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“生物质能+太阳能”纠合供暖体系是否可治理北

文章来源:未知    时间:2019-10-05
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  为了改善北方农村地区冬季供暖效果,文章以太阳能与生物质能联合供暖系统为基础,山西省吕梁市归化村100m²的农村住宅为实验平台,通过对供暖季系统运行状态的实时监测,数据的采集整理,并与太阳能加辅助电加热供暖系统进行比较得出本系统良好的热舒适性及节能性。

  实验表明,太阳能与生物质能联合供暖下房间各时段平均温度维持在17.3℃~17.5℃且波动不超过±0.5℃。比较了常见辅助热源的经济效益,并计算了本系统的环境效益,对本系统在北方农村地区的应用与推广提供了理论依据。

  煤在北方地区供暖现阶段依然占据主力位置,但其用作供暖能耗较大。而且煤炭品质参差不齐,燃烧不充分,会产生大量的S和N氧化物污染环境旧。农村无天然气管网,热泵空调因国内厂家技术不过关,始终无法达到高效、节能指标,造成无法使用其在北方大规模采暖。太阳能作为一种清洁能源虽然具有普遍性、长久性,但它受季节、地理、天气等自然条件的限制影响,到达地面的辐射量是间断的,不稳定的,目前在太阳能储存上面临很多技术难题,为了进行连续供暖,必将增加集热器面积,水箱容积,提高初投资费用,单独使用太阳能在农村中供暖并不理想。

  生物质能是来源于太阳能的一种可再生能源,具有含碳量低的特点,我国每年生物质资源量折合7亿吨标准煤。发展包含生物质能在内的可再生能源不仅能够优化能源结构,而且有助于减轻温室效应和生态良性循环,可替代部分石油、煤炭等化石燃料,成为解决能源与环境问题的重要途径之一。

  生物质固体成型燃料技术是在一定温度和压力作用下,把木质素充当粘合剂将松散的秸秆、树枝和木屑等农林生物质压缩成棒状,块状或颗粒状等成型燃料。木质、棉杆和玉米秸秆为原材料的3种燃料NO排放量均在0.05%以下,CO也不高于1%。

  由于我国北方农村地区有丰富的生物质能源和太阳能资源,燃料运输成本低,高效环保的生物质锅炉辅助太阳能供热系统的开发和利用,对形成具有清洁、高效、舒适、可持续的村镇供暖模式,有着重要的意义,与煤相比,生物质固体燃料排放的温室气体不到煤的l/9,能源环境效益巨大。

  生物质-太阳能联合供暖系统是将生物质燃料作为辅助热源,在阳光充足时发挥太阳能的作用,太阳能提供热量,生物质锅炉不运行;而在气候不好的时候生物质炉弥补太阳能供热的不足,两者切换使用降低了运行成本,提高了生物质炉的使用寿命,无需为了增加集热器面积而增加初投资,降低成本。

  目前,对此系统的研究主要集中于对系统的设计上,鲜少有研究人员对此系统做具体实验分析。因此,本文以山西省吕梁市归化村一农宅为研究对象,通过对该系统进行完备的数据采集与数值计算,分析对比其可行性与经济性。本次测试对象是实际住户而非实验室人工模拟环境,所以测试结果更能真正反映出该系统在不同工况下的供暖特性;并且能在一定程度上对该系统在北方农村地区的应用提供参考。

  规划村位于寒冷地区,1月份是每年最寒冷的季节,故选择在2016年12月份至2017年2月份进行测试,便于观测该系统在最不利气候条件下的应对能力。选择了一家具有地暖的典型农户作为测试对象(见图1),并在该系统设计的同时加人了电加热系统进行对比测试,为了满足房间整体供暖需求,经负荷计算后,选择功率为6 kW的电加热棒置于水箱内部,在室内控制系统启停的时间。该宅建于2002年,正门朝南,有足够的日照,房前有一庭院,房屋平面图见图2。

  在本次试验中,试验位于吕梁市信义镇归化村,房间采暖面积为100m²。供暖的热负荷经过计算为5982.3 W,供暖方式为全天供暖,每天供暖时长为24h,所需热量为144 kW·h。本次供试系统共有18块光热板,通过并联的形式将两组串联的光热板连接在一起,其中一组太阳能集热器包含8块集热板,另一组太阳能集热器包含10块集热板。根据现阶段测试,晴朗天气下,太阳的平均光照强度为(9:30一16:00)760 w·m-2,平均流量0.6lt·h-1,平均进水温度28℃,出水温度40℃,平均温升12℃,平均光热效率50%。因此1块太阳能集热板1天可收集5.32 kW·h的热量。晴天时每天可向房间供给热量95.76 kW·h。晴天时,白天由太阳能供暖,晚上21:00点开始用生物质炉供暖到第2天早上7:00点;隔天采用电加热作为辅助热源供热,同样从晚上21:00供暖至第2天早上7:00点。

  系统设计应该使用户室内温度在最冷天达到《寒冷地区居住建筑节能设计标准》中的要求,整个系统简单合理、管路紧凑明确,保证生活用水的水质量,保证太阳能集热器的效率。根据以上设计要求,考虑经济因素,工程费用,设计出图3所示方案。

  状态1:当太阳能集热器出水温度与储热水箱内水的温差Tb-Ts≥5℃,并且室内温度T0>18℃时,此时太阳辐射较强,太阳能集热器出水温度较高,并且房间温度过高,系统可以暂时停止向房间供热,将多余热量储存在水箱中。此时系统将水箱的旁通管路关闭,将水箱进出口阀门打开,使水流经水箱后直接回到太阳能集热器形成循环。

  状态2:当太阳能集热器出水温度与储热水箱内水的温差Tb-Ts≥5℃,并且室内温度T0<16℃时,此时太阳辐射较强,太阳能集热器出水温度较高,但是房间温度过低,可以将太阳能集热器的供水不经水箱直接供给采暖用户。

  状态3:当太阳能集热器出水温度与储热水箱内水的温差Tb-Ts<5℃,并且室内温度T0>18℃时,此时太阳辐较小,房间温度达到采暖温度,系统关闭。

  状态4:当太阳能集热器出水温度与储热水箱内水的温差Tb-Ts<5℃,室内温度T0<16℃,并且太阳能集热器出水温度Tb≥45℃时,此时太阳辐射较小,但足以向房间供暖,太阳能集热器的供水不经水箱直接供给采暖用户。

  状态5:当太阳能集热器出水温度与储热水箱内水的温差Tb-Ts<5℃,室内温度T0<16℃,并且太阳能集热器出水温度Tb<45℃,水箱温度Ts≥46℃时,太阳辐射过小,不足以向房间供暖,但是水箱内热量充足,因此将太阳能集热器关闭,由水箱直接向采暖用户供给热量。

  状态6:当太阳能集热器出水温度与储热水箱内水的温差Tb-Ts<5℃,室内温度T0<16。

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