农村住宅多能源互补节能技术

来源：职称阁分类：农业论文时间：2020-03-31 11:00热度：

　　北方农村住宅中热效率低的分散式采暖方式，污染严重。提出在北方农村采用太阳能、空气源热泵及生物质能耦合多能源互补供暖系统。应用TRNSYS软件，以西安地区典型农村住宅为例，对太阳能-空气源热泵-生物质能多能源互补供热系统进行模拟。模拟结果表明：多能源互补供暖系统中，在整个采暖期太阳能贡献率为42.18%，其余负荷可由空气源热泵和生物质能进行补充。

农村住宅多能源互补节能技术

　　关键词：农村住宅；太阳能；生物质能；空气源热泵

　　随着国家新农村建设的稳步推进，农村住宅的能源利用效率并没有提高，而城镇建筑的能源利用效率逐年增加[1]。北方农村住宅的火墙、火炉和火炕等采暖方式，能维持基本的室内热环境要求，但室内空气品质差，室外环境污染严重，同时较低的热效率造成大量能源浪费[2-3]。因此农村住宅急需新型的采暖方式。太阳能技术应用于农村住宅中，已开始引起广泛的关注。夏茂国[4]等太阳能采暖系统在沈阳市一座典型农村建筑进行了实测，实测表明，太阳能采暖系统可节省燃煤约1.5t。李金平[5]等试验研究了太阳能采暖系统应用于西北农村某住宅的采暖效果，采暖末端选择了散热器和地板辐射，研究结果表明，地板采暖具有更好的采暖效果。张甫仁[6]等通过实验研究了太阳能联合沼气进行农村住宅采暖的供热量，研究表明：联合供暖方式比普通供暖系统节约能量为75.92%。空气源热泵也应用于农村住宅采暖。乐慧[7]等数值模拟分析了600万户农户采用空气源热泵供暖的采暖效果以及对电网的影响。赵建康[8]等通过北京农村示范建筑测试了空气源热泵（末端为散热器）的采暖效果。张鹏娥[9]等使用双级压缩变频增焓空气源热泵应用于北方农村。周瑞辰[10]等实验研究了太阳能与生物质能联合应用于农村采暖，实验表明了系统具有良好的热舒适性及节能性。王敏[11]等等对西北农村各区域典型建筑的各种采暖热源进行了比较研究。文中提出农村住宅用太阳能-空气源热泵-生物质能多能源互补供暖系统，末端采用辐射板方式，应用TRNSYS软件研究并优化了系统，给出了运行策略。

　　1太阳能-空气源热泵-生物质能多能源互补供暖系统

　　空气源热泵和太阳能供暖受环境限制，生物质能具有灵活的特点，多种能源可以发挥其各自的优势，实现优势互补。农村住宅太阳能-空气源热泵-生物质能多能源互补供暖系统如图1所示。该系统的运行模式为：太阳能应优先运行，并设计储热水箱，太阳能不足时考虑空气源热泵，当空气源热泵能效较低时，考虑生物质能做辅助热源，该系统可同时在夏季和过渡季节制备生活热水。运行模式如下：（1）太阳能热水系统能够满足用户供暖需求时，热泵系统关闭，生物质锅炉不运行，太阳能集热系统承担系统全部负荷；（2）当太阳能不足时，空气源热泵能效高时，采用太阳能和空气源热泵联合运行，生物质锅炉不运行；（3）当太阳能不足、空气源热泵能效较低时，热泵系统开启，生物质锅炉运行。

　　2实例概况

　　2.1建筑概况以西安市周边典型农村住宅为模拟对象。此典型农村住宅模型有2层，建筑面积为148.8m2，建筑长8m，宽6m，层高3.6m。建筑围护结构传热系数如表1所示。2.2室外气象参数应用TRNSYS，即瞬时系统模拟软件的气象参数模块得到室外气象参数。西安市典型年冬季室外逐时温度、逐时湿度及逐时太阳辐射如图2~图4所示。时间选取整个采暖季，即从11月15日0时（全年的7656h）开始，到第二年3月15日结束。

　　3模拟分析

　　3.1住宅采暖负荷模拟应用TRNSYS软件对该农村住宅整个供暖季逐时采暖负荷进行模拟。其负荷计算模型如图5所示。通过模拟分析获得该建筑冬季热负荷如图6所示。由图6可知，建筑全年最大热负荷为2.74kW，累计热负荷为4298.61kW。3.2太阳能-空气源热泵-生物质能多能源互补供暖系统性能应用TRNSYS软件对提出的农村住宅多能源互补供暖系统进行仿真模拟，建立包括太阳能集热器、热水循环泵、生物质锅炉、空气源热泵、蓄热水箱等部件在内模型部件。部件在TRNSYS中对应的类型如表2所示。太阳能-空气源热泵-生物质能多能源互补供暖系统仿真模型图如图7所示。通过模拟，可得太阳能供水温度变化如图8所示。采暖季刚开始由于蓄热水箱工作有延迟，开始的供水温度较低，然后水温持续上升直至基本稳定。系统模拟中对太阳能集热器集热面积由夏季所需生活热水选取，当集热面积增加时，可进一步提高太阳能供水温度。

　　4结语

　　提出太阳能-空气源热泵-生物质能多能源互补供暖系统。以西安某典型农村建筑为研究对象，应用TYNSYS软件对系统进行了研究。结果表明：（1）多能互补供热系统系统包括太阳能集热器、热水循环泵、生物质锅炉、空气源热泵、蓄热水箱等；（2）以典型农村建筑为例，模拟计算了太阳能在采暖季可提供20~30℃左右的热水温度，需要辅助空气源热泵及生物质能，优化太阳能系统可进一步提供热水温度；（3）以典型农村建筑为例，计算了采用太阳能系统供热的西安地区农村建筑采暖期太阳能贡献率高达42.18%，因此，太阳能系统供热能有效降低农村建筑的供暖能耗。

　　参考文献

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　　[2]张红霞，张博雅，周淑娟，等.北方农村冬季采暖方式的优缺点对比分析[J].山东农业大学学报（自然科学版），2017，48（5）：722-725.

　　[3]岳丽芳，赵金秀，史新立.寒冷地区农村住宅节能技术研究[J].节能，2018，37（11）：4-6.

　　[4]夏茂国，关颖.一种适用于北方农村地区的新型户用型太阳能采暖系统[J].太阳能，2019（10）：70-73，20.

　　[5]李金平，司泽田，孔莹，王等.西北农村单体住宅太阳能主动采暖效果试验[J].农业工程学报，2016，32（21）：217-222.

　　[6]张甫仁，王乐祥，王建辉，等.农村沼气和太阳能联合供暖系统的实验研究[J].太阳能学报，2019，40（11）：3179-3185.

　　[7]乐慧，李好玥，江亿.用空气源热泵实现农村采暖的“煤改电”同时为电力削峰填谷[J].中国能源，2016（11）：9-15.

　　[8]赵建康，高沛沣，王敬民，等.户式空气源热泵散热器采暖系统在北京农村地区的典型示范应用案例[J].制冷与空调，2017（3）：85-89.

　　[9]张鹏娥，许晨，马荣江，等.双级压缩变频增焓空气源热泵在北方农村的应用[J].制冷与空调（北京），2016（16）：88-91.

　　[10]周瑞辰，张兴惠，闫瑞妙.生物质能——太阳能联合供暖系统在北方农村的应用研究[J].中国沼气，2019，37（1）：113-118.

　　[11]王敏，刘艳峰，王登甲，等.西北乡村太阳能供暖辅助热源适宜性分析[J].暖通空调，2018，48（4）：22-27.