北方农村建筑中太阳能+生物质供暖系统性能研究

杨宾¹，齐耀¹，侯宇田¹，薛道荣²，韩成明²，于晓慧¹

（1.河北工业大学能源与环境工程学院，天津300401；2.河北道荣新能源科技有限公司，河北邢台054700）

　　摘要：北方农村地区的传统燃煤锅炉供暖模式不仅能源利用效率低且环境污染严重，亟待推行清洁、高效、可持续的农村供暖新模式。太阳能+生物质供暖模式是多种清洁能源协同供暖方式，在太阳能充足、生物质易获得的华北地区有广泛的应用前景。将太阳能+生物质供暖系统用于秦皇岛农村某典型建筑中，并对该系统的运行参数进行长期实时监测。基于实测数据分析该典型建筑供暖房间的热舒适性、系统供热量和太阳能集热器性能，利用费用年值法对系统经济性评价，采用模糊数学法对该系统与传统燃煤锅炉供暖系统在初投资、运行费用、设备寿命、施工维护难易、安全性和环境效益六项指标进行对比分析。结果表明：供暖期室温相对稳定，基本维持在较舒适的13~16℃；供暖期总供热量约为12482MJ，其中太阳能贡献率68.87%，太阳能集热器效率为33.35%；该系统费用年值较低，每年节省煤燃料1193kg；模糊数学法综合评价表明该系统综合评判因子较高，其中运行费用、设备寿命、安全性和环境效益均优于燃煤锅炉供暖系统，对北方农村建筑供暖，节能改造具有参考意义。

　　0引言

　　据BP世界能源统计年鉴数据显示，近年来全球能源消耗中化石能源占84.3%，非化石能源占比不足16%[1]，中国作为世界上最大的能源消耗国[2]，其北方地区传统燃煤锅炉供暖能源效率低下，一次能源浪费巨大，室内热舒适不足，易给居民带来严重的健康安全问题[3]。太阳能作为主要可再生能源，其开发利用被认为是解决化石燃料燃烧问题的有效途径[4]。如今，太阳能供暖在全球范围内有广泛应用，德国农村家庭已开始使用太阳能供暖，产生了较好的节能性和热舒适性，非洲同样有许多国家在家庭供暖中利用太阳能[3]。然而，太阳能存在间歇性和不稳定性等缺点，单靠其无法为家庭提供稳定、连续的供暖服务，需选择合适的辅助热源与太阳能联合运行，如天然气[5]、热泵[6]、生物质[3]等。燃气供暖需配备输气管网，工程难度大且施工周期长；热泵供暖需考虑冬季除霜问题，效率低且初投资较高；生物质具有稳定、环保、投资较低等优点[7]。中国北方农村地区生物质资源丰富，可优先考虑作为太阳能的辅助热源[8]。

　　已有国内外学者对太阳能+生物质供暖系统进行了理论和实验研究。如太原理工大学张兴惠等人对太阳能耦合生物质能供暖系统进行研究，通过能源利用率及火用效率分析证明该系统有较好的发展前景[3]。韩中合等人基于太阳能和生物质能建立农村户用型供暖系统，根据当地建筑特点模拟系统运行特性，取得了良好的资源效益和环境效益[9]。Palomba等人基于太阳能集热器、生物质锅炉和混合热泵系统潜力，通过分析3个城市的不同气候特点，讨论100%可再生能源系统可能性，并成功验证该系统应用价值[10]。Yassen等人实验研究太阳能耦合生物质能干燥辣椒系统性能，结果表明耦合系统比没有生物质的系统效率可提高5.7%[11]。

　　综上，太阳能+生物质供暖系统的研究多在系统建模仿真和短期实验测试阶段，缺乏系统长期运行数据和综合的性能评估。本文将太阳能与生物质能耦合，实现多种清洁能源协同供暖，长期监测记录不同气候下系统运行情况，综合分析系统性能，并结合初投资、运行费用、设备寿命、施工维护难易、安全性和环境效益六项指标对该系统与传统燃煤锅炉供暖系统利用费用年值法和模糊数学法评价。本研究结果为太阳能+生物质供暖系统在北方农村的推广应用提供重要的数据支撑，对解决农村地区分散式供暖具有一定的参考意义。

　　1建筑及系统介绍

　　1.1建筑概况

　　本研究的典型示范建筑位于河北省秦皇岛北戴河新区东河南小庄，该建筑是长8m、宽6.5m、高3m的单层建筑，其户型如图1所示。其中，储物间和走廊不供暖，仅对卧室供暖，图中G表示生物质锅炉。建筑材料及其传热系数等详细信息见表1。

　　1.2系统构成及原理介绍

　　太阳能+生物质供暖系统主要设备包括太阳能集热器、生物质锅炉和散热器。本文选用真空管型太阳能集热器具有真空防冻、保温性好等优点[12，13]，生物质锅炉安装于太阳能集热器模块与散热系统模块之间，作为第二热源加热的系统水向房间供热[14]。根据农村家庭情况，采用方便维护检修的散热器作为系统末端，系统原理如图2所示。

　　系统循环水经太阳能集热器吸收太阳能升温后进入生物质锅炉，再次升温后到达供暖系统末端设备-散热器。太阳能集热器全天运行，生物质锅炉可设置自动或手动运行：自动模式当锅炉入口处水温低于40℃时，生物质锅炉自动运行，自动实现填料、点火等操作，入口处水温高于55℃时，锅炉自动结束运行；手动模式即根据室温情况，人为控制、手动开启运行生物质锅炉。供暖系统主要设备详细参数见表2，系统设备及生物质颗粒燃料实物如图3所示。

　　1.3数据采集装置

　　太阳能集热器附近安装太阳能辐射仪表，与集热器同向同倾角，分别测量太阳辐射强度、环境温度、风速等信息，并由数据采集传输设备发送软件平台。太阳能集热器和生物质锅炉进、出口管路装有CRL-H型户用超声热量表，用于监测系统水流量、温度等信息，全天24h每分钟记录一次测量数据，并上传至汇中供热计量管理平台。在测点供暖房间安装温度传感器，安装位置距地面约1.1m，避开光线直射和环境湿度较大地方且与墙面存在适当距离[15]。本系统主要数据采集装置详细参数见表3。

　　2计算模型

　　2.1系统供热量

　　太阳能供暖系统设计计算时，部分时间段室外环境温度较低或太阳辐照度较弱，太阳能集热器表面散热量大于集热量，无法为系统提供有效热量，以致系统运行效果远离真实工况，即部分时间段太阳辐射无效。为减小误差，选择太阳总辐射100W/㎡以上时间范围作为有效太阳辐照度时间段研究[16]。根据公式（1）、（2）：

　　2.2太阳能贡献率

　　2.3太阳能集热器集热效率

　　2.4经济性分析

　　2.5模糊综合评价

　　模糊综合评价将影响结果的多种因素综合分析，根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，具有结果清晰、系统性强等特点。不同供暖形式各有优势，如太阳能+生物质供暖系统采用清洁能源，对环境污染较小；而燃煤锅炉供暖系统技术成熟，初投资较低，施工维护容易。多方面综合分析无法直接判断两种系统性能好坏，故选择采用模糊数学法将系统性能定量评价。

　　已知建筑供暖系统分析评价指标主要包括经济效益、社会效益和环境效益，本文从初投资、运行费用、设备寿命、施工维护难易程度、安全和环境效益六方面对两种系统综合评价。首先确定对评判事物影响因素组成的因素集U，见式（9）：

　　3结果与分析

　　该典型建筑太阳能+生物质供暖系统的测试周期为2021年1月13日-3月31日。根据标准对室温为16±2℃、日太阳辐射总量不小于14MJ/㎡、室外平均风速不大于4m/s等要求[15]，本研究在1月、2月、3月中分别选取一个典型日（分别为1月13日、2月7日和3月16日）对系统运行数据详细分析。太阳能集热器性能与系统经济分析部分采用数据记录较完整的1月16日-2月14日作为样本分析该户实际供暖情况。

　　3.1室内外温度分析

　　日太阳辐射总量及室内外平均温度随日期变化如图4所示。测试期间日太阳辐射总量为1.28~26.03MJ/㎡，环境平均温度变化范围为-8.5~13.0℃，室内平均温度维持在10.0~20.6℃。1月13日-3月31日测试期间，环境平均温度呈升高趋势，部分阴天使测试期间室外环境日平均温度存在较大波动，但室内平均温度相对稳定。

　　由于农村与城镇居民生活方式及穿衣风格存在差异，严寒和寒冷地区大多农村居民认为较舒适室温范围为13~16℃[24]。如图4所示，测试期间室温平均值在13~16℃附近波动，其中1月16日室外环境平均温度为-8.5℃时，平均室温达12℃，表明该系统能为农村居民提供相对舒适的热环境。

　　2月7日气象数据、室温及系统水温随时间变化如图5所示，太阳辐射0~1030W/㎡，风速0~4.3m/s，环境温度-7.2~3.3℃，室温波动范围为11~20℃，当日平均室温14.4℃，其中最低室温出现在7：00，最高室温位于15：20。生物质锅炉为手动运行模式，于7：05-7：45和18：22-19：25启动，运行期间系统水温上升较快。如图5所示，锅炉运行期间存在系统水温降低的时段，是因锅炉运行末期燃料即将燃尽，供热量小于散热器散热量。关闭锅炉后系统无热量输入，散热器持续向房间供暖，系统水温开始缓慢降低。9：00-17：00太阳能集热器加热系统水向室内供暖，室温逐渐升高至20℃，夜间室温逐渐降低，但仍维持在10℃以上。若遇阴雨天气，可通过调控生物质锅炉使用情况控制室内温度，系统操作简单、安全便捷。

　　3.2系统供热量分析

　　为详细了解系统全天运行状况，以2月7日为例，系统水流量、锅炉进出口水温和太阳能集热器水箱进出口水温每个时段变化情况如图6所示。系统流量基本稳定在0.34m3/h，小时平均水温波动范围为26.1~57.9℃，9：00-17：00段系统水温升高是因白天太阳能集热器吸收太阳能为系统提供热量。如图6所示，6：00-6：59即为6：00时段，此时锅炉水温度最低，据图5知7：05-7：45使用生物质锅炉供暖，故7：00时段水温较高。后因燃料燃尽锅炉停止供暖，高温锅炉水供给系统末端，经散热器、太阳能集热器后流回生物质锅炉。此时无热量输入，故锅炉水温开始下降，并于9：00时段降至最低。同理，19：00时段系统水温升至最高点后下降。

　　生物质锅炉运行状态下，系统水流量、锅炉进出口水温和集热器水箱进出口水温每分钟变化情况如图7所示。生物质锅炉开启后，系统水升温较快，锅炉出口水温由18：19的44.4℃升高至72.7℃仅需20min。锅炉进出口水温差较大，表明生物质锅炉便捷、高效的特点。根据公式（1）~（3），1月13日、2月7日、3月16日太阳能供热量分别为70.38MJ、93.43MJ、87.50MJ；生物质锅炉供热量分别为46.48MJ、20.86MJ、0MJ。

　　典型天生物质锅炉每分钟供热量如图8所示，其中3月16日未使用生物质锅炉，故该日锅炉供热量为0。因手动或自动装填生物质颗粒到炉膛燃烧以加热系统水，生物质锅炉供热量每分钟存在较大波动。刚开始燃烧时，供热量迅速上升并逐渐达到峰值；生物质颗粒即将燃尽时，供热量开始下降并渐趋于零。其中7：40生物质颗粒充分燃烧时，供热量可达0.67MJ/min，7：22-8：13生物质颗粒正常燃烧期间，平均供热量达0.48MJ/min。

　　3.3太阳能集热器性能分析

　　太阳能集热器性能分析如图9所示。随日太阳辐射总量降低，太阳能贡献率降低幅度较大，但集热器集热效率波动较小。1月31日和2月13日太阳能集热器集热效率波动明显，是因阴雨天气迫使用户较大比例使用生物质锅炉供暖，锅炉热量经用户散热设备后由管道输送至集热器水箱，影响太阳能集热器集热量计算。使集热量理论计算结果小于真实值，即公式（5）分子计算结果低于真实值，故集热效率偏低。期间平均太阳能贡献率达68.87%，太阳能集热器集热效率33.35%。

　　3.4经济性分析

　　已知该典型建筑供暖期日平均总供热量82.66MJ，太阳能日平均供热量56.92MJ，生物质锅炉日平均供热量25.74MJ，太阳能贡献率68.87%，供暖期系统总供热量约12482MJ，生物质锅炉总供热量3887MJ。该建筑太阳能+生物质供暖系统与传统燃煤锅炉供暖系统经济分析见表4。

　　生物质颗粒与农村家用煤燃料热值相近，且价格相同。本文旨在通过实测数据对解决未来北方农村地区分散式供暖提供一定参考，因此选择预测未来3~5年煤炭价格情况[19-21]，约为1200元/吨。

　　生物质锅炉热效率高于燃煤锅炉是因其配有专门料仓，可通过控制系统自动装填生物质颗粒至炉膛燃烧，无需开盖手动添加燃料，可有效降低热损。但太阳能+生物质供暖系统中生物质锅炉即开即停的运行模式，需经常引燃燃料，点火棒、控制器耗电费用约为1.5元/天，而燃煤锅炉供暖不需重复引燃煤炭，且无专门自动控制系统，故耗电费用为0。根据公式（7）、（8）在达到相同供暖效果的前提下，采用太阳能+生物质供暖系统可节省煤燃料1193kg，年运行费用仅为传统燃煤锅炉供暖系统的38.52%。

　　相较于燃煤锅炉供暖系统，太阳能+生物质供暖系统多了两台太阳能集热器，且管道铺设及设备安装调试复杂，因此初投资高于燃煤锅炉供暖系统，但年运行费用和设备寿命均优于燃煤锅炉供暖系统，可知太阳能+生物质供暖系统费用年值较低、经济性较好。

　　3.5模糊综合评价

　　利用模糊数学法对太阳能+生物质供暖系统和传统燃煤锅炉供暖系统六项指标定量分析，结果见表5。

　　初投资及运行费用根据长期实测数据于3.4小节中详细介绍，设备寿命主要参考文献[18]、[25]。另外，太阳能+生物质供暖系统主要设备较多、系统复杂、施工维护较难；同时该系统供暖模式自动化程度较高，相对安全。而燃煤锅炉供暖系统虽施工维护容易，但煤炭燃烧不充分致居民CO中毒事件屡见不鲜，系统安全程度较低。虽然燃烧生物质颗粒同样能够产生CO，但该系统采用太阳能和生物质耦合供暖模式，生物质燃烧量较少，且在夜间用户很少使用生物质锅炉；而燃煤锅炉供暖系统需全天燃煤供暖，夜间“封火”以减缓燃煤速率，其风险较高，因此安全程度相对较低。环境效益主要参考文献[18]。

　　代入公式（18）得B=（0.7395，0.6799），太阳能+生物质供暖系统综合评判因子较高。文献[18]也表明，在冬季连续供暖情况下，从经济、社会、环境三方面综合考虑，相较其他类型清洁供暖系统，太阳能耦合生物质能供暖系统是最优选择，在当地生物质资源较丰富时可优先考虑。

　　4结论

　　本文将太阳能+生物质供暖系统应用于农村建筑，长期测试探究不同气候下系统运行效果，基于实测数据分析建筑供暖房间的供暖温度、系统供热量和太阳能集热器性能，并结合费用年值法和模糊数学法对该系统与传统燃煤锅炉供暖系统定量分析，结论如下：

　　（1）2021年1月13日-3月31日测试期间，室温基本维持在较舒适的13~16℃，其中1月16日环境平均温度为-8.5℃时，室内平均温度达12℃，表明该系统提供的热环境可满足农村人口的热舒适要求；

　　（2）3个典型日太阳能供热量分别为70.38MJ、93.43MJ、87.50MJ，生物质锅炉供热量为46.48MJ、20.86MJ、0MJ。随气候变暖，居民对生物质锅炉使用频率变小，锅炉供热量逐渐降低，但在生物质锅炉正常使用期间，平均供热量可达0.48MJ/min。测试期间平均太阳能贡献率达68.87%，太阳能集热器集热效率33.35%；

　　（3）在达到相同供暖效果的前提下，采用太阳能+生物质供暖系统每年可节省煤燃料1193kg，其费用年值较低，运行费用仅为传统燃煤锅炉供暖系统的38.52%；

　　（4）结合初投资、运行费用、设备寿命、施工维护难易、安全性和环境效益六项指标对该系统与传统燃煤锅炉供暖系统利用模糊数学法评价，结果表明该系统（0.7395）优于传统燃煤锅炉供暖系统（0.6799）。