周瑞辰， 張興惠， 閆瑞妙

(太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院， 山西 太原 030024)

煤在北方地區(qū)供暖現(xiàn)階段依然占據(jù)主力位置，但其用作供暖能耗較大[1]。而且煤炭品質(zhì)參差不齊，燃燒不充分，會產(chǎn)生大量的S和N氧化物污染環(huán)境[2]。農(nóng)村無天然氣管網(wǎng)，熱泵空調(diào)因國內(nèi)廠家技術不過關，始終無法達到高效、節(jié)能指標，造成無法使用其在北方大規(guī)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(jié)、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(wěn)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(xù)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(nóng)村中供暖并不理想。生物質(zhì)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(zhì)資源量折合7億噸標準煤[5].發(fā)展包含生物質(zhì)能在內(nèi)的可再生能源不僅能夠優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，而且有助于減輕溫室效應和生態(tài)良性循環(huán)，可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成為解決能源與環(huán)境問題的重要途徑之一[6-9]。生物質(zhì)固體成型燃料技術是在一定溫度和壓力作用下，把木質(zhì)素充當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[10]。木質(zhì)、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(nóng)村地區(qū)有豐富的生物質(zhì)能源和太陽能資源，燃料運輸成本低，高效環(huán)保的生物質(zhì)鍋爐輔助太陽能供熱系統(tǒng)的開發(fā)和利用，對形成具有清潔、高效、舒適、可持續(xù)的村鎮(zhèn)供暖模式，有著重要的意義[12]，與煤相比，生物質(zhì)固體燃料排放的溫室氣體不到煤的1/9，能源環(huán)境效益巨大[13]。

生物質(zhì)-太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)是將生物質(zhì)燃料作為輔助熱源，在陽光充足時發(fā)揮太陽能的作用，太陽能提供熱量，生物質(zhì)鍋爐不運行；而在氣候不好的時候生物質(zhì)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(zhì)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(tǒng)的研究主要集中于對系統(tǒng)的設計上，鮮少有研究人員對此系統(tǒng)做具體實驗分析[15]。因此，本文以山西省呂梁市歸化村一農(nóng)宅為研究對象，通過對該系統(tǒng)進行完備的數(shù)據(jù)采集與數(shù)值計算，分析對比其可行性與經(jīng)濟性。本次測試對象是實際住戶而非實驗室人工模擬環(huán)境，所以測試結(jié)果更能真正反映出該系統(tǒng)在不同工況下的供暖特性；并且能在一定程度上對該系統(tǒng)在北方農(nóng)村地區(qū)的應用提供參考。

1 實驗方法

1.1 建筑概況

規(guī)劃村位于寒冷地區(qū)，1月份是每年最寒冷的季節(jié)，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(tǒng)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(nóng)戶作為測試對象(見圖1)，并在該系統(tǒng)設計的同時加入了電加熱系統(tǒng)進行對比測試，為了滿足房間整體供暖需求，經(jīng)負荷計算后，選擇功率為6 kW的電加熱棒置于水箱內(nèi)部，在室內(nèi)控制系統(tǒng)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(nèi)測點分布

1.2 系統(tǒng)設計和測定方法

1.2.1 系統(tǒng)設計方案

在本次試驗中，試驗位于呂梁市信義鎮(zhèn)歸化村，房間采暖面積為100 m2。供暖的熱負荷經(jīng)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(tǒng)共有18塊光熱板，通過并聯(lián)的形式將兩組串聯(lián)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(jù)現(xiàn)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(zhì)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(tǒng)設計應該使用戶室內(nèi)溫度在最冷天達到《寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》中的要求，整個系統(tǒng)簡單合理、管路緊湊明確，保證生活用水的水質(zhì)水量，保證太陽能集熱器的效率[16-17]。根據(jù)以上設計要求，考慮經(jīng)濟因素，工程費用，設計出圖3所示方案。

圖3 太陽能-生物質(zhì)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)簡圖

1.2.2 系統(tǒng)運行方案

在日常運行時，系統(tǒng)分為6種運行狀態(tài)，其各種運行方案的詳細情況如下：

狀態(tài)1：當太陽能集熱器出水溫度與儲熱水箱內(nèi)水的溫差Tb-Ts≥5℃,并且室內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)將水箱的旁通管路關閉，將水箱進出口閥門打開，使水流經(jīng)水箱后直接回到太陽能集熱器形成循環(huán)。

狀態(tài)2：當太陽能集熱器出水溫度與儲熱水箱內(nèi)水的溫差Tb-Ts≥5℃,并且室內(nèi)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(jīng)水箱直接供給采暖用戶。

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

狀態(tài)4：當太陽能集熱器出水溫度與儲熱水箱內(nèi)水的溫差Tb-Ts<5℃,室內(nèi)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(jīng)水箱直接供給采暖用戶。

狀態(tài)5：當太陽能集熱器出水溫度與儲熱水箱內(nèi)水的溫差Tb-Ts<5℃,室內(nèi)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(nèi)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(tài)6：當太陽能集熱器出水溫度與儲熱水箱內(nèi)水的溫差Tb-Ts<5℃,室內(nèi)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(nèi)熱量用盡，此時需要使用電加熱或生物質(zhì)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(nèi)溫度采用美國Agilent 34972A LXI/USB數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)室外溫度、集熱板溫度與水箱內(nèi)水溫(見圖5和圖6)。數(shù)據(jù)采集儀在偏廳放置，每30 S自動記錄數(shù)據(jù)，測試儀器及參數(shù)見表1。

圖4 數(shù)據(jù)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(nèi)溫度分析

經(jīng)過連續(xù)多天數(shù)據(jù)測試，選取1組能反應當?shù)毓┡酒骄彝鉁囟人降?天作為研究對象，將測試數(shù)據(jù)調(diào)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(qū)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(nèi)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(nèi)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(zhì)鍋爐供暖，在本時間段各房間溫度變化很小，室內(nèi)溫度非常穩(wěn)定，數(shù)據(jù)顯示在室內(nèi)溫度在17.39℃～17.88℃波動，室外溫度在-3.48℃～-7.01℃波動，室內(nèi)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(xù)最冷2天的室外溫度情況，分別測試了生物質(zhì)鍋爐和電加熱兩種輔助熱源在本地區(qū)極寒天氣情況下室內(nèi)平均溫度的表現(xiàn)，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(xiàn)。由圖8可知，當采用生物質(zhì)爐供暖時，即便室外溫度很低，依然可以保證室內(nèi)平均溫度在17.3℃～17.5℃，溫度波動很小，保持度很好，非常穩(wěn)定；當采用電加熱供暖時，隨著室外溫度的逐漸降低，室內(nèi)平均溫度無法維持在16 ℃以上，測試數(shù)據(jù)顯示，波動范圍在13.55℃～15.59℃，已經(jīng)無法滿足國家制定的《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設計標準》，即GB/T50824-2013中規(guī)定冬季供暖標準為16℃～24℃。而且室內(nèi)平均溫度波動很大，穩(wěn)定性較差。

2.3 輔助熱源經(jīng)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(jīng)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(jīng)濟性的優(yōu)劣。由于各種輔助熱源的初投資相差很大，而且經(jīng)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(jīng)濟性比較。本供暖系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)值，元·MJ-1；H為輔助系統(tǒng)初投資，元；n為系統(tǒng)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(tǒng)第t年提供的熱量，MJ。

系統(tǒng)某年的運行費用根據(jù)公式2計算[19]:

(2)

式中：Q為由輔助系統(tǒng)提供的負荷，MJ；q為單位熱源的熱值；η為輔助系統(tǒng)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(tǒng)折現(xiàn)后的綜合熱價，輔助熱源的具體參數(shù)及綜合熱價見表2。

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

注：本表中熱源價格、初投資為本地查詢值，僅供參考

2.4 環(huán)境效益分析

農(nóng)村用戶多采用太陽能采暖系統(tǒng)，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(jié)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(tǒng)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(tǒng)，供暖期年節(jié)約總能量為14752.8 MJ，非供暖期供熱水系統(tǒng)年節(jié)約總能量為15201.2 MJ，系統(tǒng)總年節(jié)約量為29954 MJ，代入公式(3)計算得出本供暖系統(tǒng)在使用年限內(nèi)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(tǒng)二氧化硫減排量為471.2噸，煙塵減排量為235.9噸。

3 結(jié) 論

(1)通過對山西呂梁歸化村地區(qū)住宅室內(nèi)各房間溫度進行連續(xù)性測試，用生物質(zhì)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(zhì)鍋爐在穩(wěn)定性上的明顯優(yōu)勢，而且生物質(zhì)鍋爐可以保證在室外惡劣工況下室內(nèi)整體的溫度適宜。

(2)通過對各種輔助熱源進行經(jīng)濟效益的對比，可以清楚的發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)燃料在農(nóng)村使用的經(jīng)濟性明顯優(yōu)于熱泵系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)。

(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(tǒng)的環(huán)境效益進行評價，得出系統(tǒng)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(zhì)能互補供暖系統(tǒng)在農(nóng)村的使用有一定的指導性，可以看出其在某些領域的優(yōu)越性，對此系統(tǒng)在北方農(nóng)村地區(qū)的推廣應用提供一定依據(jù)。