袁喜鵬¹，強巴索朗¹，董曉冬¹，馮靜恒²，趙斌^1，2

（1.西藏自治區能源研究示范中心，西藏拉薩850001；2.華北理工大學冶金與能源學院，河北唐山063210）

　　摘要：利用TRNSYS軟件，對西藏地區太陽能與生物質能互補供熱系統的兩種典型方案進行了數值模擬，并采用系統能量效率和效率兩個評價指標來分析兩種典型方案的熱力學性能。結果表明：生物質鍋爐接入到冷水旁通管為最優方案，其能量效率高達75.63%、效率達37.59%.由最優方案的適用性和經濟性分析得知，該最優方案能夠滿足用戶的供熱需求且在經濟上是可行的。

　　目前西藏地區城市除了熱電聯產集中供熱外，仍存在大量的小鍋爐房供熱。而農村冬季采暖主要是以單戶小爐灶燃燒牛糞為主，并沒有實現集中供熱。這種粗放的能源利用方式導致能源利用效率低，生態環境污染嚴重。由于西藏地區生態環境脆弱，能源的清潔利用已受到高度重視。西藏屬于太陽能應用的一類地區，太陽能供熱已取得初步應用。此外，西藏地區作物秸稈211.57萬t，蘊藏能量約102萬tce/a，將生物質用于供熱較一次能源具有顯著的現實意義。由于太陽能具有不能連續供能等特點，結合西藏部分地區生物質資源相對豐富的優勢，在西藏地區構建太陽能與生物質能互補供熱系統是節能減排的有效手段。

　　近年來，太陽能與生物質能互補供暖的研究備受學者們的關注。在太陽能與生物質能集成技術方面，國內外眾多學者做了大量研究，為多能互補系統的建立奠定了理論基礎。但普遍分析都是針對太陽能與生物質能單體建筑供熱采暖的研究，關于太陽能與生物質能互補區域供熱（小區熱力站）的研究很少。

　　文章以日喀則市扎西崗鄉某一新型城鎮化小區冬季供熱為研究對象，為滿足其供熱需求，利用TRNSYS軟件對太陽能與生物質能互補供熱系統的兩種典型方案進行仿真模擬，通過系統能量效率及效率指標對兩種方案進行方案評優對比分析，并對互補供熱系統進行了經濟性分析，從而得出太陽能與生物質能互補供熱系統在西藏地區的適用性與可行性。

　　1互補供熱系統設計

　　1.1仿真模型

　　以日喀則市扎西崗鄉某一新型城鎮化小區為模擬對象。此小區共有5棟4層單體住宅樓，每棟住宅樓有3個單元，每個單元一層兩戶，每戶建筑面積為100m²，總建筑面積為12000m²。設定采暖期室內設計溫度為16℃，采暖供回水溫度為45/35℃。以TRNSYS瞬時模擬軟件為平臺，對太陽能和生物質能互補供熱系統進行仿真模擬，建立包括太陽能集熱器、熱水循環泵、生物質鍋爐及蓄熱水箱等部件在內的互補供熱系統模型。這些部件在TRNSYS中對應的類型如表1所示。

　　經TRNSYS計算得到的該小區供熱采暖系統熱量計算參數如表2所示。

　　1.3評價指標

　　采用系統能量效率和效率兩個評價指標對系統熱力性能進行分析。

　　2互補供熱系統方案

　　根據生物質鍋爐在采暖系統中通常放置的兩種位置，文章設計了太陽能與生物質能互補供熱系統的兩種典型方案即方案Ⅰ、方案Ⅱ。

　　方案Ⅰ是將生物質鍋爐接入到供水管，當太陽能集熱器的出水溫度能滿足采暖熱用戶的熱舒適要求時，生物質鍋爐停用。否則，生物質鍋爐將供水溫度加熱到預定溫度。太陽能與生物質能互補供熱系統流程如圖1所示，仿真模擬如圖2所示。

　　方案Ⅱ是將生物質鍋爐接入到冷水旁通管，根據集熱器出水溫度的變化進行三種運行模式切換。太陽能與生物質能互補供熱系統的流程圖如圖3所示，仿真模擬圖如圖4所示。

　　（1）當集熱器出水溫度或儲熱水箱的出水溫度高于45℃（設計供水溫度）時，可實現太陽能系統獨立運行，回水全部經過太陽能集熱系統換熱器，不經過生物質鍋爐，太陽能集熱系統承擔系統全部負荷。（2）當集熱器出水溫度在35℃（設計回水溫度）和45℃之間時，回水通過太陽能系統換熱器預熱后進入生物質鍋爐，即可將供水溫度提高到45℃，此時生物質鍋爐起補充作用。（3）當集熱器出水溫度低于35℃以下時，生物質鍋爐承擔全部負荷，回水不經過太陽能系統換熱器，直接進入生物質鍋爐。

　　3系統最佳方案優選

　　選一個工作日（典型設計日）為研究對象，當建筑物溫度為16℃時，經TRNSYS模擬可得建筑日耗熱量即整個系統的輸出能量，不足的能量由生物質鍋爐補充。太陽能熱水品位取0.199，生物質燃料品位取0.87。根據文獻計算可得方案Ⅰ與方案Ⅱ的能量效率和效率。其中，系統熱力性能如表4所示，系統平衡表如表5所示。

　　由系統熱力性能表4可知能量效率為方案Ⅱ>方案Ⅰ；由系統平衡表5可知效率為方案Ⅱ>方案Ⅰ。

　　方案Ⅰ是將生物質鍋爐接入到供水管，可將太陽能集熱器用作預熱器，從而減少輸入熱量，缺點就是沒有將太陽能供熱子系統和生物質鍋爐供熱子系統隔開，當回水溫度低于集熱溫度時，此時循環水仍通過集熱管道，勢必造成能量的損失。與方案Ⅰ相比，方案Ⅱ是一種比較有利的方案，既具備方案Ⅰ的優點，又可將太陽能供熱子系統和生物質鍋爐供熱子系統隔開，當回水溫度低于集熱溫度時，循環水不通過集熱器，生物質鍋爐可以像普通的中心供熱系統一樣。

　　4系統經濟性分析

　　4.1投入生產費用

　　投入生產費用主要包括系統初投資費用和系統每年的運行維護費用，系統投入生產費用見表6，本系統經濟壽命為20年。其中所選生物質燃料為日喀則市來源廣泛的青稞秸稈，根據市場調研，青稞秸稈的低位發熱量為13.95MJ/kg，生物質鍋爐的效率為0.85，秸稈的價格為0.6元/kg。

　　4.2年節約燃煤和節能費用

　　對于太陽能與生物質能互補供熱系統，經濟性主要體現在項目實施后每年節約的常規能源費用。

　　相對于煤，標準煤的低位發熱量為29.3MJ/kg，燃煤鍋爐熱效率取0.60，標準煤價格為2.1元/kg。年節能量折合標準煤：3243656/（29.3?0.6）=184508.3kgce，年節標煤184.5噸，每年節約燃煤費用為38.8萬元。系統每年需要消耗的玉米秸稈燃料的費用為4.5萬元，年節能費用為每年節約燃煤費用與每年需要消耗的玉米秸稈費用的差值，即年節能費用為34.3萬元。

　　4.3經濟性分析

　　采用益本比、靜態投資回收期、凈現值三個經濟性指標衡量太陽能和生物質能互補供熱系統的經濟性能，見表7。

　　5結論

　　互補供熱系統方案Ⅱ能量效率和效率都較高。文章具體模擬并分析了兩種典型太陽能與生物質能互補供暖方案的熱力學性能，其中方案Ⅱ的能量效率為75.63%、效率為37.59%，高于方案Ⅰ。

　　系統經濟性好。該系統的益本比>1，凈現值>0，投資回收期<10年，表明該項目在經濟上是可行的。

　　系統推廣性強。太陽能和生物質能互補供暖系統特別適合太陽能和生物質能豐富的新型城鎮化小區，例如我國的西藏地區，文章為中國西藏地區的新型城鎮化小區的供熱提供了一種新思路。