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王澤龍1,2，田宜水1，趙立欣1，孟海波1，侯書林2
（1.農業部規劃設計研究院，北京100125；2.中國農業大學工學院，北京100083）
摘要：為了提高生物質能-生物質能互補供熱系統的經濟效益，該文從經濟性角度對系統的主要參數進行優化設計，提出了一種生物質能-太陽能互補供熱系統設計方案，建立了系統的經濟分析模型，并采用線性規劃的方法進行優化，并以北京地區一供熱面積為200m2的辦公樓為例進行了優化。結果表明，建立的經濟分析模型可用，其中，太陽能集熱器的價格、生物質顆粒燃料的價格、蓄熱水箱的價格、生物質顆粒燃燒器的價格對系統中各部分參數的優化結果有影響，且影響程度依次降低。這可為今后生物質能-太陽能互補供熱系統的設計提供參考。
0引言
生物質固體成型燃料，是指在一定溫度和壓力作用下，利用木質素充當粘合劑將松散的秸稈、樹枝和木屑等農林生物質壓縮成棒狀、塊狀或顆粒狀等成型燃料。生物質顆粒燃料能量密度與中質煙煤相當；燃燒時CO2零排放，NOX、SO2等的排放量遠小于煤；燃燒特性明顯得到改善，提高了利用效率[1-2]。
由農業部規劃設計研究院開發的生物質顆粒燃燒器以流動性高，質地均勻的生物質顆粒為燃料，可以實現連續自動運行，燃燒效率通常能達到86%以上[3]。但其在使用過程中還存在著點火時間較長，且點火過程中CO排放量大[4]；在低功率運行時，效率較低，不宜頻繁啟動。
太陽能作為清潔能源，在采暖供熱方面面臨主要問題是其具有不連續性，在陰天或者晚上無法工作[5-8]。為了實現連續供熱，需要擴大集熱器的集熱面積和設計較大的熱量存儲裝置，導致了供熱系統初投資增加。在大規模的供熱系統中尚可，對小規模用戶則難以接受。
生物質能-太陽能互補供熱系統是指利用生物質顆粒燃燒器和太陽能集熱器聯合組成一個供熱系統，為建筑物提供冬季采暖和全年生活熱水所需要的熱量。該系統充分利用了生物質能和太陽能各自的優勢，在陽光充足的時候，太陽能提供熱量，生物質顆粒燃燒器可以少運行或者不運行，降低了運行成本，延長燃燒器的使用壽命；在無太陽光的時候，生物質顆粒燃燒器全功率運行，無需設計較大的熱量存儲裝置和增加太陽能集熱器的面積，降低了初投資。
目前，FrankFiedler系統研究了不同連接方式的供熱性能，污染物排放特性等[9-12]。國內對生物質能-太陽能互補供熱系統的研究則較少，尤其是對系統中各部分設計參數的優化研究。
本文擬通過建立生物質能-太陽能互補供熱系統的經濟分析模型，并利用線性規劃的優化方法，對該系統進行優化，并應用于典型實例，為生物質能-太陽能互補供熱系統的設計提供參考。
1生物質能-太陽能互補供熱系統設計
生物質能-太陽能互補供熱系統的設計要滿足以下5個要求[13-15]：可在采暖季安全穩定高效的運行，穩定地為建筑物提供采暖所需熱負荷；保證基本生活用熱水的水量和水質；提高太陽能的熱利用效率；降低初投資和運行成本；使系統的結構簡單緊湊。基于以上設計要求，以及從建立系統的成本、難易程度以及供熱性能來分析[16-18]，提出如圖1所示的方案。該方案具有控制簡單，成本低等優點，較適合目前的中小用戶需要。
該方案中，蓄熱水箱是連接太陽能集熱器、生物質顆粒燃燒器和供熱采暖的唯一媒介。供熱設備先通過換熱器和蓄熱水箱中的水進行熱量交換，然后再通過換熱裝置將熱量傳遞給供熱終端。生活用熱水直接來自蓄熱設備，不參與供熱循環，水質和水量都可以得到保證。
圖1所示的方案中系統的各裝置在控制單元的控制協調下，自動運行。生物質顆粒燃燒器是全功率間歇運行，其控制的方式是溫差控制，即當蓄熱水箱上部的溫度傳感器測得的溫度T3大于設定的溫度時，燃燒器停止運行；當溫度T3小于設定的溫度時，燃燒器開始運行。太陽能集熱器的運行方式也是溫差控制循環，即當太陽能集熱器出水口溫度T1和水箱底部溫度T2的溫差超過7℃時，太陽能集熱器循環水泵開始循環；當T1和T2的溫差小于3℃時，太陽能循環水泵停止循環。
該系統的運行狀態有3種情況：當日照條件好，且建筑物熱量需求小時，太陽能集熱器單獨運行，并將多余的熱量儲存在蓄熱水箱中；當日照條件較差時，太陽能集熱器單獨運行將不能滿足供熱要求，此時生物質顆粒燃燒器啟動，并全功率運行，和太陽能集熱器同時進行供熱；當在晚上或者陰天時，太陽能集熱器不能工作，生物質顆粒燃燒器單獨運行。
2系統模型的建立及優化
針對某建筑面積為A的建筑物建立生物質能-太陽能互補供熱系統的模型，并對該系統中的主要裝置的參數進行優化設計。
2.1系統模型建立
2.1.1生物質顆粒燃燒器功率計算
2.1.3太陽能集熱器面積計算
太陽能集熱器面積的增加，可以減少生物質顆粒燃燒器的運行時間，降低運行成本。但是增加太陽能集熱器面積的同時，也增加了初投資。實現經農業工程學報2012年濟效益的最大化，是確定太陽能集熱器面積的一個標準。接下來通過優化來確定太陽能集熱器的面積。
2.1.4循環水泵計算
循環水泵包括太陽能集熱器循環水泵和生物質鍋爐循環水泵。循環水泵主要計算2個參數：流量、功率[19-20]。
2.2系統優化
在生物質能-太陽能互補供熱系統中，太陽能集熱器面積的增加可以減少生物質顆粒的使用，降低運行成本，但是會導致蓄熱水箱的容積增加，因此會增加系統的初投資。生物質顆粒燃燒器功率的增大，可以減少其運行時間，延長其使用壽命，但是初投資增加。因此該系統在初投資和運行成本之間存在矛盾。本文通過建立系統的經濟優化模型，對系統中主要裝置的參數進行優化設計。
2.2.1目標函數
目標函數是根據特定目標建立起來的，以設計變量為自變量，一個可計算的函數，它是設計方案評價的標準。優化設計的過程實際上是尋求目標函數最小值或最大值的過程。本文將生物質能-太陽能互補供熱系統一年的運行成本和將初投資平均分配到使用壽命的每一年的費用相加作為線性規劃的目標函數Fmin，目標函數取最小值時得到的參數就是系統的最優設計參數。目標函數式如下
3示范工程計算與分析
為了驗證優化模型是否正確，針對目前北京的氣候條件，對供熱面積為200m2的某辦公用樓的生物質能-太陽能互補供熱系統主要裝置的設計參數進行了優化計算。具體的參數如表1所示。
3.1計算
將表2中的數據代入優化模型式（21）、（22）中，得到的目標函數以及約束條件如下目標函數：
3.2結果分析
通過計算得知，當生物質能-太陽能互補供熱系統中生物質顆粒燃燒器的功率為20kW，太陽能集熱器（由清華陽光生產）面積為15m2，蓄熱水箱（由清華陽光生產）容積取430L時，目標函數取得最小值。此時，初投資為23376.5元，年運行成本為4147.1元。
3.2.1初投資分析
在生物質能-太陽能互補供熱系統的初投資中，太陽能集熱器的投資占的比例最大，為64%；蓄熱水箱的投資占的比例最小，為2%；生物質顆粒燃燒器的投資占比例是13%；水泵等附件的投資所占的比例是21%。對一個建筑物而言，循環水泵等附件的投資是基本不變的，因此其投資對優化結果基本沒有影響。隨著生物質顆粒燃燒器生產技術的不斷成熟以及生產規模的擴大，其成本會較大幅度的降低，從而能加速生物質能-太陽能互補供熱系統的推廣。
3.2.2運行成本分析
生物質能-太陽能互補供熱系統運行成本主要包括生物質顆粒燃料費用、燃料動力費、系統維護費、人工費。在運行成本中，生物質顆粒燃料費用占47%，人工費占36%，系統維護費占12%，燃料動力費占5%。
3.2.3敏感性分析
敏感性分析是在確定性分析的基礎上，進一步分析不確定性因素對項目的最終經濟效果指標的影響及影響程度。假設當一個因素改變時，其他因素不改變，來分析各因素的變化對系統中各部分設計參數的影響[23]。
生物質能-太陽能互補供熱系統中影響各部分設計參數的主要因素有太陽能集熱器的價格、生物質顆粒燃料的價格、蓄熱水箱的價格、生物質顆粒燃燒器的價格等。當太陽能集熱器的價格變動±20%時，通過經濟優化模型式（21）、（22）計算可得，太陽能集熱器的面積減少或增加10%，蓄熱水箱容積減少或增加5%，生物質顆粒燃燒器功率變動為±2%，初投資變動為±1.5%，運行成本變動為±2.3%。
當生物質顆粒燃料的價格變動為±20%時，則太陽能集熱器面積變動為±7.2%，蓄熱水箱容積變動為±3.4%，生物質顆粒燃燒器功率變動為±1.2%。初投資變動為±1.7%，運行成本變動為±1.9%。
當蓄熱水箱的價格變動為±20%時，則太陽能集熱器面積減少或增加2.1%，蓄熱水箱的容積減少或增加0.8%，生物質顆粒燃燒器的功率變動為±0.75%。初投資變動為±0.7%，運行成本變動為±1.7%。
當生物質顆粒燃燒器價格變動為±20%時，則太陽能集熱器面積變動為±1.7%，蓄熱水箱的容積減少或增加0.8%，生物質顆粒燃燒器的功率減少或增加0.7%。初投資減少或增加0.3%，運行成本減少或增加0.8%。
通過敏感性分析，發現對生物質能-太陽能互補供熱系統中各部分參數影響最大的因素是太陽能集熱的價格，其次是生物質顆粒燃料的價格，而蓄熱水箱的價格和生物質顆粒燃燒器的價格對系統的設計參數影響較小。
4結論
1）建立了生物質能-太陽能互補供熱系統的經濟分析模型，并利用線性規劃的方法對系統中各部分的設計參數進行了優化。
2）針對北京地區某供熱面積為200m2的辦公樓進行優化。優化結果表明，當生物質能-太陽能互補供熱系統中生物質顆粒燃燒器的功率為20kW，太陽能集熱器面積為15m2，蓄熱水箱容積取430L時，系統的經濟性最好。此時，初投資為23376.5元，年運行成本為4147.1元。通過敏感性分析發現，系統中各部分設計參數的影響因素有太陽能集熱器的價格、生物質顆粒燃料的價格、蓄熱水箱的價格、生物質顆粒燃燒器的價格，且影響程度依次降低。
生物質能-太陽能互補供熱系統充分利用生物質能和太陽能優勢，即減少了生物質能的使用，延長了生物質顆粒燃燒器的使用壽命，又彌補了太陽能不穩定的缺點，具有較強的互補性，適合中小用戶使用，具有廣泛的推廣價值。
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