第39卷，总第226期2220年3月，第2期
《节能技术》
关于你的回忆ENERGY CONSERVATIAN TECHNOLOGY
Vol.39,Sum.No.226
Man2220,No.2
基于TRNSYS的北方农村地区多能源
互补系统优化设计
孙志鹏
(中国大唐集团科学技术研究院有限公司火力发电技术研究院，北京100243)
摘要：长期以来，我国北方严寒地区农宅的采暖方式普遍存在热效率低、污染严重等问题。
本文以石家庄西北部山区典型农村住宅为研究对象，综合考虑太阳能储能、生物质能及空气源热泵，提出了一种适用于农村散户的多能互补供暖系统，基于TRNSYS/GexO/t软件对供暖系统进行
数值研究，并以年运行费用为优化目标，对系统运行控制逻辑进行优化设计。结果表明：生物质-
太阳能系统与空气源热泵系统之间能够形成有效的互补，当临界切换温度设定为-3°C时，相较于
空气源热泵系统，多能互补供暖系统能够降低农宅取暖费用约20%，整个供暖季生物质能贡献率
约为07%0
关键词：多能互补系统；太阳能；储能；生物质；农村供暖;TRNSYS
中图分类号:TP277文献标识码:A文章编号：742-6339(2420)42-4073-45
Optimization Design of Multi-enerdy Complementary System in Northerd
Rural Areas Usiny TRNSYS
SUN Zhi-peng
(China Datang CorpoetWv Science and Technolovy Research Institute Theunal Power Technolovy
Research Institute,Beijing140440,China)
Abstryct:For a long time,the pmUPms of low theunal eOiciency and seuous pollution have existed in the heating system of faun hovso in the severe cold area of North China.This paper tabes the typOal met hovsOa in the northwest mountainous area of SSijiazVnana as the stuUy ohject.and proposes a multi-en-pyy complementam heating system suitable for rural retail investors by compedpsiyOy considers the so
lar eneryy storage,biomass eneryy and air source heat pump.Based on TRNSYS/GenOpt soUware,the heating system was nnmeUcally studied,and the system operation coxtml loyir was optimized with the an-nnal operating cost as the op/mizUiov goal.Results have shown that the biomass-solar eneryy system and the air source heat pump system can form an eUective complementam ,and when the switching temperature is set at-3C,compared with the air source heat pump system,the multi-eneryy complemen-tuy heating system can reduce the heating cost of naU dousing by about20%,and the biomass eneryy covtributiov rate of the whole heating season is about07%.
Key wodt:multi-eneryy complementam system；solar eneryy；stored eneryy；biomass,the countmWbe heaUng；TRNSYS
收稿日期2422-47-22修订稿日期2422-00-29
作者简介：孙志鹏（70〜/男，博士研究生，主要从事园区智慧能源系统优化方面工作
圆寂是什么意思-173•
近年来，我国农村地区清洁供暖得到大力提倡，得力于北的阳光辐射量、生物质能丰富，空气源热泵、太阳能、生物质能源已经得到了比较广泛的应用[-4]，但由于运行方理、农宅保温性能题⑶2
能源之间不能够很好地互补2季供暖费高，清洁供暖的发展受到极大限制。
上述问题，国内外学优化配置及能源间的互面，进行了大量的数值与实验研究。张甫仁⑷环境一太阳能耦的联合供，并基于试验方法，实测联合供的运行及节能效果，结果表明，该太阳能耦联合供运行，节能效果显著，但其初投资较高且生物质能大2每户生物质能总量不的问题；张鑫⑸等基于实验方法研究了太阳能储能运行，结果表明该能极气下保证室内温低于20C，且能效
的中供；陈闯一于北的基于太阳能、空源热、生物质耦的联供，基于TRNSYS数值法，分析了系供暖运行，仿真结果表明，该制热，太阳能贡献率高达43%，且生物质能源得到了
应用；ZHANG Xing-huiW等结合Edooyplus软件与实验法研究一于供的太阳能-生物质多能互，研究表明该运行，其中生物质能占比约二，供一次能源利高达66.67%；韩中合[3]国北寒农
研究对象，基于太阳能与生物质提出
型供，基于动态数值的方法,
运行特性，研究表明该供统减少散煤燃烧2.351，年节约5446元，供暖效果较好;A.M.Hemeido⑼等结合实验与数值方法，研究及太阳能耦合风能运行:，结合实测的太阳能辐射数据与风能源数据给出了最优；陈[2]TRNSYS软件，建土壤源热泵热水复型其进行数值研究，结果表明TRNSYS能仿真运行特，该热泵热水复能冷热大地区建筑供冷、供热及生活热水，运行。
上所述，目北供暖的研究中，清洁能源与空气源热间缺少深度耦计,
生物质能源的种类及全年分布少，本文基于TRNSYS/GenOpt软件2
一户的多能互补供及其多能耦合运行控制，并对系统互补运行控制策略进行优化，实现了生物质能、太阳能及空气源热泵间多能互的最大化。
1系统概述
户大的地下储热水箱，农作物
、家畜养、厨生物质能源丰富，于供仅减少还田的病虫
题，而且生物质能源供热受环境温，应用；同时，农宅供暖采用单独的空气源热泵系，当室外温低时，热泵制热效率大大降低，是供暖运行费高的主一。本文结北石家北部实
采用太阳能储能、生物质能及空气源热的能源联供，能源间互，低供费，高能源
效率。住-生物质燃烧-太阳能集热器-空气源热泵-储能多能互补供图如图、所示。
地板辐射取暖单元
图、农宅生物质-太阳能-空气源热泵-
能多能互补供图
该：空气源热泵系统与太阳能-生物质供。
太阳能+生物质
zr
1
空气源
热泵
热泵
太阳能
集热器
水箱
11
0*
1打11了1b
-/X/
4实例分析
2.1农村住宅建筑概况
本石家庄市西北部一处单研究对象，住、丿，建筑面积为103m4，建筑10m，宽10.3m，房屋高度4m，房屋四置保温层。
2.2当地气象数据及热负荷预测
TRNSYS软件的气象参数读取了石家庄市气象参数2年逐时的室外温度、太阳辐射量，基于建筑能耗计算获得供暖季逐时热，采暖季从11月2日0始，到第二年3月2日结束，供暖季计算热50W/m4，最大热500kj/h，累计热 6.1x107kJ。
-24•
2.3当地生物质资源分析
实际调研，该生物质资源主•动物、厨及，其中动物主要由大型养产生2米秸秆、小麦秸秆、高粱谷物等。
其中动物与厨于池发酵，沼气产量受气候大，冬季产量较低，因此本
置存 ，将夏季产生的去厨房需求，全部储存。
大型养，基于实际调研数据，得到该-月份分布图，如图2所示。
22f
024681012
月份
图0全年沼气产量-时间分布图
其中，沼气低位热能取23.6MJ/m3，根据实测数据及调研，取壁炉制热效0.8。秸资源较为丰富，有利于冬季取暖,3置生物质。基于实际调研数据，平均每户7亩算，得到该年布，如图3所示。
图3全年逐月秸秆产量分布图
其中，秸秆燃烧低位发热量取7.6MJ/ky，根实测数据及调研数据，生物质燃烧供暖模块制热效率取0.7。
5仿真分析及配置优化
3.1数学模型
3.01太阳能集热器
中的太阳能集热器最佳倾角安装，集热器总集热量计算公式如式(1)与式(2)
。
Q总=^s・4(4
丿二X。+人(2)
COS OL
式中0总集热器总集热量/MJ；
J—集热器面辐射度/MJ•(m2-h)-1；
s------集热a;
4------集热器面积/m2;
J b——水平面辐射度/MJ•(m2-h)-1；
J d——散射辐射度/MJ•(m2.h)-1；
a——当地维度/°。
3.1.2生物质发热量计算
的低位热值及燃烧系数，生物质燃料燃烧总发热量计算公(3))
n
Q生二E厶・6•他(3)
=1
式中Q生一一生物质总热量/MJ；
q ri---第，种生物质低位热C/MJ-ky"1；
6——第，种生物质燃烧系数，在本文研究，通过实测数据，对该系数进行校正；
他---第，种生物质总量/ky。
3.2仿真模型建立及验证
TRNSYS软的住宅供统行仿真模拟2、生物质、太阳能集热器、空气源热泵、蓄热水部内系型。－生物质燃烧－太阳能热器－空源热泵-储能罐多能互补供仿真模型图如图4所示。
员荷模块
图4生物质-太阳能-空气源热泵-储能模型图
其中的运行：
(4原始工况，即空气源热单独供热。
图4所示，该运行下，通过修改混与分水控制信号来实现空气源热单独制热，而太阳能+生物质停止运行；
(2)互补运行，结合空气源热泵运行曲线能够发现，当室外温低时空气源热COP 明显降低，而生物质受室外温，因此室外温高(比如M1C)时，由空气源热泵系
-197
-
统供热，而当室外温 低时（比如低于1 °C ）时,
空气源热泵停止运行，首先由太阳能储能供热，耗尽由生物质能供暖。如图4所示，在该运行
中，检测室外温度、室外辐射量及Tyye-0信号控制
混 及分水阀，实现 室外温度下空气源热泵
的启停，保证其制热性能保 高水平，通过检测
热泵水箱及太阳能储热水箱水温控制生物质
的启停。
本文基于 太阳能集热器实际使 ，结艳峰［、］
的太阳能采
热水
容积计算公式2 能互补供 中太阳
能蓄热水箱主要参数，并基于某典型日逐时的储热
水箱实测数据，对集热器模型进行验证，仿真结果与
图5太阳能集热器模型验证
验证结果如图5所示，太阳能集热器储热水箱 温度仿真结果与实测数据最大 3%，误，由
该太阳能集热器模型计算精度较
高，能
算太阳能集热器运行 。
型中空 源热
其 中
行了校核验证，首先运用TRNSYS 软件，基于验证
的 供 能耗 型 空 源热 供
动态仿真模型2
比典型日热泵启停时间比、典型
耗量对本文中的空气源热 型外部性
能
行了校核验证。
本文主 米 、小麦 及其他生
物质燃料
生物质能，不同生物质能的燃烧系数实测数 行了校正，最终玉米 0.73，小
麦 0.74，其 0.3，从而 公式（3），基于Fortran 语言，在TRNSYS 仿真 的生物质燃烧 。
3.3系统仿真结果分析
供暖季设置为1、月16日至次年3月2日，根
运行
点，取 典型 ：典型
日、为首供暖日，即1、月2日0时至24时，对应于
、〜24 /典型日3
，即12月21 0 0时至
24时，对应于25〜49 ho
空气源热泵单独运行时，结合热泵COP 能效曲
线 ，室外温 高时，供
低且热泵能效
高2 供暖能耗低，节能效果较好；而其他
，
室外温
低2
仅供
力口，且空
源热泵能效降低，从而 热泵能耗大大增加。
于空气源热泵制热性能受室外温
大，生物质能燃烧供暖基本不受环境温
，同时
太阳能集热器产生的热水
于实时的供暖，而
是储存于储热水罐，用于室外温 低时的
供
容易受环境温 。
一问题，本
互补运行模式，其运行
图6
。
10
图7系统互补运行模式热平衡分析
由图6能够看到，当室外温 高时（中午11
〜 下 17 ） 空 源热 制 热，
的 太阳能以热水形
存起来，当室外温
低时（或晚
上20时后），太阳能储热优先制热，当储热耗
由生物质能制热。
由COP 图能够看到，互补运行 运行工况
下，热泵基本保
高的制热效率2
低制热
能效 高制热
运行，从而 效 低 能耗。
3.5系统配置优化
本文基于TRNSYS/GenOpt 功能模型，以年运行 费用最低 优化目标，对多能供
运行模
的
换温
行优化2 换温 由生
物质能 空气源热泵供暖的室外 温度，优化
范围-5〜3 °C，间隔、°C 。
能耗主 空气源热
耗 侧
循环泵及太阳能集热器水 耗，见公式（4）所示
C totai =（丿热泵系统+丿集热水泵+丿循环系统）x +
f M
y （4）
式中Coot ——系统运行总费用；
”——
;
M 与y ---生物质能总消耗质量及其价格。
-26
•
结 实 ，当生物质能消耗量小于
图4所示每户全年总产量时,2 2
置为一个极大值(即
生物质能)；
于 1 000 kwe 时为 0.7^awn ，否 0.3兀/码。
优化结果表明，3 换温度最优解为-3 C ，中提出的多能互补供
采暖季运行费用
最低，为4 100元，相较于
的空气源热泵单独供，降低 取暖费用约21%。图7为不同临换温
整个供暖季 运行电耗量及生物质
能消耗
，其中耗电量
总运行费用，生物质
能指其总 量2〜另」
11月、、2月、
月、2月及3月，“太阳能+生物质”指的是二者低
位热值
。
^^0
習冒冒屮0
空量
代鬆蝕(-l w (-2蝕(-3徽(-4徽(-5& 量质量质量质量质量囲量质量质粕 电物电物电物电物电物电物电物始 耗生耗生耗生耗生耗生耗生耗
生原 三三二三三一图7系统运行能耗及生物质能消耗情况
图7所示，不同的 换温度直接 生
物质能在整个供暖季的消耗 ，由于生物质能总
量与 供暖季总能耗 值，而空气源热泵制热 效 温 低而明显降低，因此只有使生物质 能最大化 空气源热泵的低能效运行，才能够实
现 能互补的最大化。结合典型 运行特
2
换温度大于-3C 时，生物质能过
的被消耗在室外温
高工况下，而 供暖季,
空气源热
低的室外温度下运行，增加了
运行费用，且供暖期早期(11月4日〜7月4日)
运行费
整个供暖季占比
汪峰的歌曲北京北京，主要费用产
生在供暖季中期2 换温度高于-3C 时,
其大小变化 总运行费
；而 界
换温度低于-3C 时，供暖季结束时生物质能尚未 ，且直接增加了空气源热泵低能效状态运行时
间，则不能
生物质能，从而不能 效降
儿童节祝福语简短一句话低 运行费用,2
总运行费 大。
仿真结果表明2
换温 置为-3C 时,
整个供暖季生物质能供暖占比约4%。
4结论
本文基于实测数据与数值 法2 北
西北部 供 ，结合当地清
资源禀赋,4
生物质能+太阳能+空气源热留侯论
供
，并基于TRNSYS/OPT 软
运行
控制策略进行优化。得到结论：
(4本
的多能互补供 及其运行控
制 略能
能源 行 季供
，系统运行
2生物质能+太阳能”制热 :
能 与空 源热
效互 ；
(2) 多能互补供
运行 的最佳临
界切换温
-3C,3
运行费 低至
4 70元，较单独的空气源热泵供暖降低约21%，其
中生物质能供 约为4%。
(3) 供暖期早期(11月4日〜7月4日)系
运行费 整个供暖季占比 ，主要费用产生
供暖季中期2 换温度高于-3 C 时，其
大 变化
总运行费
； 而
换温度低于-3 C 时，供暖季结束时生物质能尚未
，直接 加 空 源热 低能效 态运行 间 其大 变化
总运行费
大。
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