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黃思慧1，李潔1，陸紅梅1，蔡永斌2
（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）
摘要：充分利用太陽能和生物質(zhì)能能夠?yàn)榻ㄖ峁┣鍧嵞茉矗⑶铱山鉀Q嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)傳統(tǒng)供暖方式能耗高、效率低等問題，因此，本文提出一種以太陽能和生物質(zhì)能作為熱源的供暖系統(tǒng)，并對其進(jìn)行性能分析。該系統(tǒng)運(yùn)行采用太陽能單熱源運(yùn)行模式（模式一）和太陽能-生物質(zhì)能雙熱源運(yùn)行模式（模式二），用以應(yīng)對不同的工況，并在南疆圖木舒克市搭建試驗(yàn)平臺進(jìn)行測試。結(jié)果表明：模式一太陽能集熱器和板式熱交換器平均熱效率分別為63.35%和81.38%，系統(tǒng)的能源效率為72.48%，火用效率為28.35%，模式二太陽能集熱器和板式熱交換器平均熱效率分別為61.35。%和65.36%，生物質(zhì)鍋爐能源效率為78.69%，系統(tǒng)能源效率為68.67%，系統(tǒng)火用效率為26.39%。與傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)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%；模式一的PMV為-0.5，模式二的PMV為-0.7，兩種模式的熱舒適性都良好。
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28235.35萬㎡，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。基于以上想法，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(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，技術(shù)參數(shù)如表1所示。
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㎡；生物質(zhì)鍋爐選擇了大慶庭裕科技有限公司開發(fā)的生物質(zhì)鍋爐（圖1b），生物質(zhì)燃料的燃燒值4500kcal/kg；儲熱水箱容積為2m³，板式換熱器的規(guī)格為0.6㎡（圖1c）；低溫地板輻射模塊由直徑20mm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(dòng)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。
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(dòng)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。火用效率可以在能量平衡時(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/T30261—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。
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：
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50.80MJ/㎡，表明太陽能供暖能夠滿足建筑熱負(fù)荷。
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10080個(gè)，處理后的數(shù)據(jù)樣本分別變?yōu)?0053個(gè)和10064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8h，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62.35h。系統(tǒng)管道流量在工作期間保持在0.7m³/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。
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315.35kW·h，太陽能供暖時(shí)長為49.65h，系統(tǒng)耗電量為20kW·h。乙二醇比定壓熱容和密度分別為3.4122kJ/（kg·℃）和1.0713kg/m³，太陽能集熱器集熱面積為24.34㎡。
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。
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254.68kW·h，太陽能供熱量為351.35kW·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32.56MJ/㎡。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10080個(gè)，去除異常值之后剩余9893個(gè)，生物質(zhì)鍋爐熱效率測的原有數(shù)據(jù)1260個(gè)，去除異常值之后剩余1215個(gè)。
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44.35h，這是因?yàn)槭彝鉁囟鹊秃吞栞椛淙酰瑢?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%。
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36.35h，生物質(zhì)能供暖總時(shí)長32.56h，消耗生物質(zhì)燃料116.63kg。
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%。
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203.65kW·h，生物質(zhì)能供熱量為431.56kW·h，建筑熱負(fù)荷為454.35kW·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。
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/㎡）和耗煤量指標(biāo)qc（kg/㎡），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18.24W/㎡，折算為耗煤量指標(biāo)為0.62kg/㎡，整個(gè)建筑的耗煤量為65.72kg；模式二耗熱量指標(biāo)為37.41W/㎡，折算為耗煤量指標(biāo)為1.28kg/㎡，整個(gè)建筑的耗煤量為139.52kg。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、1135.69kW·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20.37kW·h，模式二的耗電量和生物質(zhì)燃料分別為34.56、431.56kW·h，由此可知：與傳統(tǒng)燃煤供暖系統(tǒng)相比，模式一節(jié)能514.59kW·h，節(jié)能率高達(dá)96.19%，而模式二節(jié)能673.57kW·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1.2met、服裝熱阻1.0clo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0.05m/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%。
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＜PMV＜1（即25%的人預(yù)測不滿意），說明熱舒適度是可接受的。模式一和模式二試驗(yàn)房的平均PMV分別為-0.5和-0.7相應(yīng)的熱感覺接近于微涼到微暖范圍，并且兩種模式的微涼到微暖范圍的數(shù)據(jù)分別占比89.3%和86.6%，因此，系統(tǒng)模式一和模式二的平均PMV值在[-1，1]，表明系統(tǒng)可以滿足建筑的熱舒適度要求。
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。
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