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王澤龍1,2，田宜水1，趙立欣1，孟海波1，侯書林2
（1.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100125；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）
摘要：為了提高生物質(zhì)能-生物質(zhì)能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，該文從經(jīng)濟(jì)性角度對(duì)系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，建立了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)分析模型，并采用線性規(guī)劃的方法進(jìn)行優(yōu)化，并以北京地區(qū)一供熱面積為200m2的辦公樓為例進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，建立的經(jīng)濟(jì)分析模型可用，其中，太陽能集熱器的價(jià)格、生物質(zhì)顆粒燃料的價(jià)格、蓄熱水箱的價(jià)格、生物質(zhì)顆粒燃燒器的價(jià)格對(duì)系統(tǒng)中各部分參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果有影響，且影響程度依次降低。這可為今后生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。
0引言
生物質(zhì)固體成型燃料，是指在一定溫度和壓力作用下，利用木質(zhì)素充當(dāng)粘合劑將松散的秸稈、樹枝和木屑等農(nóng)林生物質(zhì)壓縮成棒狀、塊狀或顆粒狀等成型燃料。生物質(zhì)顆粒燃料能量密度與中質(zhì)煙煤相當(dāng)；燃燒時(shí)CO2零排放，NOX、SO2等的排放量遠(yuǎn)小于煤；燃燒特性明顯得到改善，提高了利用效率[1-2]。
由農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院開發(fā)的生物質(zhì)顆粒燃燒器以流動(dòng)性高，質(zhì)地均勻的生物質(zhì)顆粒為燃料，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行，燃燒效率通常能達(dá)到86%以上[3]。但其在使用過程中還存在著點(diǎn)火時(shí)間較長(zhǎng)，且點(diǎn)火過程中CO排放量大[4]；在低功率運(yùn)行時(shí)，效率較低，不宜頻繁啟動(dòng)。
太陽能作為清潔能源，在采暖供熱方面面臨主要問題是其具有不連續(xù)性，在陰天或者晚上無法工作[5-8]。為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)供熱，需要擴(kuò)大集熱器的集熱面積和設(shè)計(jì)較大的熱量存儲(chǔ)裝置，導(dǎo)致了供熱系統(tǒng)初投資增加。在大規(guī)模的供熱系統(tǒng)中尚可，對(duì)小規(guī)模用戶則難以接受。
生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)是指利用生物質(zhì)顆粒燃燒器和太陽能集熱器聯(lián)合組成一個(gè)供熱系統(tǒng)，為建筑物提供冬季采暖和全年生活熱水所需要的熱量。該系統(tǒng)充分利用了生物質(zhì)能和太陽能各自的優(yōu)勢(shì)，在陽光充足的時(shí)候，太陽能提供熱量，生物質(zhì)顆粒燃燒器可以少運(yùn)行或者不運(yùn)行，降低了運(yùn)行成本，延長(zhǎng)燃燒器的使用壽命；在無太陽光的時(shí)候，生物質(zhì)顆粒燃燒器全功率運(yùn)行，無需設(shè)計(jì)較大的熱量存儲(chǔ)裝置和增加太陽能集熱器的面積，降低了初投資。
目前，F(xiàn)rankFiedler系統(tǒng)研究了不同連接方式的供熱性能，污染物排放特性等[9-12]。國內(nèi)對(duì)生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的研究則較少，尤其是對(duì)系統(tǒng)中各部分設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化研究。
本文擬通過建立生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)分析模型，并利用線性規(guī)劃的優(yōu)化方法，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并應(yīng)用于典型實(shí)例，為生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。
1生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)
生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要滿足以下5個(gè)要求[13-15]：可在采暖季安全穩(wěn)定高效的運(yùn)行，穩(wěn)定地為建筑物提供采暖所需熱負(fù)荷；保證基本生活用熱水的水量和水質(zhì)；提高太陽能的熱利用效率；降低初投資和運(yùn)行成本；使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。基于以上設(shè)計(jì)要求，以及從建立系統(tǒng)的成本、難易程度以及供熱性能來分析[16-18]，提出如圖1所示的方案。該方案具有控制簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，較適合目前的中小用戶需要。
該方案中，蓄熱水箱是連接太陽能集熱器、生物質(zhì)顆粒燃燒器和供熱采暖的唯一媒介。供熱設(shè)備先通過換熱器和蓄熱水箱中的水進(jìn)行熱量交換，然后再通過換熱裝置將熱量傳遞給供熱終端。生活用熱水直接來自蓄熱設(shè)備，不參與供熱循環(huán)，水質(zhì)和水量都可以得到保證。
圖1所示的方案中系統(tǒng)的各裝置在控制單元的控制協(xié)調(diào)下，自動(dòng)運(yùn)行。生物質(zhì)顆粒燃燒器是全功率間歇運(yùn)行，其控制的方式是溫差控制，即當(dāng)蓄熱水箱上部的溫度傳感器測(cè)得的溫度T3大于設(shè)定的溫度時(shí)，燃燒器停止運(yùn)行；當(dāng)溫度T3小于設(shè)定的溫度時(shí)，燃燒器開始運(yùn)行。太陽能集熱器的運(yùn)行方式也是溫差控制循環(huán)，即當(dāng)太陽能集熱器出水口溫度T1和水箱底部溫度T2的溫差超過7℃時(shí)，太陽能集熱器循環(huán)水泵開始循環(huán)；當(dāng)T1和T2的溫差小于3℃時(shí)，太陽能循環(huán)水泵停止循環(huán)。
該系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)有3種情況：當(dāng)日照條件好，且建筑物熱量需求小時(shí)，太陽能集熱器單獨(dú)運(yùn)行，并將多余的熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱水箱中；當(dāng)日照條件較差時(shí)，太陽能集熱器單獨(dú)運(yùn)行將不能滿足供熱要求，此時(shí)生物質(zhì)顆粒燃燒器啟動(dòng)，并全功率運(yùn)行，和太陽能集熱器同時(shí)進(jìn)行供熱；當(dāng)在晚上或者陰天時(shí)，太陽能集熱器不能工作，生物質(zhì)顆粒燃燒器單獨(dú)運(yùn)行。
2系統(tǒng)模型的建立及優(yōu)化
針對(duì)某建筑面積為A的建筑物建立生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的模型，并對(duì)該系統(tǒng)中的主要裝置的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.1系統(tǒng)模型建立
2.1.1生物質(zhì)顆粒燃燒器功率計(jì)算
2.1.3太陽能集熱器面積計(jì)算
太陽能集熱器面積的增加，可以減少生物質(zhì)顆粒燃燒器的運(yùn)行時(shí)間，降低運(yùn)行成本。但是增加太陽能集熱器面積的同時(shí)，也增加了初投資。實(shí)現(xiàn)經(jīng)農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)2012年濟(jì)效益的最大化，是確定太陽能集熱器面積的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。接下來通過優(yōu)化來確定太陽能集熱器的面積。
2.1.4循環(huán)水泵計(jì)算
循環(huán)水泵包括太陽能集熱器循環(huán)水泵和生物質(zhì)鍋爐循環(huán)水泵。循環(huán)水泵主要計(jì)算2個(gè)參數(shù)：流量、功率[19-20]。
2.2系統(tǒng)優(yōu)化
在生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)中，太陽能集熱器面積的增加可以減少生物質(zhì)顆粒的使用，降低運(yùn)行成本，但是會(huì)導(dǎo)致蓄熱水箱的容積增加，因此會(huì)增加系統(tǒng)的初投資。生物質(zhì)顆粒燃燒器功率的增大，可以減少其運(yùn)行時(shí)間，延長(zhǎng)其使用壽命，但是初投資增加。因此該系統(tǒng)在初投資和運(yùn)行成本之間存在矛盾。本文通過建立系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型，對(duì)系統(tǒng)中主要裝置的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.2.1目標(biāo)函數(shù)
目標(biāo)函數(shù)是根據(jù)特定目標(biāo)建立起來的，以設(shè)計(jì)變量為自變量，一個(gè)可計(jì)算的函數(shù)，它是設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程實(shí)際上是尋求目標(biāo)函數(shù)最小值或最大值的過程。本文將生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)一年的運(yùn)行成本和將初投資平均分配到使用壽命的每一年的費(fèi)用相加作為線性規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)Fmin，目標(biāo)函數(shù)取最小值時(shí)得到的參數(shù)就是系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。目標(biāo)函數(shù)式如下
3示范工程計(jì)算與分析
為了驗(yàn)證優(yōu)化模型是否正確，針對(duì)目前北京的氣候條件，對(duì)供熱面積為200m2的某辦公用樓的生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)主要裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。具體的參數(shù)如表1所示。
3.1計(jì)算
將表2中的數(shù)據(jù)代入優(yōu)化模型式（21）、（22）中，得到的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件如下目標(biāo)函數(shù)：
3.2結(jié)果分析
通過計(jì)算得知，當(dāng)生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)中生物質(zhì)顆粒燃燒器的功率為20kW，太陽能集熱器（由清華陽光生產(chǎn)）面積為15m2，蓄熱水箱（由清華陽光生產(chǎn)）容積取430L時(shí)，目標(biāo)函數(shù)取得最小值。此時(shí)，初投資為23376.5元，年運(yùn)行成本為4147.1元。
3.2.1初投資分析
在生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的初投資中，太陽能集熱器的投資占的比例最大，為64%；蓄熱水箱的投資占的比例最小，為2%；生物質(zhì)顆粒燃燒器的投資占比例是13%；水泵等附件的投資所占的比例是21%。對(duì)一個(gè)建筑物而言，循環(huán)水泵等附件的投資是基本不變的，因此其投資對(duì)優(yōu)化結(jié)果基本沒有影響。隨著生物質(zhì)顆粒燃燒器生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟以及生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，其成本會(huì)較大幅度的降低，從而能加速生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的推廣。
3.2.2運(yùn)行成本分析
生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)運(yùn)行成本主要包括生物質(zhì)顆粒燃料費(fèi)用、燃料動(dòng)力費(fèi)、系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)、人工費(fèi)。在運(yùn)行成本中，生物質(zhì)顆粒燃料費(fèi)用占47%，人工費(fèi)占36%，系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)占12%，燃料動(dòng)力費(fèi)占5%。
3.2.3敏感性分析
敏感性分析是在確定性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析不確定性因素對(duì)項(xiàng)目的最終經(jīng)濟(jì)效果指標(biāo)的影響及影響程度。假設(shè)當(dāng)一個(gè)因素改變時(shí)，其他因素不改變，來分析各因素的變化對(duì)系統(tǒng)中各部分設(shè)計(jì)參數(shù)的影響[23]。
生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)中影響各部分設(shè)計(jì)參數(shù)的主要因素有太陽能集熱器的價(jià)格、生物質(zhì)顆粒燃料的價(jià)格、蓄熱水箱的價(jià)格、生物質(zhì)顆粒燃燒器的價(jià)格等。當(dāng)太陽能集熱器的價(jià)格變動(dòng)±20%時(shí)，通過經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型式（21）、（22）計(jì)算可得，太陽能集熱器的面積減少或增加10%，蓄熱水箱容積減少或增加5%，生物質(zhì)顆粒燃燒器功率變動(dòng)為±2%，初投資變動(dòng)為±1.5%，運(yùn)行成本變動(dòng)為±2.3%。
當(dāng)生物質(zhì)顆粒燃料的價(jià)格變動(dòng)為±20%時(shí)，則太陽能集熱器面積變動(dòng)為±7.2%，蓄熱水箱容積變動(dòng)為±3.4%，生物質(zhì)顆粒燃燒器功率變動(dòng)為±1.2%。初投資變動(dòng)為±1.7%，運(yùn)行成本變動(dòng)為±1.9%。
當(dāng)蓄熱水箱的價(jià)格變動(dòng)為±20%時(shí)，則太陽能集熱器面積減少或增加2.1%，蓄熱水箱的容積減少或增加0.8%，生物質(zhì)顆粒燃燒器的功率變動(dòng)為±0.75%。初投資變動(dòng)為±0.7%，運(yùn)行成本變動(dòng)為±1.7%。
當(dāng)生物質(zhì)顆粒燃燒器價(jià)格變動(dòng)為±20%時(shí)，則太陽能集熱器面積變動(dòng)為±1.7%，蓄熱水箱的容積減少或增加0.8%，生物質(zhì)顆粒燃燒器的功率減少或增加0.7%。初投資減少或增加0.3%，運(yùn)行成本減少或增加0.8%。
通過敏感性分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)中各部分參數(shù)影響最大的因素是太陽能集熱的價(jià)格，其次是生物質(zhì)顆粒燃料的價(jià)格，而蓄熱水箱的價(jià)格和生物質(zhì)顆粒燃燒器的價(jià)格對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)影響較小。
4結(jié)論
1）建立了生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)分析模型，并利用線性規(guī)劃的方法對(duì)系統(tǒng)中各部分的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。
2）針對(duì)北京地區(qū)某供熱面積為200m2的辦公樓進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)中生物質(zhì)顆粒燃燒器的功率為20kW，太陽能集熱器面積為15m2，蓄熱水箱容積取430L時(shí)，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最好。此時(shí)，初投資為23376.5元，年運(yùn)行成本為4147.1元。通過敏感性分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中各部分設(shè)計(jì)參數(shù)的影響因素有太陽能集熱器的價(jià)格、生物質(zhì)顆粒燃料的價(jià)格、蓄熱水箱的價(jià)格、生物質(zhì)顆粒燃燒器的價(jià)格，且影響程度依次降低。
生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)充分利用生物質(zhì)能和太陽能優(yōu)勢(shì)，即減少了生物質(zhì)能的使用，延長(zhǎng)了生物質(zhì)顆粒燃燒器的使用壽命，又彌補(bǔ)了太陽能不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，適合中小用戶使用，具有廣泛的推廣價(jià)值。
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