太陽能熱泵供熱系統的應用及經濟性分析

李耿華 師紅濤 李 娟

隨著世界能源危機的進一步嚴峻化,如何開發利用可再生能源已引起了世界各國的重視,而房屋建設中的節能技術則成為了人們關注的重點。我國房屋建設的節能問題已經成為社會的全局問題,太陽能建筑作為一項有效的節能措施在我國逐漸受到社會各界的廣泛關注[1]。在太陽能熱利用系統中,太陽能供熱系統(包括太陽能供熱水系統和太陽能供暖系統)最先實用化。太陽能熱泵供熱系統自20世紀50年代由Jordan和Threlkeld提出后,國內外學者進行了大量的研究工作,并開發出多種形式的太陽能熱泵系統,并已投入工程應用[2-4]。

1 太陽能熱泵供熱系統

將在低溫時集熱效率較高的太陽能集熱器和蒸發溫度較高時系統效率較高的熱泵系統相結合,采用太陽能加熱系統來作為熱泵系統的熱源,這種太陽能與熱泵聯合運行的系統被稱為太陽能熱泵系統(如圖1所示)。太陽能熱泵供熱系統的優點[7]使得它受到了廣泛的關注,文獻[6]以哈爾濱地區為評價地區對太陽能熱泵的經濟性進行了分析,得出太陽能熱泵供熱值得大力推廣和應用。現以青島市為評價地區進行經濟性分析,來考察太陽能熱泵供熱系統在青島市的可行性。

2 四種供熱系統的技術經濟評價

2.1 初期投資比較

2.1.1 太陽能熱泵供熱系統

根據青島市的氣象資料,平均太陽輻射功率為:

其中,H為青島市年太陽輻射總量,取 H=4.7×109kJ/(m2?年);T為青島市年總日照時間,取 T=2 541.2 h/年;Pb為平均太陽能集熱器吸熱功率,W/m2;βγ為太陽輻射的利用系數,取βγ=0.85;ηγ為太陽能熱泵集熱器的熱效率,取ηγ=0.70。

熱泵供熱系統平均單位面積集熱器當量吸熱功率為:

其中,COP為太陽能熱泵的平均供熱系數,取COP=3.5。

要滿足供熱功率0.7 MW,需要的集熱器面積為:

單位面積集熱器費用按550元計算(其中包括壓縮機機組的費用、工質費用、管路費用、安裝費用、調試費用、輔助件費用等),設備和控制室的費用與鍋爐房的費用相當,按50 000元計算,則太陽能熱泵系統的初期投資費用為:

其中,Msb為太陽能熱泵供熱系統設備和控制室的費用,取Msb=50 000元;Rb為單位面積集熱器價格,取 Rb=550元/m2。

2.1.2 燃油、燃氣和電加熱鍋爐供熱系統

燃油、燃氣和電加熱鍋爐初期投資費用相當。按目前的市場價格,一臺0.7 MW 的鍋爐及相關附件為100 000元,鍋爐房設備費用 50 000元和安裝、調試費用5 000元,則燃油、燃氣和電加熱鍋爐供熱系統的初期投資為:

從上面的分析計算結果看,太陽能熱泵供熱系統的初期投資費用約為其他三種供熱系統的5倍～6倍。

2.2 年運行費用的比較

工作人員工資按12 000元/年計算,設備的維護、維修費按初期投資的1%計算,各系統的年運行費用計算如下。

2.2.1 太陽能熱泵供熱系統

太陽能熱泵系統運行費用主要是壓縮機耗費的電能,對于供熱功率為0.7×106W、供熱性能系數為3.5的太陽能熱泵系統,壓縮機的耗電功率為:

其中,Dy為年計算時間,取Dy=365 d;Mm為工作人員年管理工資費用,取 Mm=12 000元/年;Mcr為太陽能熱泵初期投資,取 Mcr=847 775元;Wz為維護折算系數,取 Wz=1%。

2.2.2 燃油鍋爐供熱系統

燃油鍋爐的系統運行費用主要集中在燃油費用上,此處不計其耗電費用。燃油鍋爐效率按85%計算,熱功率為0.7×106W時,每小時耗油量為:

其中,qy為柴油熱值,取 qy=42 700 kJ/kg;ηy為燃油鍋爐效率,取 ηy=85%。

2.2.3 燃氣鍋爐供熱系統

燃氣鍋爐的系統運行費用主要集中在燃氣費用上,此處不計其耗電費用。燃氣鍋爐效率按85%計算,熱功率為0.7×106W時,每小時耗氣量為:

其中,qq為天然氣熱值,取 qq=34 000 kJ/kg;ηq為燃氣鍋爐效率,取 ηq=85%。

燃氣鍋爐每天燃氣費用為:

燃氣鍋爐每年的運行費用為:

其中,Mcq為燃氣鍋爐初期投資,取 Mcq=155 000元。

2.2.4 電加熱鍋爐供熱系統

電加熱鍋爐供熱系統的運行費用全部為耗電費用,其每天運行的耗電費用為:

其中,Mcd為電加熱鍋爐初期投資,取Mcd=155 000元。

通過計算結果表明:在供熱功率相同的條件下,電加熱鍋爐的年運行費用最高,其次是燃油鍋爐與燃氣鍋爐,太陽能熱泵系統最低。

2.3 綜合評價

假設電加熱鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐、太陽能熱泵供熱系統的壽命期都為15年[7],系統殘值為10%,以電加熱鍋爐為基準,上述供熱系統按靜態分析比較的結果見表1。

表1 各種供熱系統靜態經濟性比較(相對電加熱鍋爐)

則壽命期滿后,太陽能熱泵總費用最小,其次是燃氣鍋爐,再次是燃油鍋爐,電鍋爐費用最高。

利用動態的年計算費用法進行比較,其計算公式[8]為 :

其中,Z為按動態法計算的年計算費用,元/年;K為投資額,元;i為利率,%,取 i=5.94%;m為使用年限,按 m=15計算;C為年運行費用,元/(m2?年)。

按上式計算所得數值最小的方案是最優方案。其計算結果如表2所示。

表2 動態的年計算費用 元/年

由表2可知:太陽能熱泵系統最優,其次是燃氣鍋爐,再次是燃油鍋爐,最后是電加熱鍋爐。

從靜態或動態的初期投資和運行費用綜合方面比較來看,在目前的燃料價格和銀行利率條件下,當供熱功率相等時,上述四種供熱系統,以太陽能熱泵供熱系統最經濟。

3 結語

本文以青島市0.7 MW 供熱功率為對象,對太陽能熱泵、燃油鍋爐、燃氣鍋爐和電加熱鍋爐四種供熱系統進行了初期投資、運行費用等影響因素的綜合技術經濟分析和比較,得出以下結論:

1)太陽能熱泵供熱系統的初期投資較大,為 847 775元,而用鍋爐供熱系統的初期投資均為155 000元。

2)在四種供熱系統中,太陽能熱泵的年運行費用最低,為299 943.65元/年;電加熱鍋爐最高,為 991 680.65元/年。通過靜態和動態技術經濟分析比較,太陽能熱泵系統在壽命期內的經濟性最優,其次是燃氣鍋爐,再次是燃油鍋爐,最后是電加熱鍋爐。

[1] 仲繼壽.太陽能建筑發展的中國之路[J].太陽能,2008(12):34-37.

[2] 曠玉輝,王如竹.太陽能熱泵供暖系統的實驗研究[J].太陽能學報,2002,23(4):408-413.

[3] 韓宗偉,鄭茂余,劉 威,等.嚴寒地區太陽能—土壤源熱泵相變蓄熱供暖系統[J].太陽能學報,2006,27(12):1214-1218.

[4] 陳林根,孫豐瑞,陳文振.太陽能動力裝置集熱器最佳工作溫度[J].太陽能學報,1991,12(2):191-195.

[5] 韓宗偉,鄭茂余,李忠建,等.太陽能熱泵供熱系統的熱經濟性分析[J].太陽能學報,2008,29(10):1242-1246.

[6] 白永峰,胡永峰.太陽能熱泵供熱系統經濟性分析[J].煤炭工程,2007(10):31-34.

[7] 鄭瑞澄.《太陽能供熱采暖工程技術規范》編制要點[J].建筑節能,2008(11):49-53.

[8] 石久勝,韓 晶.太陽能開水器的經濟性分析[J].節能技術,2005,23(132):372-374.