基于TRNSYS的北方農村地區多能源互補系統優化設計

孫志鵬

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司火力發電技術研究院，北京 100043)

近年來，我國農村地區清潔供暖得到大力提倡，得力于北方農村地區充足的陽光輻射量、生物質能豐富等因素，空氣源熱泵、太陽能、生物質等清潔能源已經得到了比較廣泛的應用[1-2]，但由于運行方式不合理、農宅保溫性能差等問題[3]，同時不同清潔能源之間不能夠很好地互補，導致農村地區冬季供暖費用過高，清潔供暖的發展受到極大限制。

針對上述問題，國內外學者在系統優化配置及不同能源間的互補方式等方面，進行了大量的數值與實驗研究。張甫仁[4]等針對農村環境建立了一種太陽能耦合沼氣的聯合供暖系統，并基于試驗方法，實測并分析了聯合供暖系統的運行規律及節能效果，結果表明，該太陽能耦合沼氣聯合供暖系統運行穩定，節能效果顯著，但其初投資較高且生物質能需求較大，沒有考慮農村每戶平均生物質能總量不足的問題；張鑫[5]等基于實驗方法研究了太陽能儲能系統運行特性，結果表明該系統能夠在極端天氣下保證室內溫度不低于20 ℃，且能夠有效代替傳統的鍋爐集中供暖方式；陳闖[6]等提出一種適用于北方農村的基于太陽能、空氣源熱泵、生物質耦合的聯合供暖系統，基于TRNSYS數值分析方法，分析了系統供暖運行特性，仿真結果表明，該系統制熱穩定，太陽能貢獻率高達43%，且生物質能源得到了靈活應用；ZHANG Xing-hui[7]等結合Energyplus軟件與實驗方法研究了一種適用于農村供暖的太陽能-生物質多能互補系統，研究表明該系統運行穩定，其中生物質能占比約三分之二，供暖系統一次能源利用率高達66.67%；韓中合[8]等以我國北方嚴寒農村地區農宅為研究對象，基于太陽能與生物質提出了農村分散型供暖系統，基于動態數值分析的方法，分析了系統運行特性，研究表明該分散式供暖系統可減少散煤燃燒2.85t，年節約5446元，供暖效果較好；A.M. Hemeida[9]等結合實驗與數值方法，研究了埃及某農村地區太陽能耦合風能系統運行特性，并結合實測的當地太陽能輻射數據與風能源數據給出了最優方案；陳孚江[10]等利用TRNSYS軟件，建立了土壤源熱泵熱水復合系統模型并對其進行數值研究，結果表明TRNSYS能夠準確仿真系統運行特性，該熱泵熱水復合系統能夠為冷熱負荷較大地區建筑供冷、供熱及生活熱水，運行平穩。

綜上所述，目前針對北方農村清潔供暖的研究中，清潔能源與空氣源熱泵之間缺少深度耦合設計，對農村當地生物質能源的種類及全年分布規律考慮較少，本文基于TRNSYS/GenOpt軟件，首次提出了一種針對農村散戶的多能互補供暖系統及其多能耦合運行控制方案，并對系統互補運行控制策略進行優化，實現了生物質能、太陽能及空氣源熱泵間多能互補的最大化。

1 系統概述

農戶宅院可設計較大的地下儲熱水箱，農作物秸稈、家畜養殖糞便、廚房垃圾等生物質能源豐富，用于供暖不僅可以減少秸稈還田造成的病蟲害問題，而且生物質能源供熱受環境溫度影響較小，應用方式靈活；同時，農宅供暖采用單獨的空氣源熱泵系統，當室外溫度較低時，熱泵制熱效率大大降低，是造成農宅供暖運行費用過高的主要原因之一。本文結合河北石家莊西北部山區某農村實際情況，提出了采用太陽能儲能、生物質能及空氣源熱泵系統的多能源聯合供暖系統，旨在充分利用不同清潔能源之間互補特性，降低農宅供暖費用，提高清潔能源利用效率。農村住宅沼氣-生物質燃燒-太陽能集熱器-空氣源熱泵-儲能多能互補供暖系統示意圖如圖1所示。

圖1 農宅生物質-太陽能-空氣源熱泵-儲能多能互補供暖系統示意圖

該系統分為兩個子系統：空氣源熱泵系統與太陽能-生物質供暖系統。

2 實例分析

2.1 農村住宅建筑概況

本文以石家莊市西北部山區一處單層農宅為研究對象，住宅為1層平房，建筑面積為108 m2，建筑長10 m，寬10.8 m，房屋高度4 m，房屋四周未設置保溫層。

2.2 當地氣象數據及熱負荷預測

應用TRNSYS軟件的氣象參數模塊讀取了石家莊市氣象參數，包括全年逐時的室外溫度、太陽輻射量，基于建筑能耗計算模塊獲得了農宅供暖季逐時熱負荷，采暖季從11月15日0時開始，到第二年3月15日結束，供暖季計算熱負荷50W/m2，最大熱負荷為22 500 kJ/h，累計熱負荷為6.1×107 kJ。

2.3 當地生物質資源分析

根據實際調研情況，該地區生物質資源主要分為動物糞便、廚房垃圾及秸稈等，其中動物糞便主要由大型養殖場產生，秸稈包括玉米秸稈、小麥秸稈、高粱谷物等。

其中動物糞便與廚房垃圾用于沼氣池發酵，沼氣產量受氣候影響較大，冬季產量較低，因此本文設置沼氣存儲設備，將夏季產生的沼氣除去廚房需求，全部儲存。

農村建設有大型養殖場，基于實際調研數據，得到該地區沼氣-月份分布圖，如圖2所示。

圖2 全年沼氣產量-時間分布圖

其中，沼氣低位熱能取23.6 MJ/m3，根據實測數據及調研情況，取沼氣壁爐制熱效率為0.8。秸稈資源較為豐富，有利于冬季取暖，因此設置生物質鍋爐。基于實際調研數據，平均每戶10畝地計算，得到該地區全年秸稈分布規律，如圖3所示。

圖3 全年逐月秸稈產量分布圖

其中，秸稈燃燒低位發熱量取12.6 MJ/kg，根據實測數據及調研數據，生物質燃燒供暖模塊制熱效率取0.7。

3 仿真分析及配置優化

3.1 數學模型

3.1.1 太陽能集熱器

假設系統中的太陽能集熱器按照最佳傾角安裝，集熱器總集熱量計算公式如式(1)與式(2)所示。

Q總=J·S·A

(1)

(2)

式中Q總——集熱器總集熱量/MJ；

J——集熱器面輻射度/MJ·(m2·h)-1；

S——集熱時長/h；

A——集熱器面積/m2；

JB——水平面輻射度/MJ·(m2·h)-1；

JD——散射輻射度/MJ·(m2·h)-1；

α——當地維度/°。

3.1.2 生物質發熱量計算

根據不同的低位熱值及燃燒系數，生物質燃料燃燒總發熱量計算公式如式(3)所示

(3)

式中Q生——生物質總熱量/MJ；

qri——第i種生物質低位熱值/MJ·kg-1;

εi——第i種生物質燃燒系數，在本文研究種，通過實測數據，對該系數進行校正；

Mi——第i種生物質總量/kg。

3.2 仿真模型建立及驗證

應用TRNSYS軟件對提出的農村住宅供暖系統進行仿真模擬，建立了包括沼氣模塊、生物質鍋爐、太陽能集熱器、空氣源熱泵、蓄熱水箱等部件在內系統模型。沼氣系統-生物質燃燒-太陽能集熱器-空氣源熱泵-儲能罐多能互補供暖系統仿真模型圖如圖4所示。

圖4 生物質-太陽能-空氣源熱泵-儲能模型圖

其中不同的系統運行模式包括：

(1)原始工況，即空氣源熱泵系統單獨供熱。如圖4所示，該運行模式下，通過修改混合閥與分水閥控制信號來實現空氣源熱泵系統單獨制熱，而太陽能+生物質系統停止運行；

(2)互補運行模式，結合空氣源熱泵運行曲線能夠發現，當室外溫度較低時空氣源熱泵系統COP明顯降低，而生物質系統受室外溫度影響較小，因此當室外溫度較高(比如≥1 ℃)時，由空氣源熱泵系統供熱，而當室外溫度較低時(比如低于1 ℃)時，空氣源熱泵停止運行，首先由太陽能儲能供熱，耗盡后由生物質能供暖。如圖4所示，在該運行模式中，通過檢測室外溫度、室外輻射量及Type14信號控制混合閥及分水閥，實現不同室外溫度下空氣源熱泵的啟停，保證其制熱性能保持在較高水平，通過檢測熱泵水箱及太陽能儲熱水箱水溫控制生物質模塊的啟停。

本文基于農宅太陽能集熱器實際使用情況，結合劉艷峰[11]等提出的太陽能采暖系統所需儲熱水箱容積計算公式，設定了多能互補供暖系統中太陽能蓄熱水箱主要參數，并基于某典型日逐時的儲熱水箱實測數據，對集熱器模型進行驗證，仿真結果與實測數據對比誤差如圖5所示。

圖5 太陽能集熱器模型驗證

驗證結果如圖5所示，太陽能集熱器儲熱水箱平均溫度仿真結果與實測數據最大誤差為8%，誤差較小，由此可知該太陽能集熱器模型計算精度較高，能夠準確計算太陽能集熱器運行情況。

系統模型中空氣源熱泵模塊已經在其他文章中進行了校核驗證，首先運用TRNSYS軟件，基于驗證過的房屋供暖能耗模型建立了空氣源熱泵供暖系統動態仿真模型，通過對比典型日熱泵啟停時間比、典型日系統電耗量對本文中的空氣源熱泵模型外部性能文件進行了校核驗證。

本文主要考慮了玉米秸稈、小麥秸稈及其他生物質燃料三種生物質能，不同生物質能的燃燒系數根據實測數據進行了校正，最終玉米秸稈為0.73，小麥秸稈為0.74，其他為0.8，從而根據公式(3)，基于Fortran語言，在TRNSYS仿真平臺建立了新的生物質燃燒模塊。

3.3 系統仿真結果分析

供暖季設置為11月16日至次年3月15日，根據三種不同運行模式特點，取兩個典型日為：典型日1為首供暖日，即11月16日0時至24時，對應于1～24 h；典型日2為冬至日，即12月21日0時至24時，對應于25～49 h。

空氣源熱泵單獨運行時，結合熱泵COP能效曲線可知，室外溫度較高時，供暖負荷較低且熱泵能效較高，此時系統供暖能耗低，節能效果較好；而其他時刻，室外溫度降低，此時不僅供暖負荷增加，且空氣源熱泵能效降低，從而導致熱泵能耗大大增加。

相對于空氣源熱泵制熱性能受室外溫度影響較大，生物質能燃燒供暖基本不受環境溫度影響，同時太陽能集熱器產生的熱水并不用于實時的供暖，而是儲存于儲熱水罐，用于室外溫度較低時的農宅供暖，因此也不容易受環境溫度影響。

針對這一問題，本文提出互補運行模式，其運行特性如圖6所示。

圖6 系統互補運行模式熱平衡分析

由圖6能夠看到，當室外溫度較高時(中午11時～下午17時)，空氣源熱泵制熱，且此時的太陽能以熱水形式儲存起來，當室外溫度較低時(或晚上20時后)，太陽能儲熱優先制熱，當儲熱耗盡時，則由生物質能制熱。

由COP圖能夠看到，互補運行模式運行工況下，熱泵基本保持較高的制熱效率，避免了在低制熱能效且高制熱負荷時運行，從而有效降低了能耗。

3.5 系統配置優化

本文基于TRNSYS/GenOpt功能模型，以年運行費用最低為優化目標，對多能供暖系統不同運行模式的臨界切換溫度進行優化，臨界切換溫度指由生物質能替代空氣源熱泵供暖的室外臨界溫度，優化范圍-5～3 ℃，間隔1 ℃。

系統能耗主要包括空氣源熱泵系統電耗負荷側循環泵及太陽能集熱器水泵電耗，見公式(4)所示

Ctotal=(J熱泵系統+J集熱水泵+J循環系統)×β+∑Mγ

(4)

式中Ctotal——系統運行總費用;

β——當地電價;

M與γ——生物質能總消耗質量及其價格。

結合當地實際情況，當生物質能消耗量小于圖4所示每戶全年總產量時，價格為零，反之則設置為一個極大值(即不購買生物質能)；當地電價為小于1 000 kWh時為0.5元/kWh，否則為0.8元/kWh。

優化結果表明，臨界切換溫度最優解為-3 ℃，此時文中提出的多能互補供暖系統采暖季運行費用最低，為4 100元，相較于原有的空氣源熱泵單獨供暖系統，降低農宅取暖費用約21%。圖7為不同臨界切換溫度時整個供暖季系統運行電耗量及生物質能消耗情況，其中耗電量指系統總運行費用，生物質能指其總剩余量，1～5時分別對應11月、12月、1月、2月及3月，“太陽能+生物質”指的是二者低位熱值之和。

圖7 系統運行能耗及生物質能消耗情況

如圖7所示，不同的臨界切換溫度直接影響生物質能在整個供暖季的消耗規律，由于生物質能總量與農宅供暖季總能耗為定值，而空氣源熱泵制熱效率隨著溫度降低而明顯降低，因此只有使生物質能最大化代替空氣源熱泵的低能效運行，才能夠實現系統多能互補的最大化。結合典型日系統運行特性可知，當臨界切換溫度大于-3℃時，生物質能過早的被消耗在室外溫度較高工況下，而后續供暖季，空氣源熱泵需要在較低的室外溫度下運行，增加了運行費用，且供暖期早期(11月15日～12月15日)系統運行費用在整個供暖季占比較小，主要費用產生在供暖季中期，因此臨界切換溫度高于-3℃時，其大小變化對系統總運行費用影響較小；而當臨界切換溫度低于-3℃時，供暖季結束時生物質能尚未用盡，且直接增加了空氣源熱泵低能效狀態運行時間，則不能夠充分利用生物質能，從而不能夠有效降低系統運行費用，且對系統總運行費用影響較大。

仿真結果表明，臨界切換溫度設置為-3℃時，整個供暖季生物質能供暖占比約17%。

4 結論

本文基于實測數據與數值分析方法，針對河北西北部山區某農村農宅清潔供暖系統，結合當地清潔資源稟賦，提出了生物質能+太陽能+空氣源熱泵供暖系統，并基于TRNSYS/OPT軟件對系統運行控制策略進行優化。得到結論：

(1)本文提出的多能互補供暖系統及其運行控制策略能夠充分利用農村地區多種能源進行冬季供暖，系統運行平穩，“生物質能+太陽能”制熱系統能夠與空氣源熱泵系統有效互補；

(2)多能互補供暖系統不同運行模式的最佳臨界切換溫度為-3 ℃，此時系統運行費用降低至4 100元，較單獨的空氣源熱泵供暖降低約21%，其中生物質能供暖貢獻率約為17%。

(3)供暖期早期(11月15日～12月15日)系統運行費用在整個供暖季占比較小，主要費用產生在供暖季中期，因此臨界切換溫度高于-3 ℃時，其大小變化對系統總運行費用影響較小；而當臨界切換溫度低于-3 ℃時，供暖季結束時生物質能尚未用盡，直接增加了空氣源熱泵低能效狀態運行時間，其大小變化對系統總運行費用影響較大。