PDF《生物质能-太阳能互补供热系统优化设计》

第28 卷第19 期农业工程学报Vol.

28 No.19

178 2012 年10 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Oct.

2012 生物质能-太阳能互补供热系统优化设计 王泽龙 1,2 ,田宜水

1 ,赵立欣

1 ,孟海波

1 ,侯书林

2 (1. 农业部规划设计研究院,北京 100125;

2. 中国农业大学工学院,北京 100083) 摘要: 为了提高生物质能-太阳能互补供热系统的经济效益, 该文从经济性角度对系统的主要参数进行优化设计, 提出了一种生物质能-太阳能互补供热系统设计方案,建立了系统的经济分析模型,并采用线性规划的方法进行优 化,并以北京地区一供热面积为

200 m2 的办公楼为例进行了优化.结果表明,建立的经济分析模型可用,其中, 太阳能集热器的价格、生物质颗粒燃料的价格、蓄热水箱的价格、生物质颗粒燃烧器的价格对系统中各部分参数 的优化结果有影响,且影响程度依次降低.这可为今后生物质能-太阳能互补供热系统的设计提供参考. 关键词:生物质,太阳能,优化,设计,颗粒燃料,供热,互补系统 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.19.024 中图分类号:TK16 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2012)-19-0178-07 王泽龙,田宜水,赵立欣,等. 生物质能-太阳能互补供热系统优化设计[J]. 农业工程学报,2012,28(19):178 -184. Wang Zelong, Tan Yishui, Zhao Lixin, et al. Optimal design of biomass-solar complementary heating system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(19): 178-184. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 生物质固体成型燃料,是指在一定温度和压力 作用下,利用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.生物质颗粒燃料能量密度与中质烟煤 相当;

燃烧时 CO2 零排放,NOX、SO2 等的排放量 远小于煤;

燃烧特性明显得到改善,提高了利用效 率[1-2] . 由农业部规划设计研究院开发的生物质颗粒 燃烧器以流动性高,质地均匀的生物质颗粒为燃 料,可以实现连续自动运行,燃烧效率通常能达到 86%以上[3] .但其在使用过程中还存在着点火时间 较长,且点火过程中 CO 排放量大[4] ;

在低功率运 行时,效率较低,不宜频繁启动. 太阳能作为清洁能源,在采暖供热方面面临主 要问题是其具有不连续性,在阴天或者晚上无法工 作[5-8] .为了实现连续供热,需要扩大集热器的集热 面积和设计较大的热量存储装置,导致了供热系统 收稿日期:2011-11-11 修订日期:2012-05-17 基金项目:科技部国际科技合作项目(2011DFAG0600) 作者简介:王泽龙(1987-) ,男,山东人,主要研究方向为生物质能 源利用技术.北京 中国农业大学工学院,100083. Email:[email protected] 通信作者:田宜水(1972-),男,辽宁人,高级工程师,主要从事 节能,可再生能源技术和设备的研究、开发与推广,以及能源政策的研 究等工作.北京 农业部规划设计研究院,100125. Email:[email protected] 初投资增加.在大规模的供热系统中尚可,对小规 模用户则难以接受. 生物质能-太阳能互补供热系统是指利用生物 质颗粒燃烧器和太阳能集热器联合组成一个供热 系统,为建筑物提供冬季采暖和全年生活热水所需 要的热量.该系统充分利用了生物质能和太阳能各 自的优势,在阳光充足的时候,太阳能提供热量, 生物质颗粒燃烧器可以少运行或者不运行,降低了 运行成本,延长燃烧器的使用寿命;

在无太阳光的 时候,生物质颗粒燃烧器全功率运行,无需设计较 大的热量存储装置和增加太阳能集热器的面积,降 低了初投资. 目前,Frank Fiedler 系统研究了不同连接方式 的供热性能,污染物排放特性等[9-12] .国内对生物 质能-太阳能互补供热系统的研究则较少, 尤其是对 系统中各部分设计参数的优化研究. 本文拟通过建立生物质能-太阳能互补供热系 统的经济分析模型,并利用线性规划的优化方法, 对该系统进行优化,并应用于典型实例,为生物质 能-太阳能互补供热系统的设计提供参考.

1 生物质能-太阳能互补供热系统设计 生物质能-太阳能互补供热系统的设计要满足 以下

5 个要求[13-15] :可在采暖季安全稳定高效的运 行,稳定地为建筑物提供采暖所需热负荷;

保证基 本生活用热水的水量和水质;

提高太阳能的热利用 效率;

降低初投资和运行成本;

使系统的结构简单 第19 期 王泽龙等:生物质能-太阳能互补供热系统优化设计

179 紧凑. 基于以上设计要求, 以及从建立系统的成本、 难易程度以及供热性能来分析[16-18] ,提出如图

1 所 示的方案.该方案具有控制简单,成本低等优点, 较适合目前的中小用户需要. 该方案中,蓄热水箱是连接太阳能集热器、生 物质颗粒燃烧器和供热采暖的唯一媒介.供热设备 先通过换热器和蓄热水箱中的水进行热量交换,然 后再通过换热装置将热量传递给供热终端.生活用 热水直接来自蓄热设备,不参与供热循环,水质和 水量都可以得到保证. 注:T1 为太阳能集热器出水口温度,℃;

T2 为水箱底部温度,℃;

T3 为蓄热水箱上部的温度传感器测得的温度,℃;

虚线表示控制信号. 图1生物质能-太阳能互补供热系统流程图 Fig.1 Biomass energy-solar complementary heating system flow chart 图1所示的方案中系统的各装置在控制单元的 控制协调下,自动运行.生物质颗粒燃烧器是全功 率间歇运行,其控制的方式是温差控制,即当蓄热 水箱上部的温度传感器测得的温度 T3 大于设定的 温度时,燃烧器停止运行;

当温度 T3 小于设定的温 度时,燃烧器开始运行.太阳能集热器的运行方式 也是温差控制循环,即当太阳能集热器出水口温度 T1 和水箱底部温度 T2 的温差超过 7℃时,太阳能集 热器循环水泵开始循环;

当T1 和T2 的温差小于 3℃ 时,太阳能循环水泵停止循环. 该系统的运行状态有

3 种情况: 当日照条件好, 且建筑物热量需求小时,太阳能集热器单独运行, 并将多余的热量储存在蓄热水箱中;

当日照条件较 差时,太阳能集热器单独运行将不能满足供热要 求,此时生物质颗粒燃烧器启动,并全功率运行, 和太阳能集热器同时进行供热;

当在晚上或者阴天 时,太阳能集热器不能工作,生物质颗粒燃烧器单 独运行.

2 系统模型的建立及优化 针对某建筑面积为 A 的建筑物建立生物质能- 太阳能互补供热系统的模型,并对该系统中的主要 装置的参数进行优化设计. 2.1 系统模型建立 2.1.1 生物质颗粒燃烧器功率计算 建筑物在采暖期最不利工况下的最大耗热功 率为 m hi Q Q A ? ? (1) 式中,Qm 为最大耗热功率,W;

Qhi 为采暖热指标, W/m2 .A 为建筑物的建筑面积,m2 . 生物质颗粒燃烧器的功率要在太阳能集热器 不工作的情况下,其提供的热量经过生物质锅炉、 蓄热水箱后输出的最终热量能满足建筑物在供暖 季的最大耗热量,其关系如下式 burner

3 5

6 m P Q ? ? ? ? ? ? ? (2) 式中,Pburner 为生物质颗粒燃烧器的功率,W;

η

3 为锅炉热效率;

η

5 为生物质锅炉用盘管换热器的换 热效率;

η

6 为采暖用盘管换热器的换热效率. 由(1)(2)式得生物质颗粒燃烧器的功率: hi burner

3 5

6 Q A P ? ? ? ? ? ? ? (3) 2.1.2 蓄热水箱容积计算 在生物质能-太阳能互补供热系统中, 蓄热水箱 作为连接供暖终端和太阳能集热器、生物质锅炉的 媒介,起到短期蓄热,调节供热质量的作用. 蓄热水箱在蓄热温差为 ΔT 时的最大蓄热量为 tan t w k w Q V C T ? ? ? ? ?? (4) 式中,Qt 为蓄热水箱最大蓄热量,J;

ρ w 为水的密 度,kg/m3 ;

Vtank 为蓄热水箱容积,m3 ;

Cw 为水的 比热容,J/(kg・ ℃);

ΔT 为蓄热温差,℃. 在本系统中,生物质颗粒燃烧器采用的是间歇 运行方式,建筑物在生物质颗粒燃烧器停止运行的 时间 t1 内消耗的热量为 a ch

1 3600 Q Q A t ? ? ? ? (5) 式中,Qa 为生物质颗粒燃烧器停止运行的时间 t1 内消耗的热量,J;

Qch 为建筑物耗热量,W/m2 ;

t1 为生物质颗粒燃烧器设计的最短停止运行时间,h. 建筑物在生物质颗粒燃烧器停止运行的时间 t1 内消耗的热量由蓄热水箱来提供,有at6QQ???(6) 由式(4)(5)(6)式得蓄热水箱的容积为 ch

1 tank w w

6 3600 Q A t V C T ? ? ? ? ? ? ? ?? ? (7) 2.1.3 太阳能集热器面积计算 太阳能集热器面积的增加,可以减少生物质颗 粒燃烧器的运行时间,降低运行成本.但是增加太 阳能集热器面积的同时,也增加了初投资.实现经 农业工程学报

2012 年180 济效益的最大化,是确定太阳能集热器面积的一个 标准.接下来通过优化来确定太阳能集热器的面 积. 2.1.4 循环水泵计算 循环水泵包括太阳能集热器循环水泵和生物 质锅炉循环水泵.循环水泵主要计算

2 个参数:流量、功率[19-20] . 太阳能循环水泵: 太阳能集热器循环水泵的流量按太阳能输出 的最大功率计算,其计算式如下 solar m1 w s1 r1 ( ) P q C T T ? ? ? (8) 式中,qm1 为太阳能集热器循环水泵的流量,kg/s;

Psolar 为太阳能输出的最大功率,W;

Ts1 为太阳能集 热器出水口温度,℃;

Tr1 为太阳能集热器进水口温 度,℃. 太阳能集热器循环水泵的功率计算式如下

1 3

1 1

1 4

10 m P q g H ? ? ? ? ? ? ? ? (9) 式中,P1 为太阳能集热器循环水泵的功率,kW;

H1 为太阳能集热器循环水泵的扬程,m;

g 为重力 加速度,取9.8 N/kg;

η

4 为循环水泵的效率. 生物质锅炉循环水泵: 生物质锅炉循环水泵的流量计算式如下 burner

3 m2 w s2 r2 ( ) P q C T T ? ? ? ? ? (10) 式中,qm2 为生物质锅炉循环水泵的流量,kg/s;

Ts2 为生物质锅炉出水口温度,℃;

Tr2 为生物质锅炉进 水口温度,℃. 生物质锅炉循环水泵的功率计算式如下

1 3

2 m2

2 4 g

10 P q H ? ? ? ? ? ? ? ? (11) 式中,P2 为生物质锅炉循环水泵的功率,kW;

H2 为生物质锅炉循环水泵的扬程,m. 2.2 系统优化 在生物质能-太阳能互补供热系统中, 太阳能集 热器面积的增加可以减少生物质颗粒的使用,降低 运行成本,但是会导致蓄热水箱的容积增加,因此 会增加........