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黃思慧1，李潔1，陸紅梅1，蔡永斌2
（1、石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子832003；2、石河子大學科研處，新疆石河子832003）
摘要：充分利用太陽能和生物質能能夠為建筑提供清潔能源，并且可解決嚴寒和寒冷地區傳統供暖方式能耗高、效率低等問題，因此，本文提出一種以太陽能和生物質能作為熱源的供暖系統，并對其進行性能分析。該系統運行采用太陽能單熱源運行模式（模式一）和太陽能-生物質能雙熱源運行模式（模式二），用以應對不同的工況，并在南疆圖木舒克市搭建試驗平臺進行測試。結果表明：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%，生物質鍋爐能源效率為78.69%，系統能源效率為68.67%，系統火用效率為26.39%。與傳統的供暖系統相比，模式一的節能率高達96.19%，模式二的節能率達到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年達到碳達峰和2060年碳中和目標[1]。國家住房和城鄉建設部、農業農村部和鄉村振興局在2021年聯合發布《關于加快農房和村莊建設現代化的指導意見》，鼓勵村鎮使用適合當地特點和農民需求的清潔能源，推廣和應用太陽能光熱等技術和產品。截至2021年，中國在能源消耗的領域中，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、能耗高和污染嚴重等缺點。太陽能[3-6]和生物質能[7-8]作為可再生能源在國內外有著廣泛的研究。國外學者Chasapis等[9]研究了太陽能熱-生物質能混合供暖系統的運行性能，太陽能利用率52.9%，生物質利用率為47.1%；Boonrit等[10]對準穩態條件下太陽能與生物質能混合空調系統性能的實驗研究結果表明，該系統運行在額定容量的75%左右，平均系統性能系數（COP）為0.11。國內學者劉志堅等[11]在中國青藏地區建立以生物質能和太陽能為能源的新型混合供暖系統，將其應用于農村住宅建筑的研究結果表明：能源使用較傳統建筑低了153.3（kW·h）/d，室內平均氣溫高出8.78℃，極大改善了建筑室內環境；張東等[12]提出一種以太陽能、生物質能和空氣熱量為主要熱源的多可再生能源互補熱泵系統，研究結果表明在寒冷地區三種熱泵的COP分別為1.7、2.32和2.26；張從光等[13]對太陽能聯合生物質能源供應系統的環境性能進行評估，結果表明綜合供應系統大大減少了由于取代褐煤等替代品而導致的不可再生能源消耗；杜聰等[14]對不同耦合連接方式下的生物質能-太陽能雙熱源聯用建筑供暖系統進行了數值研究，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能結合利用，提高中國農村地區可再生能源利用率，減少燃煤等傳統供暖方式對環境的有害影響。從理論上講，對于經濟發展緩慢且太陽能和生物質能豐富的農村地區，推廣太陽能聯合生物質能供暖系統是可行的。基于以上想法，對太陽能聯合生物質能供暖系統的熱力學和能源特性進行分析，并從節能減排、熱舒適性兩個方面對該供暖系統進行評估，為該供暖系統推廣提供數據支撐。
1太陽能聯合生物質能供暖系統
1.1供暖系統簡介
本文研究的太陽能聯合生物質能供暖系統位于新疆圖木舒克市51團6連，該系統由太陽能供暖模塊、生物質能供暖模塊、低溫地板輻射模塊三個部分組成。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，生物質能供暖模塊為生物質鍋爐，這兩個模塊都通過低溫地板輻射模塊向室內供暖；整個供暖系統運行通過全自動控制系統實現，技術參數如表1所示。
該供暖系統組件設備具體如下：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㎡；生物質鍋爐選擇了大慶庭裕科技有限公司開發的生物質鍋爐（圖1b），生物質燃料的燃燒值4500kcal/kg；儲熱水箱容積為2m³，板式換熱器的規格為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）。太陽能供暖系統通過太陽能集熱器加熱系統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，其沸點和冰點分別為107℃和-40℃。接收的熱量通過板式換熱器轉移到儲熱水箱，工作流體為水。當系統的自控系統監測到室內溫度低18℃時，系統打開管道電磁閥，啟動循環泵，將儲熱水箱中的熱量傳遞到低溫地板輻射系統，低溫地板輻射系統通過向地面熱傳導和熱對流將熱量傳遞到室內，從而提高室內溫度。當太陽能供暖系統無法向室內提供足夠熱量時，停止太陽能供暖，生物質能供暖系統通過燃燒生物質燃料加熱管道流體（水），依舊通過低溫地板輻射系統提高室內溫度。
1.2供暖系統運行方案
該供暖系統采用室內溫度控制模式，供暖熱源以優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，根據所在地點的室外氣候環境和室內溫度控制模式，系統設計以下兩種供暖模式：太陽能單熱源運行模式（模式一）、太陽能-生物質能雙熱源運行模式（模式二）。
1.2.1模式一
當太陽輻射量足夠滿足建筑熱負荷時，采用模式一運行，具體運行如下：當太陽能集熱器出水溫度比儲熱水箱的平均溫度≥5℃（≤1℃）時，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。當儲熱水箱平均溫度≥35℃時，通過低溫地板輻射模塊開啟向室內提供熱量。當室內達到≥22℃或者儲熱水箱≤30℃時，低溫地板輻射模塊關閉。
1.2.2模式二
生物質能是整個供暖系統的輔助能源。當太陽能供暖系統無法向室內提供足夠的熱量，即當儲熱水箱平均溫度和最不利室溫分別≤30℃和≤18℃時，生物質能供暖模塊開啟，通過低溫地板輻射模塊向室內供暖。當最不利室溫≥22℃且儲熱水箱平均溫度≤35℃時，生物質能供暖模塊關閉，室內停止供暖，或當最不利室溫≤22℃且儲熱水箱平均溫度≥35℃時，生物質能供暖模塊關閉，重新啟動太陽能供暖模塊，直至最不利室溫≥22℃，室內停止供暖。
2供暖系統熱性能和能源特性評價的理論依據
針對不同供熱方式的熱力學分析，一般采用熱效率指標進行分析，這種分析方法是如今廣泛應用的評價方法，但其能源效率只能反映數量上的差異，而不能反映質量上的差異。火用效率可以在能量平衡時既考慮數量，又考慮質量。本文對系統的太陽能集熱器、板式換熱器和生物質鍋爐的熱效率在兩種模式下進行性能評估，然后對整個系統的熱效率和火用效率在兩種模式下的進行評估。
2.1太陽能集熱器的太陽能熱效率
供暖系統中，太陽能集熱器的集熱效率決定了太陽能供暖系統的運行性能。本研究使用Hbttel-Whillier提出的經典模型[15]。
2.2板式換熱器的熱效率
本研究采用GB/T30261—2013《制冷空調用板式熱交換器熱效率評價方法》評價整個實驗過程中板式熱交換器的熱效率，換熱器的測量參數如圖3所示。
2.3供暖系統的輔助能源和火用效率
在供暖期間，太陽能聯合生物質能供暖系統的總輸入火用包括太陽能吸收火用、生物質固體顆粒燃料提供的化學火用和電輔助加熱器提供的熱火用，所得火用為建筑室內累計總負荷的熱火用。供暖系統能源和火用效率的計算公式如下：
3試驗結果及分析
3.1試驗介紹
在2022年1月8—14日、2月27—3月5日分別進行供暖中期和末期為期共14天的試驗測試，以評估太陽能集熱器、板式換熱器、生物質鍋爐和整個系統的性能。整個系統中配備的熱計量表和壓力傳感器用于測量系統回路中流體的溫度、流速和壓力，系統中安裝所有測量儀器的輸出信號通過控制測序傳輸到計算機上，試驗過程中通過控制電磁閥的啟閉來控制系統的運行。采用Grubbs檢驗方法來保證試驗數據的準確性，Grubbs檢驗法是將偏離平均值很遠的數據從測量數據中剔除，可確保檢測結果的有效性。
3.2試驗的結果及分析
3.2.1模式一
2022年2月27—3月5日試驗期間的室外環境參數（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℃，而室內最高和最低溫度分別為23.8℃和18℃，累計太陽輻射量達到50.80MJ/㎡，表明太陽能供暖能夠滿足建筑熱負荷。
試驗運行期間主要以太陽能為熱源進行供暖即模式一，采用Grubbs方法檢驗試驗數據。太陽能集熱器和板式換熱器的原樣本數據為10080個，處理后的數據樣本分別變為10053個和10064個。模式一室內外溫度、太陽輻射強度和板式換熱器兩側溫度（圖5）顯示：板式換熱器工作時間基本在11：30—19：00，可以穩定工作8h，一次側進水溫度和二次側出水溫度最高達到60.3℃和53.2℃，一次側和二次側的進出水溫差維持在5℃左右，太陽能集熱運行時長達到62.35h。系統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。
模式一運行期間地暖進出水溫度（圖6）顯示：模式一可以滿足建筑熱負荷，室內溫度始終保持在18℃以上。系統運行期間，太陽能供熱量達到315.35kW·h，太陽能供暖時長為49.65h，系統耗電量為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%，分別占剩余數據的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定狀態，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振蕩現象，中間基本保持平穩狀態，因為首尾階段太陽輻射弱，不能充分利用太陽能集熱器的集熱能力。
根據上述試驗數據經過計算可得：建筑能耗為254.68kW·h，太陽能供熱量為351.35kW·h，生物質能供熱量為0kW·h，整個系統的熱效率為72.48%，火用效率為28.35%。
3.2.2模式二
2022年1月8—14日試驗期間室外環境參數（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℃；太陽輻射強度不穩定，有上下振蕩的現象，太陽輻射量達到32.56MJ/㎡。表明僅依靠太陽能供暖難以滿足建筑熱負荷，所以系統在試驗運行期間主要以模式二進行供暖。對2022年1月8—14日測的所有數據采用Grubbs方法進行檢驗，集熱器和板式換熱器的熱效率測的原有數據為10080個，去除異常值之后剩余9893個，生物質鍋爐熱效率測的原有數據1260個，去除異常值之后剩余1215個。
模式二板式換熱器兩側溫度（圖9）顯示：板式換熱器兩側溫度反復振蕩，集熱時間短且并不穩定，太陽能集熱總時長為44.35h，這是因為室外溫度低和太陽輻射弱，導致太陽能集熱器熱損失大，所以較模式一的集熱時間縮短了40.58%。
模式二地暖進水和回水溫度（圖10）顯示：模式二雙熱源供暖可以滿足建筑熱負荷，室內溫度維持在18～22℃，太陽能供暖總時長達到36.35h，生物質能供暖總時長32.56h，消耗生物質燃料116.63kg。
太陽能集熱器熱效率和板式換熱器的逐時熱效率（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%。
生物質鍋爐在運行期間逐時熱效率（圖12）顯示：生物質鍋爐的能源效率穩定且高效，基本保持在70%～80%之間，占總樣本數86.36%，平均熱效率為78.69%。系統運行期間，太陽能供熱量為203.65kW·h，生物質能供熱量為431.56kW·h，建筑熱負荷為454.35kW·h，整個系統的熱效率為68.67%，火用效率為26.39%。與模式一相比，模式二整個系統的熱效率和火用效率都有所下降，這是因為室外溫度低且室內熱負荷增大導致的。
4供暖系統的效益分析
4.1供暖系統的節能分析
為了進一步了解供暖系統的節能效益，本文選取農村民居傳統燃煤供暖系統，參照劉加平[16]推出的公式計算試驗期間建筑的耗熱量指標qH（kg/㎡）和耗煤量指標qc（kg/㎡），并評價供暖系統的節能效益。試驗期間建筑處于無人居住狀態，建筑耗熱量指標只考慮圍護結構的傳熱耗熱量，且忽略門窗的空氣滲透和建筑內部的耗熱量。根據相關數據計算試驗期間建筑節能指標，模式一耗熱量指標為18.24W/㎡，折算為耗煤量指標為0.62kg/㎡，整個建筑的耗煤量為65.72kg；模式二耗熱量指標為37.41W/㎡，折算為耗煤量指標為1.28kg/㎡，整個建筑的耗煤量為139.52kg。然后將以上傳統燃煤供暖系統試驗期間模式一和模式二的耗煤量換算為耗電量，結果分別為534.96、1135.69kW·h。
太陽能聯合生物質能供暖系統除太陽能外，主要的能源消耗來自電力消耗和生物質燃料消耗。模式一產生的耗電量為20.37kW·h，模式二的耗電量和生物質燃料分別為34.56、431.56kW·h，由此可知：與傳統燃煤供暖系統相比，模式一節能514.59kW·h，節能率高達96.19%，而模式二節能673.57kW·h，節能率為59.09%。
4.2供暖系統的熱舒適性分析
用于評估室內熱舒適度最多的模型是Fanger于1972年開發的預測平均投票（PMV-PDD）模型[17]。PMV預測暴露于相同環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因素。根據上述模式一和模式二的測試得到室內熱環境數據，在新陳代謝1.2met、服裝熱阻1.0clo的前提下計算室內熱舒適度。
試驗期間試驗房處于無人居住狀態，因此室內風速取0.05m/s[18]，由室內相對濕度（圖13）可知，室內相對濕度在20%～80%區域變化，模式一和二室內平均相對濕度分別為53.35%和64.36%。
按文獻[17]中相關公式計算PMV，結果如圖14所示。根據FANGEＲ提出的熱舒適度模型，如果-1＜PMV＜1（即25%的人預測不滿意），說明熱舒適度是可接受的。模式一和模式二試驗房的平均PMV分別為-0.5和-0.7相應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據分別占比89.3%和86.6%，因此，系統模式一和模式二的平均PMV值在[-1，1]，表明系統可以滿足建筑的熱舒適度要求。
5結論
本文評價了一種太陽能和生物質能作為熱源的供暖系統，通過該系統以兩種模式運行以應對不同的環境條件，研究該供暖系統運行性能，結果表明：
（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定在60%～75%之間，平均效率分別為69.36%和81.38%，系統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定在50%～90%之間，平均效率分別61.35%和65.36%，系統的火用效率和能源效率分別為26.39%和68.67%。生物質鍋爐熱效率基本保持在70%～80%之間，平均效率78.69%。
（4）與傳統供暖方式相比，模式一的節能率高達96.19%，模式二的節能率達到59.09%。
（5）模式一的平均PMV為-0.5，模式二的平均PMV為-0.7，表明該供暖系統的兩種供暖模式都有良好的熱舒適性。
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