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摘要：本文对生物质能辅助太阳能供热系统进行研究，利用TRNSYS软件建立仿真模型，在西安典型气象年气象条件下，模拟了集热系统主要部件参数（包括蓄热水箱容积和集热器面积）变化对系统太阳能保证率的影响，通过分析模拟结果并结合经济性对蓄热水箱容积和集热器面积进行优化。
关键词：太阳能供热系统 太阳能保证率 生物质能
中图分类号：TU833 文献标识码：A 文章编号：
引言
目前，我国北方的许多村镇多采用传统的供热采暖方式，这种供暖形式不仅会造成环境污染，而且能源利用效率低。基于我国北方地区具有丰富的太阳能资源以及生物质能源源于村镇，无需运输等特点，清洁高效的生物质锅炉辅助太阳能采暖系统的开发和利用，对形成具有我国特色的清洁、高效、低成本、可持续的村镇供热采暖模式，具有重要的现实意义[1]。
本文设计了太阳能采暖和辅助热源的耦合系统,实现了冬季供热的稳定运行；夏季所需生活热水的提供,满足了用户的需求。本文以西安地区某村镇的单体住宅楼为研究对象，对四种不同辅助热源的太阳能供热采暖系统从经济效益、环境效益及社会效益几个方面进行了研究。
1．建立TRNSYS仿真模型
根据TRNSYS软件进行仿真的基本过程，建立的生物质锅炉辅助太阳能供热采暖系统的仿真模型。由于本文的仿真对象为太阳能供热采暖系统，即采暖的同时也给系统供应全天的生活热水（如图1所示），为简化系统，在进行非采暖季仿真时，本文去掉了采暖的相关部件。
图1太阳能供热采暖系统仿真模型示意图（采暖季）
2．模拟结果分析及系统参数优化
2.1Vt/Ac变化对太阳能保证率的影响
本文模拟了采暖季、非采暖季及全年太阳能保证率随水箱容积与集热器面积配比(Vt/Ac)的变化情况，Vt/Ac的变化范围为从20～100L/m2，集热器面积设置为设计值521 m2,模拟结果列如图2-4。
图3采暖季Vt/Ac变化对太阳能保证率的影响
图4 非采暖季Vt/Ac变化对太阳能保证率的影响
图5全年Vt/Ac变化对太阳能保证率的影响
从图3~5可以看出：随着Vt/Ac的增加，太阳能保证率不断增加。以非采暖季为例，从图4可以看出：当Vt/Ac增加到50L/m2时，曲线斜率明显减小，如果继续增加Vt/Ac的值，太阳能保证率增加的幅度也会越来越小，从经济角度考虑，在增加相同投资的情况下，收益会越来越小。考虑到蓄热水箱对系统热性能的影响及经济性两个因素，必定存在一个最优的Vt/Ac值。
4.4.2Vt/Ac最佳配比值的确定
上文指出，太阳能系统的热性能和初投资会受到蓄热水箱容积与集热面积配比（Vt/Ac）取值的影响。在相同的条件下, Vt/Ac越小,水箱的初投资越低,系统的经济性越好，但热性能较差；相反，系统太阳能保证率会随Vt/Ac的增大而增大，但是增加到一定时，太阳能保证率的增长率就会越来越小。不同Vt/Ac和不同气象条件对系统的太阳能保证率都会造成影响，不同的太阳能保证率将产生不同的收益。因此，我们应根据太阳能系统所在地区的气象条件和水箱价位，确定最优的Vt/Ac值。
综合图6和图7可以看出：
（1）不同水箱价位对应不同的最优M（Vt/Ac）值，水箱价位越低，系统年收益越大，最优的M（Vt/Ac）值也越大，说明蓄热水箱容积与集热器面积的配比对太阳能系统的初投资和收益都有较大影响。M（Vt/Ac）的值越大，如果循环水量一定，则集热器进水温度降低，从而提高了集热器效率，但由于成本限制，M（Vt/Ac）的值不能持续增大；
（2）从图6可以看出，水箱价格高于1700元/m2时，年收益不能补偿设备的投资，如果选用价格高于1700元/ m2的水箱，则M（Vt/Ac）的值越小越好；水箱容积和集热器面的配比值应根据该地区最优的M（Vt/Ac）值来确定；
(3) 文献[8]指出，经济研究的结论是太阳能供热采暖系统的M（Vt/Ac）的合理值应为50～100 L/m2。从图6可以看出，落在这个区间内的值有两组：当水箱价格为1500元/m2时，M（Vt/Ac）的最优值为90 L/m2；当水箱价格为1700元/m2时，M（Vt/Ac）的最优值为60 L/m2，本文拟选择M（Vt/Ac）为60 L/m2。
图6西安地区不同价位水箱年收益与M（Vt/Ac）的关系（电价0.5元/kWh）
图7 西安地区不同价位水箱的最优M（Vt/Ac）值
2.3集热器面积变化对太阳能保证率的影响
太阳能供热采暖系统热负荷一定时，太阳能保证率随集热器面积的变化而变化。本文利用TRNSYS软件模拟集热器面积变化对系统太阳能保证率的影响时，对应的蓄热水箱容积与集热器面积的配比（Vt/Ac）取60L/m2。图8反应了TRNSYS模拟的不同集热器面积下，集热器的有效得热量、辅助加热量及太阳能保证率的变化情况。
本文模拟了采暖季、非采暖季及全年太阳能保证率随集热器面积的变化情况，集热器面积从100～700m2。从图8可以看出，随着集热面积的增加，太阳能保证率不断增加，但是集热器面积增加到一定大小时，曲线斜率明显减小，如果继续增加集热器面积，太阳能保证率的增加幅度也会趋于缓慢。例如，以非采暖季太阳能保证率为例，当集热器面积从400m2增加到500m2时，太阳能保证率增加了9.0%，而当集热器面积从500m2增加到600m2的，太阳能保证率仅增加了0. 7%。经分析可知，集热器面积增大到一定程度，太阳能保证率增长趋势趋于缓和，运行费用的增长幅度将变大。
图8 太阳能保证率随集热器面积变化图
2.4集热器面积变化对太阳能保证率的影响
（1）结合经济性及西安地区的气象条件，得到西安地区不同水箱价位时，蓄热水箱容积与集热器面积配比（Vt/Ac）关系图；
（2）经过优化，系统最佳集热面积为200m2，蓄热水箱容积与集热器面积的最佳配比（Vt/Ac）值取60L/m2，则最佳蓄热水箱容积为12m3。
参考文献：
[1] Gerhard Faninger. Combined solar–biomass district heating in Austria[J].Solar Energy,2000,69(6):425-435.
[2] 石金凤. 村镇住宅建筑太阳能供热系统技术经济分析[D]. 西安：西安建筑科技大学，2009.
[3] 祖文超.复合式太阳能供热系统研究[D]. 山东：山东建筑大学，2010.
[4] 姜文英.强制循环太阳能供热系统数值模拟[J].科学技术与工程,2010,10 (20):5106-5109.
[5] 张蓓. 寒冷地区农居新型太阳能采暖技術设计研究[D].济南:山东建筑大学,2007.
[6] W.A.贝克曼,S.A.克莱因,J.A.达菲等.太阳能供热设计f-图法[M].北京：中国建筑工业出版社,2011,13-15.
关键词：太阳能供热系统 太阳能保证率 生物质能
中图分类号：TU833 文献标识码：A 文章编号：
引言
目前，我国北方的许多村镇多采用传统的供热采暖方式，这种供暖形式不仅会造成环境污染，而且能源利用效率低。基于我国北方地区具有丰富的太阳能资源以及生物质能源源于村镇，无需运输等特点，清洁高效的生物质锅炉辅助太阳能采暖系统的开发和利用，对形成具有我国特色的清洁、高效、低成本、可持续的村镇供热采暖模式，具有重要的现实意义[1]。
本文设计了太阳能采暖和辅助热源的耦合系统,实现了冬季供热的稳定运行；夏季所需生活热水的提供,满足了用户的需求。本文以西安地区某村镇的单体住宅楼为研究对象，对四种不同辅助热源的太阳能供热采暖系统从经济效益、环境效益及社会效益几个方面进行了研究。
1．建立TRNSYS仿真模型
根据TRNSYS软件进行仿真的基本过程，建立的生物质锅炉辅助太阳能供热采暖系统的仿真模型。由于本文的仿真对象为太阳能供热采暖系统，即采暖的同时也给系统供应全天的生活热水（如图1所示），为简化系统，在进行非采暖季仿真时，本文去掉了采暖的相关部件。
图1太阳能供热采暖系统仿真模型示意图（采暖季）
2．模拟结果分析及系统参数优化
2.1Vt/Ac变化对太阳能保证率的影响
本文模拟了采暖季、非采暖季及全年太阳能保证率随水箱容积与集热器面积配比(Vt/Ac)的变化情况，Vt/Ac的变化范围为从20～100L/m2，集热器面积设置为设计值521 m2,模拟结果列如图2-4。
图3采暖季Vt/Ac变化对太阳能保证率的影响
图4 非采暖季Vt/Ac变化对太阳能保证率的影响
图5全年Vt/Ac变化对太阳能保证率的影响
从图3~5可以看出：随着Vt/Ac的增加，太阳能保证率不断增加。以非采暖季为例，从图4可以看出：当Vt/Ac增加到50L/m2时，曲线斜率明显减小，如果继续增加Vt/Ac的值，太阳能保证率增加的幅度也会越来越小，从经济角度考虑，在增加相同投资的情况下，收益会越来越小。考虑到蓄热水箱对系统热性能的影响及经济性两个因素，必定存在一个最优的Vt/Ac值。
4.4.2Vt/Ac最佳配比值的确定
上文指出，太阳能系统的热性能和初投资会受到蓄热水箱容积与集热面积配比（Vt/Ac）取值的影响。在相同的条件下, Vt/Ac越小,水箱的初投资越低,系统的经济性越好，但热性能较差；相反，系统太阳能保证率会随Vt/Ac的增大而增大，但是增加到一定时，太阳能保证率的增长率就会越来越小。不同Vt/Ac和不同气象条件对系统的太阳能保证率都会造成影响，不同的太阳能保证率将产生不同的收益。因此，我们应根据太阳能系统所在地区的气象条件和水箱价位，确定最优的Vt/Ac值。
综合图6和图7可以看出：
（1）不同水箱价位对应不同的最优M（Vt/Ac）值，水箱价位越低，系统年收益越大，最优的M（Vt/Ac）值也越大，说明蓄热水箱容积与集热器面积的配比对太阳能系统的初投资和收益都有较大影响。M（Vt/Ac）的值越大，如果循环水量一定，则集热器进水温度降低，从而提高了集热器效率，但由于成本限制，M（Vt/Ac）的值不能持续增大；
（2）从图6可以看出，水箱价格高于1700元/m2时，年收益不能补偿设备的投资，如果选用价格高于1700元/ m2的水箱，则M（Vt/Ac）的值越小越好；水箱容积和集热器面的配比值应根据该地区最优的M（Vt/Ac）值来确定；
(3) 文献[8]指出，经济研究的结论是太阳能供热采暖系统的M（Vt/Ac）的合理值应为50～100 L/m2。从图6可以看出，落在这个区间内的值有两组：当水箱价格为1500元/m2时，M（Vt/Ac）的最优值为90 L/m2；当水箱价格为1700元/m2时，M（Vt/Ac）的最优值为60 L/m2，本文拟选择M（Vt/Ac）为60 L/m2。
图6西安地区不同价位水箱年收益与M（Vt/Ac）的关系（电价0.5元/kWh）
图7 西安地区不同价位水箱的最优M（Vt/Ac）值
2.3集热器面积变化对太阳能保证率的影响
太阳能供热采暖系统热负荷一定时，太阳能保证率随集热器面积的变化而变化。本文利用TRNSYS软件模拟集热器面积变化对系统太阳能保证率的影响时，对应的蓄热水箱容积与集热器面积的配比（Vt/Ac）取60L/m2。图8反应了TRNSYS模拟的不同集热器面积下，集热器的有效得热量、辅助加热量及太阳能保证率的变化情况。
本文模拟了采暖季、非采暖季及全年太阳能保证率随集热器面积的变化情况，集热器面积从100～700m2。从图8可以看出，随着集热面积的增加，太阳能保证率不断增加，但是集热器面积增加到一定大小时，曲线斜率明显减小，如果继续增加集热器面积，太阳能保证率的增加幅度也会趋于缓慢。例如，以非采暖季太阳能保证率为例，当集热器面积从400m2增加到500m2时，太阳能保证率增加了9.0%，而当集热器面积从500m2增加到600m2的，太阳能保证率仅增加了0. 7%。经分析可知，集热器面积增大到一定程度，太阳能保证率增长趋势趋于缓和，运行费用的增长幅度将变大。
图8 太阳能保证率随集热器面积变化图
2.4集热器面积变化对太阳能保证率的影响
（1）结合经济性及西安地区的气象条件，得到西安地区不同水箱价位时，蓄热水箱容积与集热器面积配比（Vt/Ac）关系图；
（2）经过优化，系统最佳集热面积为200m2，蓄热水箱容积与集热器面积的最佳配比（Vt/Ac）值取60L/m2，则最佳蓄热水箱容积为12m3。
参考文献：
[1] Gerhard Faninger. Combined solar–biomass district heating in Austria[J].Solar Energy,2000,69(6):425-435.
[2] 石金凤. 村镇住宅建筑太阳能供热系统技术经济分析[D]. 西安：西安建筑科技大学，2009.
[3] 祖文超.复合式太阳能供热系统研究[D]. 山东：山东建筑大学，2010.
[4] 姜文英.强制循环太阳能供热系统数值模拟[J].科学技术与工程,2010,10 (20):5106-5109.
[5] 张蓓. 寒冷地区农居新型太阳能采暖技術设计研究[D].济南:山东建筑大学,2007.
[6] W.A.贝克曼,S.A.克莱因,J.A.达菲等.太阳能供热设计f-图法[M].北京：中国建筑工业出版社,2011,13-15.