地點(diǎn)的室外氣候環(huán)境和室內(nèi)溫度控制模式,系統(tǒng)設(shè)計(jì)以下兩種供暖模式:太陽能單熱源運(yùn)行模式(模式一)、太陽能-生物質(zhì)能雙熱源運(yùn)行模式(模式二)。

1.2.1 模式一

當(dāng)太陽輻射量足夠滿足建筑熱負(fù)荷時(shí),采用模式一運(yùn)行,具體運(yùn)行如下:當(dāng)太陽能集熱器出水溫度比儲熱水箱的平均溫度≥5 ℃(≤1 ℃)時(shí),通過板式換熱器將太陽能集熱器收集的熱量儲存在儲熱水箱中。當(dāng)儲熱水箱平均溫度≥35 ℃時(shí),通過低溫地板輻射模塊開啟向室內(nèi)提供熱量。當(dāng)室內(nèi)達(dá)到≥22 ℃或者儲熱水箱≤30 ℃時(shí),低溫地板輻射模塊關(guān)閉。

1.2.2 模式二

生物質(zhì)能是整個(gè)供暖系統(tǒng)的輔助能源。當(dāng)太陽能供暖系統(tǒng)無法向室內(nèi)提供足夠的熱量,即當(dāng)儲熱水箱平均溫度和最不利室溫分別≤30 ℃和≤18 ℃時(shí),生物質(zhì)能供暖模塊開啟,通過低溫地板輻射模塊向室內(nèi)供暖。當(dāng)最不利室溫≥22 ℃且儲熱水箱平均溫度≤35 ℃時(shí),生物質(zhì)能供暖模塊關(guān)閉,室內(nèi)停止供暖,或當(dāng)最不利室溫≤22 ℃且儲熱水箱平均溫度≥35 ℃時(shí),生物質(zhì)能供暖模塊關(guān)閉,重新啟動太陽能供暖模塊,直至最不利室溫≥22 ℃,室內(nèi)停止供暖。

2 供暖系統(tǒng)熱性能和能源特性評價(jià)的理論依據(jù)

針對不同供熱方式的熱力學(xué)分析,一般采用熱效率指標(biāo)進(jìn)行分析,這種分析方法是如今廣泛應(yīng)用的評價(jià)方法,但其能源效率只能反映數(shù)量上的差異,而不能反映質(zhì)量上的差異?；鹩眯士梢栽谀芰科胶鈺r(shí)既考慮數(shù)量,又考慮質(zhì)量。本文對系統(tǒng)的太陽能集熱器、板式換熱器和生物質(zhì)鍋爐的熱效率在兩種模式下進(jìn)行性能評估,然后對整個(gè)系統(tǒng)的熱效率和火用效率在兩種模式下的進(jìn)行評估。

2.1 太陽能集熱器的太陽能熱效率

供暖系統(tǒng)中,太陽能集熱器的集熱效率決定了太陽能供暖系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本研究使用Hbttel-Whillier提出的經(jīng)典模型[15]。

2.2 板式換熱器的熱效率

本研究采用GB/T 30261-2013《制冷空調(diào)用板式熱交換器熱效率評價(jià)方法》評價(jià)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中板式熱交換器的熱效率,換熱器的測量參數(shù)如圖3所示。

圖3 板式換熱器測量參數(shù)示意圖

2.3 供暖系統(tǒng)的輔助能源和火用效率

在供暖期間,太陽能聯(lián)合生物質(zhì)能供暖系統(tǒng)的總輸入火用包括太陽能吸收火用、生物質(zhì)固體顆粒燃料提供的化學(xué)火用和電輔助加熱器提供的熱火用,所得火用為建筑室內(nèi)累計(jì)總負(fù)荷的熱火用。供暖系統(tǒng)能源和火用效率的計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

式(1)、(2)中ηQ為系統(tǒng)能源效率;ηex為系統(tǒng)火用效率;QC為供熱期內(nèi)房間的累計(jì)供熱能耗,GJ;Qs是來自太陽能的輸入能量,GJ;Qa是來自生物質(zhì)能的輸入能量,GJ;ηex太陽能聯(lián)合生物質(zhì)能供暖系統(tǒng)的火用效率;exc是輸出的火用,kJ/kg;exs是太陽吸收火用,kJ/kg;exa是由生物質(zhì)固體燃料提供的化學(xué)火用和電能提供的熱量火用,kJ/kg;To為室外絕對溫度,K;Ta室內(nèi)絕對溫度,K;Tp為集熱器面板平均絕對溫度,K;ΔHl低熱值燃料,MJ/kg;W為系統(tǒng)運(yùn)行期間消耗的有功電能,GJ;r為水蒸氣潛熱,2.5 MJ/kg;ω為生物質(zhì)固體燃料中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù),為1%～3%;

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)介紹

在2022年1月8-14日、2月27-3月5日分別進(jìn)行供暖中期和末期為期共14天的試驗(yàn)測試,以評估太陽能集熱器、板式換熱器、生物質(zhì)鍋爐和整個(gè)系統(tǒng)的性能。整個(gè)系統(tǒng)中配備的熱計(jì)量表和壓力傳感器用于測量系統(tǒng)回路中流體的溫度、流速和壓力,系統(tǒng)中安裝所有測量儀器的輸出信號通過控制測序傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上,試驗(yàn)過程中通過控制電磁閥的啟閉來控制系統(tǒng)的運(yùn)行。采用Grubbs檢驗(yàn)方法來保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,Grubbs檢驗(yàn)法是將偏離平均值很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)從測量數(shù)據(jù)中剔除,可確保檢測結(jié)果的有效性。

3.2 試驗(yàn)的結(jié)果及分析

3.2.1 模式一

2022年2月27-3月5日試驗(yàn)期間的室外環(huán)境參數(shù)(圖4)顯示:室外溫度最高和最低溫度分別為16.1 ℃和-1.5 ℃,平均溫度為6.8 ℃,而室內(nèi)最高和最低溫度分別為23.8 ℃和18 ℃,累計(jì)太陽輻射量達(dá)到50.80 MJ/m2,表明太陽能供暖能夠滿足建筑熱負(fù)荷。

圖4 模式一的室外環(huán)境參數(shù)

試驗(yàn)運(yùn)行期間主要以太陽能為熱源進(jìn)行供暖即模式一,采用Grubbs方法檢驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。太陽能集熱器和板式換熱器的原樣本數(shù)據(jù)為10 080個(gè),處理后的數(shù)據(jù)樣本分別變?yōu)?0 053個(gè)和10 064個(gè)。模式一室內(nèi)外溫度、太陽輻射強(qiáng)度和板式換熱器兩側(cè)溫度(圖5)顯示:板式換熱器工作時(shí)間基本在11:30-19:00,可以穩(wěn)定工作8 h,一次側(cè)進(jìn)水溫度和二次側(cè)出水溫度最高達(dá)到60.3 ℃和53.2 ℃,一次側(cè)和二次側(cè)的進(jìn)出水溫差維持在5 ℃左右,太陽能集熱運(yùn)行時(shí)長達(dá)到62.35 h。系統(tǒng)管道流量在工作期間保持在0.7 m3/h,變化幅度小,功率隨著室外輻射增大,功率逐漸增大,隨著輻射減小而減小。

圖5 模式一板式換熱器兩側(cè)溫度

模式一運(yùn)行期間地暖進(jìn)出水溫度(圖6)顯示:模式一可以滿足建筑熱負(fù)荷,室內(nèi)溫度始終保持在18 ℃以上。系統(tǒng)運(yùn)行期間,太陽能供熱量達(dá)到315.35 kW·h,太陽能供暖時(shí)長為49.65 h,系統(tǒng)耗電量為20 kW·h。乙二醇比定壓熱容和密度分別為3.412 2 kJ/(kg·℃)和1.071 3 kg/m3,太陽能集熱器集熱面積為24.34 m2。

圖6 模式一的地暖進(jìn)水和回水溫度

模式一板式換熱器和太陽能集熱器逐時(shí)熱效率(圖7)顯示:太陽能集熱器面板和板式換熱器的熱效率分別都集中在60%～70%和65%～75%,分別占剩余數(shù)據(jù)的63.35%和81.38%,平均效率分別為69.36%和70.1%,表明太陽能集熱器和板式換熱器在工作期間熱效率基本保持穩(wěn)定狀態(tài),太陽能集熱器的熱效率除了在工作階段的首尾階段熱效率出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象,中間基本保持平穩(wěn)狀態(tài),因?yàn)槭孜搽A段太陽輻射弱,不能充分利用太陽能集熱器的集熱能力。

圖7 模式一板式換熱器和太陽能集熱器逐時(shí)熱效率

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算可得:建筑能耗為254.68 kW·h,太陽能供熱量為351.35 kW·h,生物質(zhì)能供熱量為0kW·h,整個(gè)系統(tǒng)的熱效率為72.48%,火用效率為28.35%。

3.2.2 模式二

2022年1月8-14日試驗(yàn)期間室外環(huán)境參數(shù)(圖8)顯示:與模式一相比,模式二的室外溫度更低,室外最高溫度為-1.65 ℃,最低溫度為-16.49 ℃,室外平均溫度為-7.23 ℃;太陽輻射強(qiáng)度不穩(wěn)定,有上下振蕩的現(xiàn)象,太陽輻射量達(dá)到32.56 MJ/m2。表明僅依靠太陽能供暖難以滿足建筑熱負(fù)荷,所以系統(tǒng)在試驗(yàn)運(yùn)行期間主要以模式二進(jìn)行供暖。對2022年1月8-14日測的所有數(shù)據(jù)采用Grubbs方法進(jìn)行檢驗(yàn),集熱器和板式換熱器的熱效率測的原有數(shù)據(jù)為10 080個(gè),去除異常值之后剩余9 893個(gè),生物質(zhì)鍋爐熱效率測的原有數(shù)據(jù)1 260個(gè),去除異常值之后剩余1 215個(gè)。

圖8 模式二的室外氣候參數(shù)

模式二板式換熱器兩側(cè)溫度(圖9)顯示:板式換熱器兩側(cè)溫度反復(fù)振蕩,集熱時(shí)間短且并不穩(wěn)定,太陽能集熱總時(shí)長為44.35 h,這是因?yàn)槭彝鉁囟鹊秃吞栞椛淙?導(dǎo)致太陽能集熱器熱損失大,所以較模式一的集熱時(shí)間縮短了40.58%。

圖9 模式二板式換熱器兩側(cè)溫度

模式二地暖進(jìn)水和回水溫度(圖10)顯示:模式二雙熱源供暖可以滿足建筑熱負(fù)荷,室內(nèi)溫度維持在18～22 ℃,太陽能供暖總時(shí)長達(dá)到36.35 h,生物質(zhì)能供暖總時(shí)長32.56 h,消耗生物質(zhì)燃料116.63 kg。

圖10 模式二地暖進(jìn)水和回水溫度

太陽能集熱器熱效率和板式換熱器的逐時(shí)熱效率(圖11)顯示:與模式一相比,模式二板式換熱器和太陽能集熱器的熱效率較為分散且并不穩(wěn)定,1月8-14日由于室外太陽輻射弱,太陽能集熱器的平均熱效率為61.35%,板式換熱器平均熱效率為65.36%。

圖11 模式二板式換熱器和太陽能集熱器的逐時(shí)熱效率

生物質(zhì)鍋爐在運(yùn)行期間逐時(shí)熱效率(圖12)顯示:生物質(zhì)鍋爐的能源效率穩(wěn)定且高效,基本保持在70%～80%之間,占總樣本數(shù)86.36%,平均熱效率為78.69%。系統(tǒng)運(yùn)行期間,太陽能供熱量為203.65 kW·h,生物質(zhì)能供熱量為431.56 kW·h,建筑熱負(fù)荷為454.35 kW·h,整個(gè)系統(tǒng)的熱效率為68.67%,火用效率為26.39%。與模式一相比,模式二整個(gè)系統(tǒng)的熱效率和火用效率都有所下降,這是因?yàn)槭彝鉁囟鹊颓沂覂?nèi)熱負(fù)荷增大導(dǎo)致的。

圖12 模式二生物質(zhì)鍋爐逐時(shí)熱效率

4 供暖系統(tǒng)的效益分析

4.1 供暖系統(tǒng)的節(jié)能分析

為了進(jìn)一步了解供暖系統(tǒng)的節(jié)能效益,本文選取農(nóng)村民居傳統(tǒng)燃煤供暖系統(tǒng),參照劉加平[16]推出的公式計(jì)算試驗(yàn)期間建筑的耗熱量指標(biāo)qH(kg/m2)和耗煤量指標(biāo)qc(kg/m2),并評價(jià)供暖系統(tǒng)的節(jié)能效益。試驗(yàn)期間建筑處于無人居住狀態(tài),建筑耗熱量指標(biāo)只考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量,且忽略門窗的空氣滲透和建筑內(nèi)部的耗熱量。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算試驗(yàn)期間建筑節(jié)能指標(biāo),模式一耗熱量指標(biāo)為18.24 W/m2,折算為耗煤量指標(biāo)為0.62 kg/m2,整個(gè)建筑的耗煤量為65.72 kg;模式二耗熱量指標(biāo)為37.41 W/m2,折算為耗煤量指標(biāo)為1.28 kg/m2,整個(gè)建筑的耗煤量為139.52 kg。然后將以上傳統(tǒng)燃煤供暖系統(tǒng)試驗(yàn)期間模式一和模式二的耗煤量換算為耗電量,結(jié)果分別為534.96、1 135.69 kW·h。

太陽能聯(lián)合生物質(zhì)能供暖系統(tǒng)除太陽能外,主要的能源消耗來自電力消耗和生物質(zhì)燃料消耗。模式一產(chǎn)生的耗電量為20.37 kW·h,模式二的耗電量和生物質(zhì)燃料分別為34.56、431.56 kW·h,由此可知:與傳統(tǒng)燃煤供暖系統(tǒng)相比,模式一節(jié)能514.59 kW·h,節(jié)能率高達(dá)96.19%,而模式二節(jié)能673.57 kW·h,節(jié)能率為59.09%。

4.2 供暖系統(tǒng)的熱舒適性分析

用于評估室內(nèi)熱舒適度最多的模型是Fanger于1972年開發(fā)的預(yù)測平均投票(PMV-PDD)模型[17]。PMV預(yù)測暴露于相同環(huán)境的一大群人的熱投票平均值。該模型綜合了空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度、空氣流速、人員代謝率和服裝熱阻六個(gè)因素。根據(jù)上述模式一和模式二的測試得到室內(nèi)熱環(huán)境數(shù)據(jù),在新陳代謝1.2 met、服裝熱阻1.0 clo的前提下計(jì)算室內(nèi)熱舒適度。

試驗(yàn)期間試驗(yàn)房處于無人居住狀態(tài),因此室內(nèi)風(fēng)速取0.05 m/s[18],由室內(nèi)相對濕度(圖13)可知,室內(nèi)相對濕度在20%～80%區(qū)域變化,模式一和二室內(nèi)平均相對濕度分別為53.35%和64.36%。

圖13 兩種模式的室內(nèi)逐時(shí)相對濕度

按文獻(xiàn)[17]中相關(guān)公式計(jì)算PMV,結(jié)果如圖14所示。根據(jù)FANGER提出的熱舒適度模型,如果-1

圖14 人體熱感覺示意圖

5 結(jié)論

本文評價(jià)了一種太陽能和生物質(zhì)能作為熱源的供暖系統(tǒng),通過該系統(tǒng)以兩種模式運(yùn)行以應(yīng)對不同的環(huán)境條件,研究該供暖系統(tǒng)運(yùn)行性能,結(jié)果表明:

(1)不同的工況下太陽能集熱器和板式換熱器都具有良好的集熱性能,兩種模式都可以滿足建筑供暖的需求。

(2)模式一太陽能集熱器和板式換熱器集熱效率穩(wěn)定在60%～75%之間,平均效率分別為69.36%和81.38%,系統(tǒng)的能源效率和火用效率分別為72.48%和28.35%。

(3)模式二太陽能集熱器和板式換熱器集熱效率穩(wěn)定在50%～90%之間,平均效率分別61.35.%和65.36%,系統(tǒng)的火用效率和能源效率分別為26.39%和68.67%。生物質(zhì)鍋爐熱效率基本保持在70%～80%之間,平均效率78.69%。

(4)與傳統(tǒng)供暖方式相比,模式一的節(jié)能率高達(dá)96.19%,模式二的節(jié)能率達(dá)到59.09%。

(5)模式一的平均PMV為-0.5,模式二的平均PMV為-0.7,表明該供暖系統(tǒng)的兩種供暖模式都有良好的熱舒適性。