第４２卷第１期吉林师范大学学报(自然科学版)Ｖｏｌ.４２ꎬＮｏ.１㊀２０２１年２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ)Ｆｅｂ.ꎬ２０２１收稿日期:２０２０￣１１￣３０
疲劳驾驶预警系统基金项目：国家外国专家局项目(Ｐ１８２００９０１１) 第一作者简介：韦新东(１９６６ )ꎬ男ꎬ吉林市长春市人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ博士生导师.研究方向：城市能源及环境优化. ｄｏｉ:１０.１６８６２/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１６７４￣３８７３.２０２１.０１.０１２
韦新东ꎬ张天阳ꎬ秦烨欣
(吉林建筑大学市政与环境工程学院ꎬ吉林长春１３０１１８)
摘㊀要：提高可再生能源的应用比例一直是我国能源和气候战略中能源结构去碳化的关键组成部分.多能耦合清洁供热系统在热电联产中采用电厂背压机作为主要基础热源ꎬ多种新能源承担峰值负荷并扩充市政管网的供热能力.本文对国内外多能互补清洁采暖的研究发展进行分析ꎬ总结比较了多种典型能源匹配
供热系统的数值模拟㊁工程应用与经济性能.通过梳理可知ꎬＴＲＮＳＹＳ与ＭＡＴＬＡＢ软件为分布式能源的建模技术已逐步走向成熟ꎬ但多能互补清洁供热技术的应用范围还停留在为数不多的示范项目ꎬ且根据热负荷的需求变化各能源进行自动匹配输出能耗的智慧供热也没有得到完全的工程实现ꎬ根据现况同时提出区域供热未来主要的研究发展方向.
关键词：多能互补ꎻ清洁供热ꎻ数值模拟ꎻ经济性能
中图分类号:ＴＫ０１９㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀文章编号:１６７４￣３８７３￣(２０２１)０１￣００６１￣０６
㊀㊀我国科学工业生产稳步提升ꎬ自然资源逐年消耗ꎬ伴随而来的能源短缺问题也日益严重ꎬ急需加快能源生产和消费革命ꎬ建设清洁低碳的供能体系.根据北方地区清洁取暖工作及高原地区居民采暖问题的实际需求ꎬ单一可再生能源系统难以获得较高的能源贡献率和供暖稳定性.自 十一五 以来ꎬ中科院研发的新能源供热设备接踵而至ꎬ系统的节能度与设备集成度大幅上升ꎬ有效实现能量的梯级利用.太阳能与地源热泵㊁沼气池㊁风能等可再生能源耦合的供热工程项目结合地域能源优势与当地政策已相继建成[１￣２].本文就清洁能源的应用现状和分布式能源多能互补供热技术的研究成果进行整理与比较ꎬ一方面普及多能互补供热技术的发展前沿ꎬ避免重复性工作ꎻ另一方面可以利用现有的工程项目㊁数学建模㊁优化算法等进行更深入的研究ꎬ进而降低系统能耗ꎬ提高适用性ꎬ对其实际的落地建设起到推动性作用.１㊀多能互补清洁供热技术概述与发展
１.１㊀清洁能源的应用现状１.１.１㊀太阳能太阳能是一种清洁能源ꎬ由于资源丰富且易于采集而备受青睐.目前利用太阳能供热主要有两种方式：一种是光伏发电ꎬ利用晶硅电池片使光能 电能的转化技术ꎬ其系统构成简单ꎬ适于任何规模的电力生产ꎬ再用产生的电来进行电加热ꎬ例如电锅炉㊁陶瓷电取暖管等ꎬ但转化率相对偏低.第二种是通过不同种类的集热器ꎬ将辐射的光热进行采集ꎬ分为暗平板直接集热器与利用反射器㊁透镜或其他光学器件将投向集热器采光板的太阳光线改变方向使其聚集照射到管路上进行光热转换的聚光型集热器ꎬ管路中的液体储热介质一般使用过滤后的水ꎬ热量经由散热部件传至室内进行供暖ꎬ常见的利用方式包括太阳能热水器和太阳能热电站[３￣４].根据文献总结发现基于温差循环控制策略的集热循环ꎬ可实现太阳能的最大化利用.热源循环控制
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策略使贮水箱中的热量以最优化的方式传递到末端设备ꎬ根据热源供水温度具体分为直接供热㊁联合热泵及辅助热源三种模式[５].因为太阳能受气候条件影响较大ꎬ且能流密度低㊁波动不连续ꎬ采暖特性与热用户需求不符ꎬ所以太阳能在清洁能源耦合集中供热系统承担辅助作用.
１.１.２㊀热泵
热泵以其适应性强㊁安装灵活方便等特点在供热工程中广泛应用.现主要有空气源热泵㊁地源热泵㊁水源热泵㊁吸收式热泵.热泵是实现低品位热能通过输入少量的电能使压缩机工作然后变相为高品位热能
的装置.前三种热泵低品位能源是取自陆地浅层㊁室外空气与工艺处理后符合系统使用标准的水质ꎬ现装置于商场㊁办公楼等大型建筑的空调系统中.污水源热泵分为直接式系统和间接式系统ꎬ按照污水是否直接连通机组的冷凝器或蒸发器作为区分[６].吸收式热泵是用热水驱动溴化锂ꎬ从冷凝剂的相态变化过程中吸取能量的装置ꎬ可充分回收电厂余热从而进行换热站改造与长距离供热输送.电厂的烟气等余热能量约占其燃烧总耗能的１７％~６７％ꎬ余热中６０％的能量通过节能设备可进行回收再利用[７].复合式热泵水系统也在多个工程中运行ꎬ多种热泵不同方式循环分担负荷ꎬ节能效果更显著.１.１.３㊀沼气池
生物质能经多年的研究发展ꎬ现已是第四大应用能源ꎬ仅列次于煤炭㊁石油㊁天然气.在其利用过程中的空气污染物排放量较低㊁能量转换效率较高.生物质燃料的利用有多种方法ꎬ如直接燃烧㊁发酵㊁热解㊁气化等ꎬ其中沼气池供热系统是村镇最佳的利用方式.为缓解农民日益提升的生活品质需求与农村地区节能环保应用技术匮乏之间的矛盾ꎬ沼气工程大力发展ꎬ易于农村环境发展且使畜禽粪便和秸秆得到最大化的利用ꎬ农户用上清洁的沼气能源[８].当温度㊁湿度和酸碱度满足一定要求ꎬ处于厌氧环境中的有机物质和微生物会反应发酵ꎬ从而产生可燃性气体ꎬ称之为沼气.沼气池产生的气体可直接用于燃烧取暖.最近几年沼气池发酵效率㊁产气量不稳定的问题逐步得到解决ꎬ加入相变蓄热系统ꎬ同时生物质气化发电的装机容量也迅速扩大ꎬ发展潜力较大[９].
１.１.４㊀燃料电池
燃料电池又称电化学发生器ꎬ是电解水的逆反应ꎬ用于向发电设备提供一次能源ꎬ从而产生电能.通过电子移动反应产物为蒸馏水的燃料电池分别向发生器正负极通氢和氧两种气体ꎬ二者在作用过程中不产生对大气造成污染的碳和硫的氧化物ꎬ也没有细小的微粒排出.只有少数电池的燃料与交换膜反应时产生少量二氧化碳ꎬ几乎达到真正意义上的零排放ꎬ其供热系统采用能源梯级利用的方式ꎬ在能源转化方面效率较高ꎬ是氢能供热效率可达８０％以上的热电联供和效率在４０％以上集成化产电的总能系统[１０].作为分布式能源从最初应用于小型独栋建筑到逐步提升负荷ꎬ基于燃料电池的混合动力能源微型组合供热和电力系统因电热平衡且方式最佳且具有潜力已成为能源行业关注的焦点[１１].市场上常用燃料电池及性能的比较见表１.
表１㊀燃料电池种类及应用
Ｔａｂｌｅ１㊀Ｆｕｅｌｃｅｌｌｔｙｐｅｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ＰＥＭＦＣＤＭＦＣＰＡＦＣＳＯＦＣＭＣＦＣＡＦＣ电解质离子交换膜聚合薄膜高温磷酸固态陶瓷熔融碳酸盐氢氧化钾工作温度/ħ８０６０~１３０２００１０００６５０６０~９０
电能转换率/％４０~６０４０３５~４０５０~６５４５~６０４５~６０功率/ｋＷ<２５０<１>５０<２００>２００>２０
应用领域
电动汽车
移动电子设备
电动汽车
公共汽车
小型固定
供电供热设备
中大型发电厂大型发电厂宇宙飞船
１.２㊀国内外多能互补供热技术研究进展
水泵远程监控２０１７年我国能源局等十部委于决定联合发布«北方地区冬季清洁取暖规划(２０１７ ２０２１)»ꎬ因地制宜推进热源侧清洁改造ꎬ推广浅层地热能㊁空气热能㊁太阳能㊁生物质能㊁氢能等可再生能源分布式㊁多２６
第１期韦新东ꎬ等：多能互补清洁供热技术研究进展能源互补应用的新型供暖模式ꎬ提出到２０２１年
ꎬ北方地区清洁供暖率将达到７０％[１２].我国最早投入使用的相对简单和常规的多能互补供热系统主要是太阳能和电加热相结合.国内研究员为提高太阳能的实际利用率相继优化了多能互补供热系统的实用性能ꎬ先后在北京市某示范工程与西藏地区对太阳能系统和多种热泵系统的联合运行方式进行了研究ꎬ确定了不同耦合系统的适用特性[１３￣１４].为减少化石燃料消耗研究推进又提出了一种热电联产系统ꎬ将生物质转化提取可燃烧气体与地源热泵耦合ꎬ通过地源热泵更好地利用中低温烟气ꎬ热电联产系统的综合能源利用率和系统效率分别达到７２.１２％和４０.１３％[１５].以太阳能为基础热源ꎬ其他清洁能源作为补充的供暖系统是国外对区域供热集成化研究领域的着力点.特别是在高纬度的北欧国家ꎬ冬季室外气温达到零点以下ꎬ采暖季普遍长达五个月ꎬ且采暖季本身太阳辐射照度较低.最早在１９５０年ꎬ北欧地区的两位科学家提出了太阳能与热泵耦合技术[１６]ꎬ发现其优越性.随后日本㊁美国㊁澳大利亚等发达国家相继开展研究并建设了一批示范工程ꎬ９０年代部分多能源互补供热系统已经产品化并取得较高的市场份额.发展至今ꎬ日本以燃料电池为主㊁太阳能为辅的一户建供热方式已处于世界领先地位.为避免滋生细菌ꎬ使用蓄热水箱换热从而间接制备热水的设计被以太阳能和生物质能为热源的奥地利低能耗绿建筑的多能互补供暖系统大面积应用[１７].同样ꎬ丹麦较为普及的系统也是太阳能集热系统㊁辅助热源系统和末端采暖系统ꎬ通过换热器间接连接ꎬ通过温差㊁阈值控制进行调节ꎬ可以和燃气炉㊁集中热网等联合使用[１８].２㊀多能互补供热系统设计及数学模型
２.１㊀分布式能源耦合系统设计
多能互补供热系统分为集中供热系统和分布式供热系统ꎬ从水力平衡方面考虑分布式能源更便于调节ꎬ但北方严寒地区负荷需求较大ꎬ绝大多数的是大型集中供暖区域.办公与住宅区划分热负荷的峰谷时间不同ꎬ热网传输能力也不统一ꎬ很难实现均匀的荷载变化[１９].为满足区域内所有热用户的舒适性ꎬ一直处于为满足最不利环路工作状态的循环水泵的故障率有所增加.多能源耦合分布式输配系统可以克服建筑类型㊁地势高差等因素带来的供暖影响ꎬ适应具有多种工况要求的供暖区域ꎬ所以现在北方地区也通过设计改造换热站㊁添加新能源分布式供热系统作为辅助热源或调峰热源.图１和图２为两种较为典型的设计系统ꎬ根据地域能源特征设计不同清洁能源的耦合系统.
图１是低能耗分布式能源建筑系统ꎬ它结合了太阳能㊁燃料电池㊁热泵和家庭商用电网.此系统现适用于城镇郊区的独立式建筑ꎬ因能源投资成本与提供的负荷有限目前还没有大面积应用到集中供热.图２中的系统已应用于远程供热工程ꎬ在换热站中安装吸收式热泵ꎬ冷凝端为二次网进水提供热负荷ꎬ补充热水传递途中损失的热量ꎬ蒸发端降低一次网水温ꎬ增加电厂余热回收.新型换热站装配还可新增光伏㊁燃料电池等设备进行节能改造.这一研究成果在我国尚缺乏落地应用ꎬ其进一步的研究和开发将对北方供热具有重要意义
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图１㊀分布式家庭能源系统[２０]
Ｆｉｇ.１㊀Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｈｏｍｅｅｎｅｒｇｙｓｙｓｔｅｍ咖啡机使用流程
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卷
图２㊀吸收式热泵与市政管网耦合改造的换热站
Ｆｉｇ.２㊀Ｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｓｔａｔｉｏｎａｆｔｅｒｃｏｕｐｌｉｎｇｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｈｅａｔｐｕｍｐａｎｄｍｕｎｉｃｉｐａｌｐｉｐｅｎｅｔｗｏｒｋ２.２㊀供给侧系统的数学建模
分布式系统的运行设计与优化主要需要从供能侧控制进行研究ꎬ建立设计包含经济㊁能源和环境的优化调度模型ꎬ最后利用遗传算法对系统中各设备的能耗输出进行优化求解[２１].多能互补集中供热系统涉及多种能源的综合利用ꎬ能源配置比例随室外天气条件的变化而变化.多能互补供热系统动态仿真软件主要采用ＴＲＮＳＹＳ和ＭＡＴＬＡＢ.ＴＲＮＳＹＳ通过建立系统仿真运行平台ꎬ调用相关气象区域数据㊁能耗数据㊁控制数据和用户自定义编写的模块数据ꎬ是一种即时系统仿真软件[２２].基于系统的工作原理连通模型中的每个组件ꎬ根据设定的工作模式和控制策略建立多能互补供热系统的仿真模型.各模块获取操作指令ꎬ系统进行仿真运行ꎬ每个模块可得出相应的能耗等数据结果.ＴＲＮＳＹＳ模块均由一组初值和一组描述设备性能的微分方程组成ꎬ软件进行仿真模拟的过程就是将各个部件所包含的数学模型方程进行联立求解的过程[２３].美国热能研究中心也开发了ＴＥＳＳ(ＴｈｅｒｍａｌＥｎｅｒｇｙＳｙｓｔｅｍＳｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ)模块ꎬ如太阳能集热器ꎬ以便ＴＲＮＳＹＳ可以运
行更复杂的暖通空调系统动态模拟工作.ＭＡＴＬＡＢ相对于ＴＲＮＳＹＳ更加具有编程灵活性ꎬ可为系统设计丰富的数控指令.利用功能模型接口技术ＴＲＮＳＹＳ和ＭＡＴＬＡＢ进行通信ꎬ集成不同软件建立的不同细节层次的模型ꎬ更深层次满足综合能源冷㊁热㊁电的仿真需求[２４￣２５].通过ＴＲＮＳＹＳ对ＭＡＴＬＡＢ程序中的原调用模块进行重写ꎬ使组件加入到编译后的多能互补系统中实现其功能ꎬ也可为物理真实模型仿真的后续工作提供技术支持.
8gggg３㊀多能互补供热系统的经济性分析
现阶段耦合系统的经济性研究重点是在数十年计划周期内可以得到更高的回报率.有极少数的家庭在集中供暖模式下能够对其室内温度进行调节ꎬ一般家庭收入较好且物业设施完善[２６]ꎬ而分布式能源系统是实现供热自主控制ꎬ按需进流的最佳经济途径.多能互补供热系统的运行费用即计算系统的全生命周期费用ꎬ包括购置成本㊁建设成本ꎬ项目的运营使用成本以及设备维护成本等.运营消耗包括电费㊁水费㊁不同比例下市政供热费等费用.除从市政管网传输的基础热量以外ꎬ该系统总能耗主要由各部分电耗组成ꎬ包括循环水泵(负荷测与源侧)全年耗电量及热泵机组采暖期耗电量ꎬ若系统中加入燃料电池则可减少从电网购买一部分电能.根据每个时刻室外温度的渐变ꎬ采用变频控制的系统水流量不断改变ꎬ因此水泵功率也会发生变化ꎬ不同负荷下热泵机组ＣＯＰ也会发生变化ꎬ为达到最优运行模式通过软件拟合出相应的多项式.成本计算公式如下:
总投资＝设备费用＋土建费用＋安装调试费用ꎬ(１)年运行费用＝供暖设备总耗电量ˑ电费单价＋人员薪资＋维修保养折旧费.(２)多能互补清洁供暖系统遵循 分配得当㊁各得所需㊁温度对口㊁梯级利用 的原则ꎬ合理配置供暖设备ꎬ按需及时匹配.在提高清洁能源利用比例的基础上ꎬ确保设备运行费用具有最佳经济实用性.对比分析多能耦合系统和单一热源系统的能效和经济效益ꎬ根据现有文献资料ꎬ可以证明多能互补系统确实可以提高系统的供热性能[２７].清洁能源的结合在不同负荷下对于系统性能的提升程度不尽相同ꎬ所以需４６
５６第１期韦新东ꎬ等：多能互补清洁供热技术研究进展
要在常规浮动温差控制模式下优化多能系统的匹配方案ꎬ提升系统总体的经济效益.
从表２中的实验数据可以看出ꎬ一次网热负荷供能占比小ꎬ清洁能源互补系统投入较多ꎬ可大面积替代市政管网供热ꎬ且多能互补改造比例配置越高ꎬ整体系统越经济ꎬ因为设备的初始投资成本是较大的经济消耗.当热负荷完全由电厂供给时ꎬ燃料电池可以为循环水泵的消耗提供一小部分电力能源.因此ꎬ研究结果表明当日常负荷较低需求时可投入较大比例的多能互补供热设备.
表２㊀多能源互补系统的初始投资成本
Ｔａｂｌｅ２㊀Ｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｃｏｓｔｏｆａｍｕｌｔｉ￣ｅｎｅｒ
ｇｙｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｓｙｓｔｅｍ市政管网负荷占比太阳能集热器/万元吸收式热泵/万元燃料电池/万元０.７０５３１.０２１２０.００１１.２２
０.７５４７５.１２１１６.００９.２７
０.８０４４７.１５１０８.００７.２６
０.８５４１９.２２１０４.００５.９４
０.９０３９１.２５９６.００３.９５
微丸机０.９５３６３.３２９２.００１.９８
１.０００.０００.００１.０３
４㊀结论和展望
多能互补清洁供热技术是在传统化石能源和新能源的共同利用下ꎬ以统筹开发㊁紧凑布置㊁因地制宜为基础ꎬ对北方城市综合体的供热设施系统进行合理的经济匹配建设与集成优化ꎬ全面实现能源的梯级利用与多能协同供应ꎬ进而从根本上完成供热系统低排放高效能需求.根据目前多能互补供热领域的实际发展现状ꎬ未来的研究工作还需有以下４个方向:
(１)未来的能源产业结构将持续优化升级ꎬ研发应用更多可再生㊁清洁能源ꎬ同时将各个能源进行匹配联合运行ꎬ保证其在最佳能耗状态下工作ꎬ将解决环境污染和能源危机问题ꎬ实现清洁低碳能源高速发展.
(２)目前的文献中引入了不同的算法ꎬ对清洁能源的供热系统进行前瞻性的优化ꎬ但大多停留在理论分析㊁建模和仿真阶段ꎬ对于结合新能源优化换热站没有具体的设计改造和运行项目的实现. (３)北方严寒地区热负荷需求过大ꎬ如果使用分布式新能源ꎬ供暖消耗的财力将大幅增加.所以这项研究落地应用应从小区域开始ꎬ在优化改进中逐步实施ꎬ并将需要一些政府的鼓励性政策与补贴. (４)应加快能源智能热网的集成研发ꎬ供能系统将通过数控方法利用温度传感器获得温差后自动微调并自动对系统中的设备进行负荷分布ꎬ实现系统能耗的最优运行.整个系统的故障诊断必须准确及时ꎬ实现真正的多能智慧供热.
参㊀考㊀文㊀献
[１]王伟ꎬ张富荣ꎬ郭庆慈ꎬ等.空气源热泵在我国应用结霜区域研究[Ｊ].湖南大学学报(自然科学版)ꎬ２００９ꎬ３６(１２):９￣１３. [２]徐伟ꎬ刘志坚.中国地源热泵技术发展与展望[Ｊ].建筑科学ꎬ２０１３ꎬ２９(１０):２６￣３３.
[３]范洁ꎬ杜凤丽ꎬ孙建朝.太阳能热发电最低投资定量分析[Ｊ].华电技术ꎬ２０１８ꎬ４０(１０):６９￣
７２.
[４]肖黎明.设备衰减率对太阳能光伏发电利用小时数的影响分析[Ｊ].华电技术ꎬ２０１７ꎬ３９(１２):６７￣６９ꎬ７２.
[５]王博渊ꎬ何涛ꎬ黄祝连ꎬ等.基于太阳能的多能源互补供热装置的研究与开发[Ｊ].建筑科学ꎬ２０１７ꎬ３３(１２):７０￣７５.
[６]姚军.医院建筑污水源热泵系统设计[Ｊ].制冷与空调ꎬ２０２０ꎬ２０(５):５６￣５９.
粉底原料
[７]周刚.多能互补园区综合智慧能源项目开发[Ｊ].科技与创新ꎬ２０１９(２３):１０７￣１０８.
[８]杜洋洋.户用生物质能㊁太阳能联用供暖㊁供热水系统研究[Ｄ].天津：河北工业大学ꎬ２０１７.
[９]鹿浩伟.太阳能秸秆沼气系统的热性能分析及实验研究[Ｄ].南京：东南大学ꎬ２０１６.
[１０]于蓬ꎬ魏添ꎬ刘清国ꎬ等.分布式清洁供暖及氢能热电联供装置应用分析[Ｊ].汽车实用技术ꎬ２０２０(５):４￣７ꎬ１０.
[１１]ＲＥＮＨＢꎬＷＵＱꎬＧＡＯＷＪꎬｅｔａｌ.Ｏｐｔｉｍａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆａｇｒｉ
ｄ￣ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｈｙｂｒｉｄＰＶ/ｆｕｅｌｃｅｌｌ/ｂａｔｔｅｒｙｅｎｅｒｇｙｓｙｓｔｅｍｆｏｒｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
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