北方采暖區應用太陽墻系統采暖的可行性研究

河南化工職業學院 ■ 謝宜燕

鄭州大學化工與能源學院 ■ 龔咪咪 孟祥睿 馬新靈 魏新利

一 引言

隨著社會和科技的進步，全球變暖所產生的影響不僅是氣候和全球環境領域的問題，更是一個涉及到人類社會生產、消費、生活方式以及生存空間等社會和經濟發展領域的重大問題。據統計，建筑能耗在我國能源總消費中所占的比例已達到27.6%，其中近60%為采暖能耗，是同等條件下發達國家住宅單位面積采暖能耗的2～3倍[1]。高能耗不僅造成資源的浪費，還加劇了城市的大氣污染。因此，降低能耗、推行建筑節能工作刻不容緩。利用太陽能供暖是建筑節能的有效途徑之一，太陽能取之不盡、用之不竭，成本低廉，潔凈，安全，對供暖這種低品位熱量需求時具有很大的優勢。太陽能采暖是一種以太陽輻射為熱源，補償建筑物的耗熱損失，維持室溫達到一定標準的新型采暖方式，既節約了常規能源，又減少了環境污染。

近年來一種叫做太陽墻(SOLAR WALL)的新技術正在歐美一些國家悄然興起，并迅速推廣。太陽墻系統是太陽房的一種，用來為建筑提供保溫和通風。它解決了目前建筑采暖中普遍存在的空氣品質、外墻熱損失和較高燃料成本三大問題，同時很好地解決了太陽能建筑設計一體化的問題，實現了技術與藝術的有機結合[2]。本文主要利用RETScreen軟件對我國采暖區主要城市應用太陽墻系統的可行性進行分析和研究。

二 太陽墻系統簡介

太陽墻系統原則上屬于被動式太陽能采暖系統，由集熱和氣流輸送兩部分組成。集熱系統包括垂直墻板、遮雨板和支撐框架；氣流輸送系統包括風機和管道。太陽墻系統核心組件是太陽墻板。太陽墻板是在鋼板或鋁板表面鍍上一層熱轉換效率達80%[3]以上的高科技涂層，并在板上開有許多微小孔縫，經過特殊設計和加工處理制成的，能最大限度地將太陽能轉換成熱能。太陽墻板組成太陽墻系統的外殼，覆于建筑外墻的外側，太陽墻板材與墻體的間距一般在200mm左右，形成的空腔與建筑內部通風系統的管道相連，管道中設置風機，用于抽取空腔內的空氣(見圖1)。太陽墻板有多種色彩選擇，易于融入建筑整體風格。

太陽墻系統的工作原理：冬季室外空氣通過小孔進入空腔，在流動過程中獲得板材吸收的太陽輻射熱，受熱壓作用上升，進入建筑物的通風系統，然后由管道分配輸送到各層空間；同時，墻體向外散失的熱量被空腔內的空氣吸收，在風扇運轉的情況下被重新帶回室內。這樣既保持了新風量又補充了熱量，使墻體起到了熱交換器的作用。夏季，當室外氣溫足夠高(一般為18℃)，不需要對空氣進行加熱時，溫度感應和控制器可以感應室外溫度并控制建筑外部的節氣閥打開，新鮮的通風空氣直接進入建筑進行通風降溫。

太陽墻理想的安裝方位是南向及南偏東西20°以內，也可考慮在東西墻面上安裝。坡屋頂也是設置太陽墻的理想位置，它可方便地與屋頂的送風系統聯系起來。太陽墻系統可分為墻面型太陽墻系統和屋頂型太陽墻系統，其中墻面型太陽墻系統如圖1所示。

圖1 墻面型太陽墻系統示意圖

因為太陽墻設計方便，作為外墻，美觀耐用，所以應用范圍廣泛，可用于任何需要輔助采暖、通風或補充新鮮空氣的建筑，建筑類型包括工業、商業、居住、辦公、學校、軍用建筑及倉庫等，還可以用來烘干農產品，避免其在室外晾曬時因雨水或蟲害而損失。另外，該系統安裝簡便，可安在任何不燃墻體的外側及墻體現有開口的周圍，便于舊建筑改造。

三 我國北方采暖區主要城市太陽輻射量

表1 我國北方采暖區主要城市的日均太陽輻射量

根據采暖度日數和空調度冷數不同，我國分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ(嚴寒、寒冷、夏熱、冬冷、溫和)5個不同的氣候大區，10個不同的氣候小區。其中嚴寒、寒冷地區冬季寒冷，即通常所說的北方采暖地區，這部分區域面積占我國國土面積的70%，主要包括北京、天津、河北、山西、內蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、山東、河南、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆15個省(自治區、直轄市)[5]。本文以北京、天津、石家莊、濟南、鄭州、太原、西安、呼和浩特、沈陽、長春、哈爾濱、蘭州、銀川、西寧、烏魯木齊共15個城市為研究對象，根據RETScreen軟件中的氣象數據庫(由美國國家航天航空局NASA提供)可得各個城市每年的日均太陽輻射量，如表1所示。

從表1中可以看出，所選的這15個城市位于我國太陽能資源分布區的二、三類地區，是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區[6]，每年的日均太陽輻射量在3.34～4.46kWh/(m2·d)，具有利用太陽能的良好條件。因此這些地區有利用太陽墻系統用于采暖通風的潛力。

四 RETScreen軟件計算結果及分析

RETScreen軟件是借助于眾多來自政府、工業、學術界專家的幫助而開發的獨特決策支持工具。它可在全球范圍內使用，用以評估各種能效、可再生能源技術(RETs)的能源生產量、壽命周期成本、減排量和財務風險。目前已在全球222個國家和區域有超過25萬個用戶[7]。該軟件的開始界面如圖2所示。本文以某一在供暖季需供暖的教室為例，應用RETScreen軟件建立該教室的能量模型，對其安裝太陽墻系統的可行性做供熱量、溫室氣體減排、經濟性等方面的研究。已知該教室的建筑面積為70m2，可容納60位學生上課，教室朝向南，南向外墻安裝太陽墻板的面積為24m2，其成本(包括安裝等費用)是2920美元[8]。利用RETScreen軟件計算分析時的主要參數及其數值見表2。

圖2 RETScreen軟件開始界面

表2 RETScreen軟件計算分析時的關鍵參數

1 年供熱量分析

年供熱量是指安裝的太陽墻系統每年收集的太陽輻射量。RETScreen軟件具有月資源計算的年度分析功能，可首先建立能量模型計算太陽墻板每月可利用的太陽能，然后計算太陽墻集熱板的效率和太陽能利用系數，最后得到該系統每年收集的太陽輻射量。計算公式為：

其中：Gcoll,i為太陽墻板某月可以利用的太陽能，i為月份；Gtilt,i為太陽墻的日平均太陽能值；fop,i為太陽能空氣加熱系統的運行時間；η為太陽墻集熱板的效率；α為集熱板的吸收率；ρ為空氣密度；Cp為空氣的比熱容；v′wind為集熱板表面的月平均風速；Q·coll為通過集熱板的氣流速率；futil,i為利用系數；△Tact為集熱板實際平均溫度升高值；△Tavl為可獲得的溫度升高值；Qsol為集熱板每年實際收集到的太陽能總量。

根據RETScreen軟件的計算結果可知，15個城市每年收集的太陽輻射量如圖3所示。從圖3可以看出，年供熱量最大的城市是太原，可以達到5.7MWh，這是因為太原的太陽能資源豐富，由表1可知其日均太陽輻射量為4.46kWh/(m2·d)，是15個城市中最大的；其他幾個年供熱量較大的城市分別是呼和浩特、西寧、銀川和哈爾濱，年供熱量都在4.5MWh以上。而年供熱量最小的城市是西安，因為西安的太陽能資源較少，所以太陽墻每年收集的太陽輻射量只有2.2MWh。

圖3 不同城市太陽墻系統年收集的太陽輻射量

2 年溫室氣體減排量分析

RETScreen溫室氣體減排分析模型是由加拿大自然資源部(NRCan)，聯合國環保署(UNEP)及其能源、氣象和可持續發展中心(RISˉ URC)和世界銀行溫室氣體減排基金(PCF)共同開發的標準方法，并經過政府和工業界專家小組的驗證。在本案例中，RETScreen軟件計算太陽墻系統的溫室氣體(GHG)年減排量，單位是CO2t/a，同時根據溫室效應，將CH4及N2O等其他氣體排放量轉換成等量的CO2排放量，其計算結果見表3。從表中可見年溫室氣體減排量最多的城市是太原，為5.6t/a；而年溫室氣體減排量最少的城市是西安，為2.3t/a。雖然，這些減排量看起來很少，但是這只是24m2太陽墻板的年溫室氣體減排量，如果一個城市的住宅、工廠、學校等都安裝了太陽墻系統，那么每年的溫室氣體減排量將達上千萬t，可大大減少對環境的污染。

表3 不同城市的溫室氣體年減排量

3 經濟性分析

RETScreen軟件通過一些重要的經濟指標如簡單回收期、凈現值、內部收益率和資金回報率等對項目進行詳細的經濟性分析，從而全面評估太陽墻系統的經濟效益。

圖4 不同城市太陽墻系統的內部收益率和資金回報率

圖5 不同城市太陽墻系統的凈現值

簡單回收期(SP)是指用每年的節省值來抵消成本投入所需的年數，簡單回收期越短說明項目收回成本的年數越短，項目的可行性越大。15個城市太陽墻系統的簡單回收期如圖6所示。由圖6可知，當項目壽命期是30年時，簡單回收期最短的是太原，是5.6年，說明在太原安裝太陽墻系統只需5.6年即可收回成本；而簡單回收期最長的是西安，為13.6年。另外，北京、濟南和鄭州的回收期也較長，簡單回收期都在10年以上，而其他城市的簡單回收期則在10年以內。

收益－成本(B-C)比率是指項目收益和成本的比率，當其值大于1時表示該項目有利可圖。本例中15個城市太陽墻系統的收益－成本比率如圖7所示。從圖7可以看出，15個城市太陽墻系統的收益－成本比率都大于1，說明這15個城市安裝太陽墻系統都是有經濟效益的，即在經濟上都是可行的。其中太原的收益－成本比率最大，為2.49，說明收益大于成本，經濟性較好；而西安的收益成本比率最小，只有1.03，說明收益和成本基本相當，收益稍大于成本。

通過上面的計算和分析可知，這15個城市安裝太陽墻系統在經濟上都是可行的，其中太原因當地太陽能資源豐富，簡單回收期只有5.6年，凈現值可達4365美元，收益－成本比率為2.49，在該地區安裝太陽墻系統的經濟利益非常可觀，在經濟上具有較大的吸引力和競爭性。相比之下，西安安裝太陽墻系統的凈現值只有93美元，簡單回收期長達13.6年，收益－成本比率只有1.03，經濟利益較小，吸引力和競爭性不強。

五 結論

通過對我國北方采暖區15個主要城市安裝太陽墻系統的可行性進行分析和研究，得出以下結論：

(1)我國北方采暖區主要城市的太陽能資源豐富或較豐富，具有利用太陽能的良好條件，對于所選的墻板面積為24m2、吸收率為0.95的太陽墻系統來說，每年收集的太陽輻射量范圍是2.2～5.7MWh，其中西安收集的太陽輻射量最小，太原收集的太陽輻射量最大。

(2)對于一塊墻板面積為24m2、吸收率為0.95的太陽墻系統來說，我國北方采暖區這15個城市的年溫室氣體減排量分別是2.3～5.6 CO2t/a，大大減少了對環境的污染。

(3)我國北方采暖區的這15個城市及相關區域安裝太陽墻系統在經濟上都是可行的，以所選的墻板面積為24m2、吸收率為0.95的太陽墻系統為例，其內部收益率和資金回報率的最大值是21.2%，凈現值最大為4365美元，簡單回收期最短是5.6年(項目壽命期為30年)，收益－成本比率最大可達2.49，經濟利益可觀、具有較強的吸引力和競爭性的城市是太原。

綜上可知，我國北方采暖區所有地區都適合安裝太陽墻系統，且部分地區的經濟利益可觀，具有利用太陽墻系統進行供暖的巨大潛力和良好前景。

[1]徐偉, 鄭瑞澄， 路賓.中國太陽能建筑應用發展研究報告[M].北京: 中國建筑工業出版社,2009.

[2]王崇杰, 何文晶, 薛一冰.歐美建筑設計中太陽墻的應用[J]. 建筑學報, 2004, 8:76－78.

[3]衛欣.一種公共建筑上的太陽墻系統[J]. 太陽能, 2007, 1: 28－29.

[4]徐冬. 多孔太陽墻系統傳熱與流動的數值模擬[D]. 華中科技大學, 2007.

[5]胥小龍. 北方采暖地區供熱計量及節能改造政策[J]. 建設科技, 2008, 7:1－33.

[6]羅運俊, 何梓年, 王長貴. 太陽能利用技術[M]. 北京: 化學工業出版社,2005.

[7]RETScreen International. Empowering Cleaner Energy Decisions[EB/OL]. http://www.retscreen. net/ang/home.php.

[8]RETScreen International.Clean Energy Project Analysis Software:Case studies and Templates[EB/OL]. http://www.retscreen.net/ang/case_studies_classroom_canada.php.