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楊賓1，齊耀1，侯宇田1，薛道榮2，韓成明2，于曉慧1
（1.河北工業大學能源與環境工程學院，天津300401；2.河北道榮新能源科技有限公司，河北邢臺054700）
摘要：北方農村地區的傳統燃煤鍋爐供暖模式不僅能源利用效率低且環境污染嚴重，亟待推行清潔、高效、可持續的農村供暖新模式。太陽能+生物質供暖模式是多種清潔能源協同供暖方式，在太陽能充足、生物質易獲得的華北地區有廣泛的應用前景。將太陽能+生物質供暖系統用于秦皇島農村某典型建筑中，并對該系統的運行參數進行長期實時監測。基于實測數據分析該典型建筑供暖房間的熱舒適性、系統供熱量和太陽能集熱器性能，利用費用年值法對系統經濟性評價，采用模糊數學法對該系統與傳統燃煤鍋爐供暖系統在初投資、運行費用、設備壽命、施工維護難易、安全性和環境效益六項指標進行對比分析。結果表明：供暖期室溫相對穩定，基本維持在較舒適的13~16℃；供暖期總供熱量約為12482MJ，其中太陽能貢獻率68.87%，太陽能集熱器效率為33.35%；該系統費用年值較低，每年節省煤燃料1193kg；模糊數學法綜合評價表明該系統綜合評判因子較高，其中運行費用、設備壽命、安全性和環境效益均優于燃煤鍋爐供暖系統，對北方農村建筑供暖，節能改造具有參考意義。
0引言
據BP世界能源統計年鑒數據顯示，近年來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]，中國作為世界上最大的能源消耗國[2]，其北方地區傳統燃煤鍋爐供暖能源效率低下，一次能源浪費巨大，室內熱舒適不足，易給居民帶來嚴重的健康安全問題[3]。太陽能作為主要可再生能源，其開發利用被認為是解決化石燃料燃燒問題的有效途徑[4]。如今，太陽能供暖在全球范圍內有廣泛應用，德國農村家庭已開始使用太陽能供暖，產生了較好的節能性和熱舒適性，非洲同樣有許多國家在家庭供暖中利用太陽能[3]。然而，太陽能存在間歇性和不穩定性等缺點，單靠其無法為家庭提供穩定、連續的供暖服務，需選擇合適的輔助熱源與太陽能聯合運行，如天然氣[5]、熱泵[6]、生物質[3]等。燃氣供暖需配備輸氣管網，工程難度大且施工周期長；熱泵供暖需考慮冬季除霜問題，效率低且初投資較高；生物質具有穩定、環保、投資較低等優點[7]。中國北方農村地區生物質資源豐富，可優先考慮作為太陽能的輔助熱源[8]。
已有國內外學者對太陽能+生物質供暖系統進行了理論和實驗研究。如太原理工大學張興惠等人對太陽能耦合生物質能供暖系統進行研究，通過能源利用率及火用效率分析證明該系統有較好的發展前景[3]。韓中合等人基于太陽能和生物質能建立農村戶用型供暖系統，根據當地建筑特點模擬系統運行特性，取得了良好的資源效益和環境效益[9]。Palomba等人基于太陽能集熱器、生物質鍋爐和混合熱泵系統潛力，通過分析3個城市的不同氣候特點，討論100%可再生能源系統可能性，并成功驗證該系統應用價值[10]。Yassen等人實驗研究太陽能耦合生物質能干燥辣椒系統性能，結果表明耦合系統比沒有生物質的系統效率可提高5.7%[11]。
綜上，太陽能+生物質供暖系統的研究多在系統建模仿真和短期實驗測試階段，缺乏系統長期運行數據和綜合的性能評估。本文將太陽能與生物質能耦合，實現多種清潔能源協同供暖，長期監測記錄不同氣候下系統運行情況，綜合分析系統性能，并結合初投資、運行費用、設備壽命、施工維護難易、安全性和環境效益六項指標對該系統與傳統燃煤鍋爐供暖系統利用費用年值法和模糊數學法評價。本研究結果為太陽能+生物質供暖系統在北方農村的推廣應用提供重要的數據支撐，對解決農村地區分散式供暖具有一定的參考意義。
1建筑及系統介紹
1.1建筑概況
本研究的典型示范建筑位于河北省秦皇島北戴河新區東河南小莊，該建筑是長8m、寬6.5m、高3m的單層建筑，其戶型如圖1所示。其中，儲物間和走廊不供暖，僅對臥室供暖，圖中G表示生物質鍋爐。建筑材料及其傳熱系數等詳細信息見表1。
1.2系統構成及原理介紹
太陽能+生物質供暖系統主要設備包括太陽能集熱器、生物質鍋爐和散熱器。本文選用真空管型太陽能集熱器具有真空防凍、保溫性好等優點[12，13]，生物質鍋爐安裝于太陽能集熱器模塊與散熱系統模塊之間，作為第二熱源加熱的系統水向房間供熱[14]。根據農村家庭情況，采用方便維護檢修的散熱器作為系統末端，系統原理如圖2所示。
系統循環水經太陽能集熱器吸收太陽能升溫后進入生物質鍋爐，再次升溫后到達供暖系統末端設備-散熱器。太陽能集熱器全天運行，生物質鍋爐可設置自動或手動運行：自動模式當鍋爐入口處水溫低于40℃時，生物質鍋爐自動運行，自動實現填料、點火等操作，入口處水溫高于55℃時，鍋爐自動結束運行；手動模式即根據室溫情況，人為控制、手動開啟運行生物質鍋爐。供暖系統主要設備詳細參數見表2，系統設備及生物質顆粒燃料實物如圖3所示。
1.3數據采集裝置
太陽能集熱器附近安裝太陽能輻射儀表，與集熱器同向同傾角，分別測量太陽輻射強度、環境溫度、風速等信息，并由數據采集傳輸設備發送軟件平臺。太陽能集熱器和生物質鍋爐進、出口管路裝有CRL-H型戶用超聲熱量表，用于監測系統水流量、溫度等信息，全天24h每分鐘記錄一次測量數據，并上傳至匯中供熱計量管理平臺。在測點供暖房間安裝溫度傳感器，安裝位置距地面約1.1m，避開光線直射和環境濕度較大地方且與墻面存在適當距離[15]。本系統主要數據采集裝置詳細參數見表3。
2計算模型
2.1系統供熱量
太陽能供暖系統設計計算時，部分時間段室外環境溫度較低或太陽輻照度較弱，太陽能集熱器表面散熱量大于集熱量，無法為系統提供有效熱量，以致系統運行效果遠離真實工況，即部分時間段太陽輻射無效。為減小誤差，選擇太陽總輻射100W/㎡以上時間范圍作為有效太陽輻照度時間段研究[16]。根據公式（1）、（2）：
2.2太陽能貢獻率
2.3太陽能集熱器集熱效率
2.4經濟性分析
2.5模糊綜合評價
模糊綜合評價將影響結果的多種因素綜合分析，根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，具有結果清晰、系統性強等特點。不同供暖形式各有優勢，如太陽能+生物質供暖系統采用清潔能源，對環境污染較小；而燃煤鍋爐供暖系統技術成熟，初投資較低，施工維護容易。多方面綜合分析無法直接判斷兩種系統性能好壞，故選擇采用模糊數學法將系統性能定量評價。
已知建筑供暖系統分析評價指標主要包括經濟效益、社會效益和環境效益，本文從初投資、運行費用、設備壽命、施工維護難易程度、安全和環境效益六方面對兩種系統綜合評價。首先確定對評判事物影響因素組成的因素集U，見式（9）：
3結果與分析
該典型建筑太陽能+生物質供暖系統的測試周期為2021年1月13日-3月31日。根據標準對室溫為16±2℃、日太陽輻射總量不小于14MJ/㎡、室外平均風速不大于4m/s等要求[15]，本研究在1月、2月、3月中分別選取一個典型日（分別為1月13日、2月7日和3月16日）對系統運行數據詳細分析。太陽能集熱器性能與系統經濟分析部分采用數據記錄較完整的1月16日-2月14日作為樣本分析該戶實際供暖情況。
3.1室內外溫度分析
日太陽輻射總量及室內外平均溫度隨日期變化如圖4所示。測試期間日太陽輻射總量為1.28~26.03MJ/㎡，環境平均溫度變化范圍為-8.5~13.0℃，室內平均溫度維持在10.0~20.6℃。1月13日-3月31日測試期間，環境平均溫度呈升高趨勢，部分陰天使測試期間室外環境日平均溫度存在較大波動，但室內平均溫度相對穩定。
由于農村與城鎮居民生活方式及穿衣風格存在差異，嚴寒和寒冷地區大多農村居民認為較舒適室溫范圍為13~16℃[24]。如圖4所示，測試期間室溫平均值在13~16℃附近波動，其中1月16日室外環境平均溫度為-8.5℃時，平均室溫達12℃，表明該系統能為農村居民提供相對舒適的熱環境。
2月7日氣象數據、室溫及系統水溫隨時間變化如圖5所示，太陽輻射0~1030W/㎡，風速0~4.3m/s，環境溫度-7.2~3.3℃，室溫波動范圍為11~20℃，當日平均室溫14.4℃，其中最低室溫出現在7：00，最高室溫位于15：20。生物質鍋爐為手動運行模式，于7：05-7：45和18：22-19：25啟動，運行期間系統水溫上升較快。如圖5所示，鍋爐運行期間存在系統水溫降低的時段，是因鍋爐運行末期燃料即將燃盡，供熱量小于散熱器散熱量。關閉鍋爐后系統無熱量輸入，散熱器持續向房間供暖，系統水溫開始緩慢降低。9：00-17：00太陽能集熱器加熱系統水向室內供暖，室溫逐漸升高至20℃，夜間室溫逐漸降低，但仍維持在10℃以上。若遇陰雨天氣，可通過調控生物質鍋爐使用情況控制室內溫度，系統操作簡單、安全便捷。
3.2系統供熱量分析
為詳細了解系統全天運行狀況，以2月7日為例，系統水流量、鍋爐進出口水溫和太陽能集熱器水箱進出口水溫每個時段變化情況如圖6所示。系統流量基本穩定在0.34m3/h，小時平均水溫波動范圍為26.1~57.9℃，9：00-17：00段系統水溫升高是因白天太陽能集熱器吸收太陽能為系統提供熱量。如圖6所示，6：00-6：59即為6：00時段，此時鍋爐水溫度最低，據圖5知7：05-7：45使用生物質鍋爐供暖，故7：00時段水溫較高。后因燃料燃盡鍋爐停止供暖，高溫鍋爐水供給系統末端，經散熱器、太陽能集熱器后流回生物質鍋爐。此時無熱量輸入，故鍋爐水溫開始下降，并于9：00時段降至最低。同理，19：00時段系統水溫升至最高點后下降。
生物質鍋爐運行狀態下，系統水流量、鍋爐進出口水溫和集熱器水箱進出口水溫每分鐘變化情況如圖7所示。生物質鍋爐開啟后，系統水升溫較快，鍋爐出口水溫由18：19的44.4℃升高至72.7℃僅需20min。鍋爐進出口水溫差較大，表明生物質鍋爐便捷、高效的特點。根據公式（1）~（3），1月13日、2月7日、3月16日太陽能供熱量分別為70.38MJ、93.43MJ、87.50MJ；生物質鍋爐供熱量分別為46.48MJ、20.86MJ、0MJ。
典型天生物質鍋爐每分鐘供熱量如圖8所示，其中3月16日未使用生物質鍋爐，故該日鍋爐供熱量為0。因手動或自動裝填生物質顆粒到爐膛燃燒以加熱系統水，生物質鍋爐供熱量每分鐘存在較大波動。剛開始燃燒時，供熱量迅速上升并逐漸達到峰值；生物質顆粒即將燃盡時，供熱量開始下降并漸趨于零。其中7：40生物質顆粒充分燃燒時，供熱量可達0.67MJ/min，7：22-8：13生物質顆粒正常燃燒期間，平均供熱量達0.48MJ/min。
3.3太陽能集熱器性能分析
太陽能集熱器性能分析如圖9所示。隨日太陽輻射總量降低，太陽能貢獻率降低幅度較大，但集熱器集熱效率波動較小。1月31日和2月13日太陽能集熱器集熱效率波動明顯，是因陰雨天氣迫使用戶較大比例使用生物質鍋爐供暖，鍋爐熱量經用戶散熱設備后由管道輸送至集熱器水箱，影響太陽能集熱器集熱量計算。使集熱量理論計算結果小于真實值，即公式（5）分子計算結果低于真實值，故集熱效率偏低。期間平均太陽能貢獻率達68.87%，太陽能集熱器集熱效率33.35%。
3.4經濟性分析
已知該典型建筑供暖期日平均總供熱量82.66MJ，太陽能日平均供熱量56.92MJ，生物質鍋爐日平均供熱量25.74MJ，太陽能貢獻率68.87%，供暖期系統總供熱量約12482MJ，生物質鍋爐總供熱量3887MJ。該建筑太陽能+生物質供暖系統與傳統燃煤鍋爐供暖系統經濟分析見表4。
生物質顆粒與農村家用煤燃料熱值相近，且價格相同。本文旨在通過實測數據對解決未來北方農村地區分散式供暖提供一定參考，因此選擇預測未來3~5年煤炭價格情況[19-21]，約為1200元/噸。
生物質鍋爐熱效率高于燃煤鍋爐是因其配有專門料倉，可通過控制系統自動裝填生物質顆粒至爐膛燃燒，無需開蓋手動添加燃料，可有效降低熱損。但太陽能+生物質供暖系統中生物質鍋爐即開即停的運行模式，需經常引燃燃料，點火棒、控制器耗電費用約為1.5元/天，而燃煤鍋爐供暖不需重復引燃煤炭，且無專門自動控制系統，故耗電費用為0。根據公式（7）、（8）在達到相同供暖效果的前提下，采用太陽能+生物質供暖系統可節省煤燃料1193kg，年運行費用僅為傳統燃煤鍋爐供暖系統的38.52%。
相較于燃煤鍋爐供暖系統，太陽能+生物質供暖系統多了兩臺太陽能集熱器，且管道鋪設及設備安裝調試復雜，因此初投資高于燃煤鍋爐供暖系統，但年運行費用和設備壽命均優于燃煤鍋爐供暖系統，可知太陽能+生物質供暖系統費用年值較低、經濟性較好。
3.5模糊綜合評價
利用模糊數學法對太陽能+生物質供暖系統和傳統燃煤鍋爐供暖系統六項指標定量分析，結果見表5。
初投資及運行費用根據長期實測數據于3.4小節中詳細介紹，設備壽命主要參考文獻[18]、[25]。另外，太陽能+生物質供暖系統主要設備較多、系統復雜、施工維護較難；同時該系統供暖模式自動化程度較高，相對安全。而燃煤鍋爐供暖系統雖施工維護容易，但煤炭燃燒不充分致居民CO中毒事件屢見不鮮，系統安全程度較低。雖然燃燒生物質顆粒同樣能夠產生CO，但該系統采用太陽能和生物質耦合供暖模式，生物質燃燒量較少，且在夜間用戶很少使用生物質鍋爐；而燃煤鍋爐供暖系統需全天燃煤供暖，夜間“封火”以減緩燃煤速率，其風險較高，因此安全程度相對較低。環境效益主要參考文獻[18]。
代入公式（18）得B=（0.7395，0.6799），太陽能+生物質供暖系統綜合評判因子較高。文獻[18]也表明，在冬季連續供暖情況下，從經濟、社會、環境三方面綜合考慮，相較其他類型清潔供暖系統，太陽能耦合生物質能供暖系統是最優選擇，在當地生物質資源較豐富時可優先考慮。
4結論
本文將太陽能+生物質供暖系統應用于農村建筑，長期測試探究不同氣候下系統運行效果，基于實測數據分析建筑供暖房間的供暖溫度、系統供熱量和太陽能集熱器性能，并結合費用年值法和模糊數學法對該系統與傳統燃煤鍋爐供暖系統定量分析，結論如下：
（1）2021年1月13日-3月31日測試期間，室溫基本維持在較舒適的13~16℃，其中1月16日環境平均溫度為-8.5℃時，室內平均溫度達12℃，表明該系統提供的熱環境可滿足農村人口的熱舒適要求；
（2）3個典型日太陽能供熱量分別為70.38MJ、93.43MJ、87.50MJ，生物質鍋爐供熱量為46.48MJ、20.86MJ、0MJ。隨氣候變暖，居民對生物質鍋爐使用頻率變小，鍋爐供熱量逐漸降低，但在生物質鍋爐正常使用期間，平均供熱量可達0.48MJ/min。測試期間平均太陽能貢獻率達68.87%，太陽能集熱器集熱效率33.35%；
（3）在達到相同供暖效果的前提下，采用太陽能+生物質供暖系統每年可節省煤燃料1193kg，其費用年值較低，運行費用僅為傳統燃煤鍋爐供暖系統的38.52%；
（4）結合初投資、運行費用、設備壽命、施工維護難易、安全性和環境效益六項指標對該系統與傳統燃煤鍋爐供暖系統利用模糊數學法評價，結果表明該系統（0.7395）優于傳統燃煤鍋爐供暖系統（0.6799）。
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