关键词:
农村地区
太阳能热泵
生物质能
TRNSYS仿真模拟
优化分析
摘要:
近年来,人民物质条件逐渐改善,农村居住建筑能耗激增,大量化石能源消耗在建筑采暖上,气候变化与环境污染问题刻不容缓。在我国北方农村地区,受地理位置偏僻、居住分散、经济收入低,等不利因素影响,集中供暖很难推行普及。辽宁等多省鼓励和推动可再生能源的推广应用,并强调引导农村地区把使用生物质能、太阳能等清洁能源作为供暖首选能源。因此,本文提出了太阳能热泵-生物质能联合供暖系统。
首先,以沈阳作为北方地区的典型城市,通过Meteonorm 8气象软件对北方地区的地理位置、气候条件以及可再生能源的可用性深入分析。利用Sketch Up建模软件与TRNSYS仿真模拟软件对沈阳市105m2的农宅创建建筑模型和负荷计算模型并仿真运行,结果显示,在供暖季,农宅的最大逐时热负荷为7.8 k W,累计负荷为1 3941.05 k Wh。
然后,分别对各个组件模块建立数学模型,并进行选型计算,确定了太阳能集热器的集热面积为36 m2,集热水箱和蓄热水箱的容积分别为2.6 m3和2 m3。最终,选择了毅科EXWSR-D10.1型号的水源热泵,其制热量和输入功率分别为9.8 k W和1.9 k W。选择了威乐BBT-6型号的循环水泵,有三个可调节档位,其中P1档功率为100 W,P2档功率为67 W,其最大流量为3.6 m3/h,功率为67 W,最大扬程为6 m。
接下来,利用相应的标准部件在TRNSYS中搭建联合供暖系统仿真模型,并进行供暖季仿真运行模拟。研究结果表明:在整个供暖季,太阳能热泵-生物质联合供暖系统供暖室内温度基本上能维持在14℃~19℃之间,室温营造能力良好;集热水箱内的平均水温为15℃,联合供暖系统太阳能保证率为29.57%,联合供暖系统的日均有效集热量为96.37 MJ,集热性能良好;蓄热水箱内的平均水温维持在43.05℃,蓄热性能良好;水源热泵的平均COP为4.98。在典型日,农宅室内供暖平均温度为15.18℃;蓄热水箱平均供水温度为43.38℃。综上,联合供暖系统能够满足各方面的预期设计要求,供暖运行情况良好。此外,与天然气,电能和燃煤作为辅助热源的方案相比,本系统每年可分别节省天然气567.37 m3、电能5 018.33 k Wh、煤1 064.74 kg,且寿命期内CO2排放量分别减少了19.39吨,37.19吨和38.47吨。同时,太阳能热泵-生物质能联合供暖系统的综合能源价格最低,仅为0.0800元/MJ。
最后,基于正交试验法,选取了评价指标和试验因素及水平,计算结果表明,对太阳能保证率评价指标和系统COP评价指标影响最大的是集热面积,确定最佳匹配方案是A1B1C1D1的组合。另外,从供暖能源单位价格和供暖设备单位价格方面,对优化后的联合供暖系统方案进行经济性影响因素分析得到,二者均对经济性有一定的影响。