生物質能-太陽能聯合供暖系統在北方農村的應用研究

周瑞辰， 張興惠， 閆瑞妙

(太原理工大學 環境科學與工程學院， 山西 太原 030024)

煤在北方地區供暖現階段依然占據主力位置，但其用作供暖能耗較大[1]。而且煤炭品質參差不齊，燃燒不充分，會產生大量的S和N氧化物污染環境[2]。農村無天然氣管網，熱泵空調因國內廠家技術不過關，始終無法達到高效、節能指標，造成無法使用其在北方大規模采暖[3]。太陽能作為一種清潔能源雖然具有普遍性、長久性，但它受季節、地理、天氣等自然條件的限制影響，到達地面的輻射量是間斷的，不穩定的[4]，目前在太陽能儲存上面臨很多技術難題，為了進行連續供暖，必將增加集熱器面積，水箱容積，提高初投資費用，單獨使用太陽能在農村中供暖并不理想。生物質能是來源于太陽能的一種可再生能源，具有含碳量低的特點，我國每年生物質資源量折合7億噸標準煤[5].發展包含生物質能在內的可再生能源不僅能夠優化能源結構，而且有助于減輕溫室效應和生態良性循環，可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成為解決能源與環境問題的重要途徑之一[6-9]。生物質固體成型燃料技術是在一定溫度和壓力作用下，把木質素充當粘合劑將松散的秸稈、樹枝和木屑等農林生物質壓縮成棒狀，塊狀或顆粒狀等成型燃料[10]。木質、棉桿和玉米秸稈為原材料的3種燃料NO排放量均在0.05%以下，CO也不高于1%[11]。由于我國北方農村地區有豐富的生物質能源和太陽能資源，燃料運輸成本低，高效環保的生物質鍋爐輔助太陽能供熱系統的開發和利用，對形成具有清潔、高效、舒適、可持續的村鎮供暖模式，有著重要的意義[12]，與煤相比，生物質固體燃料排放的溫室氣體不到煤的1/9，能源環境效益巨大[13]。

生物質-太陽能聯合供暖系統是將生物質燃料作為輔助熱源，在陽光充足時發揮太陽能的作用，太陽能提供熱量，生物質鍋爐不運行；而在氣候不好的時候生物質爐彌補太陽能供熱的不足，兩者切換使用降低了運行成本，提高了生物質爐的使用壽命，無需為了增加集熱器面積而增加初投資，降低成本[14]。目前，對此系統的研究主要集中于對系統的設計上，鮮少有研究人員對此系統做具體實驗分析[15]。因此，本文以山西省呂梁市歸化村一農宅為研究對象，通過對該系統進行完備的數據采集與數值計算，分析對比其可行性與經濟性。本次測試對象是實際住戶而非實驗室人工模擬環境，所以測試結果更能真正反映出該系統在不同工況下的供暖特性；并且能在一定程度上對該系統在北方農村地區的應用提供參考。

1 實驗方法

1.1 建筑概況

規劃村位于寒冷地區，1月份是每年最寒冷的季節，故選擇在2016年12月份至2017年2月份進行測試，便于觀測該系統在最不利氣候條件下的應對能力。選擇了一家具有地暖的典型農戶作為測試對象(見圖1)，并在該系統設計的同時加入了電加熱系統進行對比測試，為了滿足房間整體供暖需求，經負荷計算后，選擇功率為6 kW的電加熱棒置于水箱內部，在室內控制系統啟停的時間。該宅建于2002年，正門朝南，有足夠的日照，房前有一庭院，房屋平面圖見圖2。

圖1 歸化村居民住宅

圖2 住宅平面圖及室內測點分布

1.2 系統設計和測定方法

1.2.1 系統設計方案

在本次試驗中，試驗位于呂梁市信義鎮歸化村，房間采暖面積為100 m2。供暖的熱負荷經過計算為5982.3 W，供暖方式為全天供暖，每天供暖時長為24 h，所需熱量為144 kW·h。本次供試系統共有18塊光熱板，通過并聯的形式將兩組串聯的光熱板連接在一起，其中一組太陽能集熱器包含8塊集熱板，另一組太陽能集熱器包含10塊集熱板。根據現階段測試，晴朗天氣下，太陽的平均光照強度為(9:30～16:00)760 w·m-2，平均流量0.61 t·h-1，平均進水溫度28℃，出水溫度40℃，平均溫升12℃，平均光熱效率50%。因此1塊太陽能集熱板1天可收集5.32 kW·h的熱量。晴天時每天可向房間供給熱量95.76 kW·h。晴天時，白天由太陽能供暖，晚上21：00點開始用生物質爐供暖到第2天早上7：00點；隔天采用電加熱作為輔助熱源供熱，同樣從晚上21:00供暖至第2天早上7:00點。

系統設計應該使用戶室內溫度在最冷天達到《寒冷地區居住建筑節能設計標準》中的要求，整個系統簡單合理、管路緊湊明確，保證生活用水的水質水量，保證太陽能集熱器的效率[16-17]。根據以上設計要求，考慮經濟因素，工程費用，設計出圖3所示方案。

圖3 太陽能-生物質能聯合供暖系統簡圖

1.2.2 系統運行方案

在日常運行時，系統分為6種運行狀態，其各種運行方案的詳細情況如下：

狀態1：當太陽能集熱器出水溫度與儲熱水箱內水的溫差Tb-Ts≥5℃,并且室內溫度T0>18℃時，此時太陽輻射較強，太陽能集熱器出水溫度較高，并且房間溫度過高，系統可以暫時停止向房間供熱，將多余熱量儲存在水箱中。此時系統將水箱的旁通管路關閉，將水箱進出口閥門打開，使水流經水箱后直接回到太陽能集熱器形成循環。

狀態2：當太陽能集熱器出水溫度與儲熱水箱內水的溫差Tb-Ts≥5℃,并且室內溫度T0<16℃時，此時太陽輻射較強，太陽能集熱器出水溫度較高，但是房間溫度過低，可以將太陽能集熱器的供水不經水箱直接供給采暖用戶。

狀態3：當太陽能集熱器出水溫度與儲熱水箱內水的溫差Tb-Ts<5℃,并且室內溫度T0>18℃時，此時太陽輻較小，房間溫度達到采暖溫度，系統關閉。

狀態4：當太陽能集熱器出水溫度與儲熱水箱內水的溫差Tb-Ts<5℃,室內溫度T0<16℃，并且太陽能集熱器出水溫度Tb≥45℃時，此時太陽輻射較小，但足以向房間供暖，太陽能集熱器的供水不經水箱直接供給采暖用戶。

狀態5：當太陽能集熱器出水溫度與儲熱水箱內水的溫差Tb-Ts<5℃,室內溫度T0<16 ℃，并且太陽能集熱器出水溫度Tb<45℃，水箱溫度Ts≥46℃時，太陽輻射過小，不足以向房間供暖，但是水箱內熱量充足，因此將太陽能集熱器關閉，由水箱直接向采暖用戶供給熱量。

狀態6：當太陽能集熱器出水溫度與儲熱水箱內水的溫差Tb-Ts<5℃,室內溫度T0<16 ℃，并且太陽能集熱器出水溫度Tb<45℃，水箱溫度Ts<44℃時，太陽輻射過小，水箱內熱量用盡，此時需要使用電加熱或生物質爐向水箱補熱，提升水箱溫度并向采暖用戶供熱。

1.2.3 檢測儀器和分析方法

室內溫度采用美國Agilent 34972A LXI/USB數據采集開關單元(見圖4)進行測定，使用前進過校準。采集儀可利用USB線直接連接電腦，并可利用專用軟件Agilent Bench Link Data Logger 3對采集儀進行操控。各種傳感器需通過采集儀上面的34901A數據采集模塊與采集儀進行連接。采集模塊上共有22個連接通道，其中20個為LH通道，另外2個為LI通道。本次試驗的溫度傳感器分為兩種。一種是鎧裝pt100鉑電阻溫度傳感器，自帶4分螺紋，可與ppr管連接測量管內流體溫度。一種是普通防水pt100鉑電阻溫度傳感器。用于測量采暖用戶室內室外溫度、集熱板溫度與水箱內水溫(見圖5和圖6)。數據采集儀在偏廳放置，每30 S自動記錄數據，測試儀器及參數見表1。

圖4 數據采集儀

圖5 鎧裝鉑電阻傳感器

圖6 普通防水傳感器

測試儀器 測量精度 測量范圍鎧裝鉑電阻溫度傳感器±0.5%-50℃～150℃普通防水溫度傳感器B級精度±0.3℃-200℃～550℃電磁流量計0.5%0.1～10 m·s-1

2 實驗分析

2.1 室內溫度分析

經過連續多天數據測試，選取1組能反應當地供暖季平均室外溫度水平的1天作為研究對象，將測試數據調入originpro軟件并繪制相應的折線圖(見圖7)。

圖7 各測點各時段溫度分布圖

由圖7可以看出，呂梁地區晝夜溫差較大，白天9點至下午4點采用太陽能供暖，室外在上午9點到10點時間段有迅速的溫升，而室內房間溫升階段主要在上午10點到下午13點，下午15點后室內外溫度均在降低。在此期間各房間溫度變化較大，但變化趨勢基本保持一致，其中客廳溫度相對最高，主臥和偏廳都在向陽面，溫度相差不多，次臥在背陽面溫度最低；夜晚21點到第二天早上7點用生物質鍋爐供暖，在本時間段各房間溫度變化很小，室內溫度非常穩定，數據顯示在室內溫度在17.39℃～17.88℃波動，室外溫度在-3.48℃～-7.01℃波動，室內溫度分布均勻，舒適性很好。

2.2 對比性測試

從3個月測試期間選出了連續最冷2天的室外溫度情況，分別測試了生物質鍋爐和電加熱兩種輔助熱源在本地區極寒天氣情況下室內平均溫度的表現，如圖8所示。

圖8 極寒溫度下2種輔助熱源的對比

夜間室外溫度在-12℃～-6℃波動，只研究用輔助熱源在夜間采暖期的表現。由圖8可知，當采用生物質爐供暖時，即便室外溫度很低，依然可以保證室內平均溫度在17.3℃～17.5℃，溫度波動很小，保持度很好，非常穩定；當采用電加熱供暖時，隨著室外溫度的逐漸降低，室內平均溫度無法維持在16 ℃以上，測試數據顯示，波動范圍在13.55℃～15.59℃，已經無法滿足國家制定的《農村居住建筑節能設計標準》，即GB/T50824-2013中規定冬季供暖標準為16℃～24℃。而且室內平均溫度波動很大，穩定性較差。

2.3 輔助熱源經濟性比較

從初投資和運行費用2個方面來評價輔助熱源的經濟性，將其初投資和運行費用折合成綜合熱價，從而來衡量其經濟性的優劣。由于各種輔助熱源的初投資相差很大，而且經過若干年后貨幣價值的變動情況不明。因此，將各個運行費用折合為投資年限值，能夠更準確的進行經濟性比較。本供暖系統中太陽能保證率為50%,輔助熱源承擔的平均負荷占總負荷的50%,在供暖期，輔助熱源提供的熱量為259.2 MJ·d-1,輔助供熱系統的壽命按15年計算,公式如下[18]：

(1)

式中：M為輔助熱源綜合熱價現值，元·MJ-1；H為輔助系統初投資，元；n為系統使用壽命，年；i為銀行存款利率，本文取3%；Ut為第t年的運行費用，元；Qt為輔助系統第t年提供的熱量，MJ。

系統某年的運行費用根據公式2計算[19]:

(2)

式中：Q為由輔助系統提供的負荷，MJ；q為單位熱源的熱值；η為輔助系統熱效率；p為單位熱源的市場價格。

將公式2帶入公式1中即可得到各輔助系統折現后的綜合熱價，輔助熱源的具體參數及綜合熱價見表2。

由表中計算結果可見，煤作為輔助熱源最為經濟，這主要是因為山西地區煤炭資源豐富且煤價便宜，運輸方便，但是煤炭質量參差不齊，對環境污染嚴重，不符合國家建設綠色環保新農村的理念；其次是生物質燃料，它也是非常經濟的輔助熱源，而且生物質燃料作為可再生燃料，污染極低，農村地區也便于制造運輸。熱泵和電加熱經濟性較差，這主要是因為熱泵初投資大，對于農村單住宅用戶來說性價比很低，不易于推廣，突出不了其優勢；電加熱設備消耗單位電能的產熱量太小，用電量太大，效果不理想。

表2 輔助熱源綜合熱價參數

注：本表中熱源價格、初投資為本地查詢值，僅供參考

2.4 環境效益分析

農村用戶多采用太陽能采暖系統，可以大量減少溫室氣體、有害氣體，例如：二氧化碳、二氧化硫和粉塵等的排放。太陽能作為一種清潔能源取代化石能源節能效益良好。該住宅建筑面積100 m2，以15年為有效期計算二氧化碳的減排量如下式計算[20]：

(3)

其中：△Q由集熱系統面積、太陽輻射量、集熱器平均集熱效率、蓄熱水箱與管路損失率計算而來。對于本系統，供暖期年節約總能量為14752.8 MJ，非供暖期供熱水系統年節約總能量為15201.2 MJ，系統總年節約量為29954 MJ，代入公式(3)計算得出本供暖系統在使用年限內二氧化碳減排量62784.8噸；二氧化硫、煙塵排放因子分別為0.02，0.01，計算得出系統二氧化硫減排量為471.2噸，煙塵減排量為235.9噸。

3 結 論

(1)通過對山西呂梁歸化村地區住宅室內各房間溫度進行連續性測試，用生物質鍋爐作為輔助熱源供暖可以很好保持房間溫度，房間各時段溫度波動不超過±0.5℃，相比電加熱作為輔助熱源可以明顯看出生物質鍋爐在穩定性上的明顯優勢，而且生物質鍋爐可以保證在室外惡劣工況下室內整體的溫度適宜。

(2)通過對各種輔助熱源進行經濟效益的對比，可以清楚的發現生物質燃料在農村使用的經濟性明顯優于熱泵系統、電加熱系統。

(3)通過計算二氧化碳、二氧化硫、粉塵三個指標的減排量對系統的環境效益進行評價，得出系統的減排量為：二氧化碳減排量為62784.8噸,二氧化硫減排量為471.2噸，煙塵減排量為235.9噸。

(4)本次實驗測試對太陽能—生物質能互補供暖系統在農村的使用有一定的指導性，可以看出其在某些領域的優越性，對此系統在北方農村地區的推廣應用提供一定依據。