生物質鍋爐輔助聚光光伏光熱的低碳供熱系統建模與優化研究

趙 洋， 岳 涵， 張 泳， 張 衡，2， 陳海平，2， 高 丹，3

(1． 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206；2． 華北電力大學 熱電生產過程污染物監測與控制北京市重點實驗室，北京 102206；3.華北電力大學 國家能源發展戰略研究院，北京 102206)

自我國明確提出“力爭于2030年前二氧化碳排放達到峰值、2060年前實現碳中和”目標以來，綠色低碳能源轉型已成必然趨勢。以天然氣和可再生能源為主要供熱方式的供熱系統正逐步取代煤炭供暖[1]。據預測，我國北方地區用于供暖的天然氣消耗量將超過1 800億m3[2]，然而我國天然氣資源儲量較低，供應量有限，需要大量進口國外天然氣資源。目前國際局勢緊張，天然氣市場較不穩定，依賴天然氣必會產生能源安全隱患，因此迫切需要另外的清潔能源替代天然氣。

生物質廣泛存在于自然界中，并以農作物、樹林、動物代謝物以及農林廢棄物等形式存在，具有環保、節能、可再生性以及產量豐富等特點[3]。由于生物質是由植物通過光合作用從大氣中吸收二氧化碳的固碳作用產生的，使用其進行供熱不會造成大氣中二氧化碳量的增加，是一種零碳燃料[4-5]。我國農業生物質資源較為豐富，主要集中在我國北方地區，因此在北方地區利用生物質資源在冬季供熱領域有巨大的應用潛力，可有效緩解天然氣消耗壓力[6]。目前，生物質成型燃料鍋爐技術已較為成熟，在技術發展與國家政策影響下，生物質鍋爐已經在北方地區迅速發展，并被廣泛應用在北方住宅小區等戶用生物質供暖領域[7]。

光伏光熱技術(PV/T)最早由Kern和Russell在1978年提出，其主要原理為在光伏電池底部加裝冷卻流道，通過冷卻水冷卻光伏電池的同時吸收利用光伏電池熱量[8]。光伏光熱技術作為一種太陽能熱電聯產技術，相對于常規光伏電池或集熱器，具有更高的太陽能綜合利用率[9]。聚光技術通過提高入射太陽能能量密度，可有效提高PV/T產熱品質，可以將出口水溫度提升至50 ℃以上。由于采用便宜的聚光器，可以大幅降低系統成本，實現高效低成本的太陽能綜合利用[10]。

地源熱泵充分利用地熱能，通過地埋管吸收或者放出土地和地下水中的熱量，并用于冬天的供暖或夏天的制冷，同時也可利用土地和地下水的蓄熱能力，實現了跨季節儲能，是一種清潔高效的供能設備[11]。目前，許多學者將太陽能技術與地源熱泵進行耦合，通過太陽能產出低品位熱源，以對地源熱泵產熱進行補充，可同時提高光熱部分與地源熱泵的能效[12-13]。劉仙萍等[14]設計了PV/T與地源熱泵耦合系統，研究了不同參數下的系統性能，結果表明PV/T的引入可使地源熱泵的運行時間明顯縮短，并有效降低了溫度波動，有利于土地的熱平衡。

我國北方地區有豐富的太陽能和生物質能等可再生能源，根據這一特點許多學者針對太陽能技術與生物質鍋爐的耦合系統展開研究。韓中合等[15]設計了太陽能集熱器與生物質能技術耦合的分布式供能系統，從能效、環境影響和經濟收益3個角度對系統進行了綜合評估。楊雪秀等[16]設計了用于北方農村的太陽能-生物質鍋爐供暖系統，并對系統進行了動態分析，結果表明太陽能與生物質的耦合能夠有效滿足供暖需求，降低碳排放。綜上所述，雖然許多學者對于太陽能技術與地源熱泵系統，以及太陽能技術與生物質能源技術的結合進行了詳細的研究，但是同時利用太陽能、地熱能以及生物質能的低碳聯合供熱系統的研究相對較少。

基于上述研究背景，筆者提出將聚光光伏光熱技術、生物質鍋爐與地源熱泵耦合的聯合供熱系統。以天津市某宿舍樓為研究對象，利用TRNSYS仿真平臺對系統進行了動態研究，并以降低考慮經濟性的系統建設及運行成本和提高考慮清潔能源使用量最大的能量保證率為目標，通過NSGA-II算法對系統配置與運行參數進行多目標優化設計，以期為民用低碳供熱方案提供新思路。

1 供熱系統設計

1.1 系統組成及運行模式

本文的生物質鍋爐輔助聚光光伏光熱供熱系統主要由聚光光伏光熱(CPV/T)組件、水源熱泵、地埋管、生物質鍋爐、水箱、循環水路、循環泵和控制閥門等組成，系統設計如圖1所示。

圖1 供熱系統設計圖Fig.1 Schematic diagram of heating system

對于該供熱系統而言，蓄熱水箱出口水溫是關鍵參數，根據其數值不同有3種供熱運行模式：(1) 當蓄熱水箱出口水溫高于設計溫度T1時，采用蓄熱水箱出口水直接對熱網供熱；(2) 當蓄熱水箱出口水溫低于另一設計溫度T2時，僅開啟生物質鍋爐對熱網循環水進行加熱；(3) 當蓄熱水箱出口水溫在T2～T1內時，蓄熱水箱出口水無法滿足熱網負荷需求，可將其作為水源熱泵的低溫熱源，提高熱泵效率，利用熱泵對熱網循環水進行加熱。對于系統中聚光光伏光熱組件所發出電量，采用“自發自用、余量上網”的運行模式。該模式下光伏發電系統并網，無需專門配置蓄電池系統，降低了蓄電池系統采購與運維過程中的高成本及危險性，且系統運行中的不足電量可直接由電網提供，依賴于未來的智能電網系統，可在有效實現系統運行穩定性的同時降低系統運行費用。

1.2 熱負荷

選取天津市某宿舍樓，對其供熱系統進行研究。該宿舍樓包含3層，總面積為2 142 m2，總居住面積約為1 458 m2。宿舍每層包含27個寢室，每個寢室包含4名人員，總人數為324。宿舍每層配備衛生間、盥洗室各2個。宿舍圍護結構參數根據DB 29-1—2013 《天津市居住建筑節能設計標準》[17]進行設置，具體參數如表1所示。

2 供熱系統仿真模型

使用TRNSYS軟件建立供熱系統模型。根據系統設計方案選用相關設備模型，所用主要設備部件有供熱負荷模塊Type682、水源熱泵模塊Type927、地埋管模塊Type557、生物質輔助加熱模塊Type751、蓄熱水箱模塊Type4、水泵模塊Type114、控制器Type2和氣象參數讀取模塊Type15。聚光光伏光熱組件參數根據實驗室所設計的組件實際參數確定。蓄熱水箱容積按照每平方米太陽能集熱器采光面積配置0.04～0.1 m3容量設置。水源熱泵根據實際產品參數設置，其詳細設置見表2。通過控制器對聚光光伏光熱組件-地埋管循環與單獨地埋管循環進行切換控制。當聚光光伏光熱組件出口溫度與地面管出口溫度差值低于2 K時，認為此時由于太陽輻射強度不高或聚光光伏光熱組件向外界環境散失熱量過大，關閉聚光光伏光熱組件循環。當兩者溫差大于5 K時，認為聚光光伏光熱組件接收能量較高，需要對其余熱進行回收利用并降低電池溫度以提高太陽能電池效率，因此開啟聚光光伏光熱組件循環。

表1 宿舍典型應用場景圍護結構參數Tab.1 Envelope structure parameters of typical dormitory application scene

表2 水源熱泵參數Tab.2 Parameters of water source heat pump

根據系統設計、運行模式及控制邏輯將所用模塊進行連接，搭建出供熱系統模型并進行供熱模擬與優化，所搭建的系統模型如圖2所示。

聚光光伏光熱組件作為系統中的關鍵供能設備，其結構如圖3所示。太陽光經過聚光鏡反射后匯聚于上玻璃表面形成高能流密度的輻照條件。之后在聚光光伏光熱組件內經過逐層透射、反射和吸收。由于太陽能電池在發電的同時會產生熱量而提高電池溫度，太陽能電池光電轉換效率降低。設計采用扁盒型流道內的導熱流體將太陽能電池散失的大部分熱量回收，可有效降低電池溫度，在提高光電轉換效率的同時實現了熱電聯產。且相對傳統的獨立安裝太陽能電池板和太陽能集熱器的模式，該供能設備可有效節約安裝面積。組件輸出特性計算按照文獻[18]中的計算流程計算(見圖4)。首先使用Lighttools軟件對聚光鏡進行建模，模擬出上表面輻照值分布。然后在Fluent軟件中將輻照值通過用戶自定義函數(UDF)作為輻射源附加到聚光光伏光熱組件的上表面。將相應電池片區域輻照值和溫度值作為電池片參數來求解電池組件的輸出功率，這部分能量作為體積熱源從電池片區域中的能量中減去。通過與實驗值對比分析，該模型的誤差值小于5%，表明所建模型可用。之后，將模擬所得數據通過降價模型進行擬合，從而得到符合所設計組件實際參數的輸出性能公式。

圖2 供熱系統模型Fig.2 Simulation model of heating system

圖3 聚光光伏光熱組件示意圖Fig.3 Schematic diagram of CPV/T module

圖4 組件性能模擬計算流程圖Fig.4 Flow chart of module performance simulation calculation

選擇熱效率ηth、電效率ηe和總效率ηoverall3個指標[19]來評價聚光光伏光熱組件的性能。

(1)

(2)

(3)

式中：cp為導熱流體比熱容，J/(kg·K)；ρ為導熱流體密度，kg/m3；qV為導熱流體體積流量，m3/s；Tout和Tin分別為導熱流體出口和進口的溫度，K；ε為聚光鏡的聚光效率，取0.875；C為聚光鏡的幾何聚光比；G為輻射值，W/m2；Ap為組件上表面面積，m2；Ac為太陽能電池面積，m2；Ep為輸出電功率，W。

3 供暖系統優化研究

3.1 優化參數與目標

根據氣象軟件Meteonorm中提供的氣象站所采集的天津市TMY2格式的典型年氣象條件數據對該供熱系統性能進行模擬。直接影響系統性能的關鍵參數為蓄熱水箱容積V、地埋管孔數D、蓄熱水箱出口水溫設計溫度T1和T2，選擇這4個參數作為優化參數進行系統優化。優化目標包含降低考慮經濟性的系統建設及運行成本，以及提高考慮太陽能使用率最大的太陽能保證率。

系統建設及運行成本按成本年值計算[20]：

(4)

式中：F為成本年值，萬元；i為折現率，取5%；m為系統壽命，取15 a；C0為初投資，萬元；C為運行費用，萬元。

按照本文的系統設置，確定具體成本年值表達式：

(5)

式中：M為固定初投資，萬元；Wout為發電量，kW·h；Win為耗電量，kW·h；B為生物質燃料價格，萬元。

由于固定初投資M不變，因此不計入優化目標中，排除M后的成本年值記為N。

太陽能保證率[21]為：

(6)

式中：S為保證率；Esolar為太陽能供能量，kJ；E為總能量需求量，kJ。

由于本文供熱系統由太陽能和生物質供能，因此將提高保證率的目標轉化為降低年供熱耗用生物質能量(Swz)，并將其作為等價目標求解。

3.2 優化方法

采用NSGA-II算法進行系統優化，該方法引入了“擁擠距離”和“擁擠距離排序”的方法，對于極值點的探索性能良好。通過isight軟件對所建立模型進行調用，通過改變模型中的相關模塊參數尋找成本年值和保證率目標下供熱系統參數的最優解集。求解迭代過程如圖5所示。

3.3 優化結果

通過NSGA-II算法得到多個目標解，采用優劣距離法對各個解進行評價。該評價方法作為有效的多指標評價方法，能充分利用原始數據對各解間的差距進行評價，從而從多個目標解中選出最優解。評價排序選取得到的最優解結果為：蓄熱水箱容積V為9.9 m3，地埋管孔數D為8，蓄熱水箱出口水直接供熱溫度T1為44.1 ℃，僅靠生物質鍋爐補熱的蓄熱水箱出口水溫T2為15.3 ℃。在經濟性方面，優化后按照系統中聚光光伏光熱設備的造價為1 500元/m2，水箱的造價為1 000元/m3，地埋管的造價為1萬元/孔，各循環水泵、控制閥、管路、熱泵及生物質鍋爐的固定初投資和整體設計安裝費總和為30萬元計算。所得優化后的系統初投資為53.9萬元，成本年值為5.4萬元，年運行費用為1.8萬元；就能源消耗量而言，系統全年總發電量大于總用電量，因此系統凈輸入電量為0 kW·h，外界輸入能源為供熱所需補充的生物質能，由圖5(b)可得，優化后系統的全年生物質能輸入量為12.5 MW·h，按生物質燃料低位熱值12.5 MJ/kg計算，該系統每年約需要消耗生物質燃料4 t。

(a) Swz

4 供熱系統運行分析

采用優化后的參數值對供熱系統進行仿真，模擬計算供熱系統性能特性。供熱系統主要能量來源為聚光光伏光熱系統，系統中組件面積為100 m2，其全年輸出電功率和熱功率分別如圖6和圖7所示。全年最大輸出電功率超過40 kW，最大輸出熱功率超過250 kW。本系統中，聚光光伏光熱組件收集的熱量首先經過蓄熱水箱存儲以滿足系統實時供熱需求。多余的熱量經過地埋管系統存儲，進行短中長期太陽能輻射量與負荷需求之間不匹配的調節，且經過地埋管系統對聚光光伏光熱系統出口流體的進一步冷卻，返回聚光光伏光熱系統的流體溫度有所降低，提高了與聚光光伏光熱組件的換熱，可使電池溫度進一步降低，發電量得以進一步提升。

圖7 聚光光伏光熱系統全年輸出熱功率Fig.7 Annual output thermal power of CPV/T system

聚光光伏光熱系統由于供熱系統中地埋管設備的加入及目標函數的優化，全年的電、熱效率較為均勻穩定，如圖8和圖9所示，系統電效率主要集中在10%～17%，熱效率主要在60%左右，總效率基本在70%以上，系統太陽能利用效率較高，可有效轉化太陽能進行熱電聯供，實現對傳統獨立太陽能電池板和太陽能集熱器的可靠替代，在節約系統所需建筑外表面面積的同時可提高清潔能源利用占比。

圖8 聚光光伏光熱系統全年電效率Fig.8 Annual electrical efficiency of CPV/T system

供熱系統中另一重要供熱設備為水源熱泵。如圖10所示，在優化后運行條件下其性能系數(COP)大部分在3～4，最大值達到8.7。結果表明低品位熱源提高了熱泵運行時的COP，可使熱泵COP高于其額定值，充分利用了低品位熱源，實現了對熱網的高效供熱。

圖9 聚光光伏光熱系統全年熱效率Fig.9 Annual thermal efficiency of CPV/T system

圖10 熱泵的COPFig.10 COP of heat pump

5 結 論

(1) 設計了一種結合聚光光伏光熱技術、生物質鍋爐以及地源熱泵的低碳供熱系統。系統通過聚光光伏光熱組件可使太陽能轉化總效率高于70%，輔以地埋管調節太陽能與熱負荷間的不平衡實現了對太陽能的高效消納。

(2) 針對某宿舍負荷場景，按照降低系統建設及運行成本和提高清潔能源能量保證率的設計目標對設計與運行參數進行多目標優化。當蓄熱水箱容積V為9.9 m3，地埋管孔數D為8，蓄熱水箱直接供熱溫度T1為44.1 ℃，僅靠生物質鍋爐補熱的蓄熱水箱出口水溫T2為15.3 ℃時系統達到最優，優化后凈輸入電量為0 kW·h，可為系統的工程實際配置設定提供一定參考。

(3) 對優化后供熱系統的分析結果表明，聚光光伏光熱系統的電效率主要集中在10%～17%，熱效率主要在60%左右；水源熱泵的COP大部分在3～4，最大值達到8.7，熱泵COP高于其額定值，表明系統可利用低品位熱源實現對熱網的高效供熱。