太陽能熱水系統建筑應用工程環境效益和經濟效益指標計算方法研究

■ 王中原 龔紅衛 蔡成亮 管超

(1.南京工業大學城市建設與安全工程學院；2.南京工大建設工程技術有限公司)

0 引言

太陽能作為清潔的可再生能源，受到世界各國的重視。我國有豐富的太陽能資源，陸地表面每年接收到的太陽輻射能相當于17000億tce。當前，隨著我國對太陽能熱利用技術的開發，太陽能熱水系統產業在我國得到了前所未有的關注和發展。目前太陽能集熱系統環境效益與經濟效益評價體系及指標已成為重要的研究課題。

然而經相關研究表明，70%的實際工程應用效果低于設計值的80%，即依據設計指標，不能合理地反應實際工程的應用效果。因此，為達到預期效果，需要從實際工程應用效果指標出發，逆向驗證設計指標，在設計初期為其提供參考。

1 環境效益和經濟效益指標計算方法

1.1 單位集熱面積年系統得熱量(MJ/m2)

集熱系統得熱量[1]是由太陽能集熱系統中太陽集熱器提供的有用能量，單位集熱面積年系統得熱量，即1 m2太陽能集熱面積在1年內得到的有用能量。得熱量是太陽能熱水系統最重要的質量指標之一，主要用來評價系統實際得到的由太陽輻照轉化熱量的能力。

本文中單位集熱面積年系統得熱量不是由現場的太陽能熱水系統測試得出，而是利用當地全年太陽輻照量與集熱系統效率(以下公式均為太陽能全年使用)相乘得到。計算公式如式(1)～ (2)：

式中，hy為單位集熱面積全年太陽總輻照量，MJ/m2；x1、x2、x3、x4為全年太陽輻照量分段時期統計得到的各段天數，d； H1、H2、H3、H4為全年太陽輻照量分段時期得到的各段日平均太陽輻照量，MJ/m2。

式中，qj為單位集熱面積年系統得熱量，MJ/ m2；η為全年太陽能熱水系統集熱系統效率，%。

1.2 單位集熱面積年常規能源替代量(tce/m2)

所謂能源替代，往往是指替代石油、天然氣和煤炭等石化燃料的能源，包括風能、 太陽能、生物質能、海洋能、水能等可再生能源，也包括核能等不可再生能源。單位集熱面積年常規能源替代量，即1 m2太陽能集熱面積在1年內所能替代的常規能源量，是環境效益評價指標。

標準中能源替代量以標準煤為計算對象，計算公式為：

式中，qtr為單位集熱面積年常規能源替代量，tce/m2；q為標準煤熱值，MJ/kgce，取值為29.307 MJ/kgce；ηt為以傳統能源為熱源時的運行效率，按表1選取。

表1 太陽能熱水系統以傳統能源為熱源時的運行效率

1.3 單位集熱面積年節約費用(元/m2)

對于太陽能熱水系統，經濟效益主要體現在項目實施后每年節約的費用，即節約的常規能源量與該能源價格的乘積。單位集熱面積年節約費用即1 m2太陽能集熱面積在1年內所節約的費用。

常規能源為電時，計算公式為：

式中，Csr為太陽能熱水系統單位集熱面積年節約費用，元/m2；P為當地民用電價，元；Mr為太陽能熱水系統每年運行維護增加費用，元。

常規能源為天然氣時，計算公式為：

式中，Pr為當地天然氣價格，元/Nm3。

2 環境效益和經濟效益指標計算結果

2.1 計算條件

本文以南京地區為計算地點，太陽能熱水系統為全年使用，南京市全年太陽輻照量分段統計見表2。各分段的日平均太陽輻照量為Hi±0.5(i=1，2，3，4)。

表2 南京市全年太陽輻照量分段統計表(MJ/m2)

太陽能熱水系統集熱效率級別劃分見表3。在實際太陽能應用中能達到1級的集熱系統和資源區較少(資源Ⅱ、Ⅲ區較多)，因此本文計算選取2級、3級。太陽能熱水系統集熱效率為：42%≤η<65%。

表3 太陽能熱水系統集熱效率η級別劃分表

年節約費用的計算方式采用兩種：一種是電價，價格為0.8元/kWh；另一種是天然氣價格，價格為2.2元/Nm3。太陽能熱水系統每年運行維護增加費用為0元。

2.2 計算結果

將計算條件代入式(1)～式(5)，計算結果見表4。

表4 單位集熱面積環境效益和經濟效益計算指標

3 環境效益和經濟效益指標分析

3.1 指標應用意義

表4得出南京地區環境效益指標：以電為常規能源，年常規能源替代量為0.1934～0.3254 tce/ m2；以天然氣為常規能源，年常規能源替代量為0.0714～0.1201 tce/ m2。經濟效益指標：電價為0.8元/kWh，年節約費用為390.38～656.88元/m2；天然氣價格為2.2元/Nm3，年節約費用為116.18～195.50元/m2。

已得到南京地區的環境效益與經濟效益指標，就可估算出該地區總體或單個項目太陽能應用面積對應的環境效益和經濟效益。也有利于能源投資的初期預算與分配。

其他地區的環境效益和經濟效益指標可按照南京地區指標的計算方法計算得出。

3.2 指標影響因素

由計算公式(1)～(5) 可得，單位集熱面積環境效益和經濟效益指標影響因素為：日累計太陽輻照量、集熱系統效率、傳統能源種類和單價。

單位集熱面積年得熱量是環境效益指標與經濟指標的直接影響因素，而單位集熱面積年得熱量受日累計太陽輻照量、集熱系統效率的影響。利用固定變量法進行計算，見表5。

日累計太陽輻照量每個分段從最小到最高，年得熱量變化量為153.30 MJ/m2，增加8.71%。集熱系統效率從42%至65%，增加了23%，變化量為1045.95 MJ/m2，集熱系統效率每增加1%，系統年得熱量即增加2.59%。日累計太陽輻照量受天氣及地區的影響較大，受人為影響較小。集熱效率為太陽能集熱系統的硬件指標，并且影響年得熱量變化較大，因此在太陽能設計及施工時，應選取集熱效率較高的集熱器，并使其在額定的工作溫度范圍內運行。

表5 單位集熱面積年得熱量影響分析表

式(3)中常規能源的替代量受傳統能源種類的影響較大，以電為傳統能源的能源替代量約是以天然氣為傳統能源的2.71倍，說明以天然氣為傳統能源時比以電為傳統能源時省62.96%常規能源。

式(3)～式(5)得出年節約費用指標。指標同樣受傳統能源種類的影響，以電為傳統能源的年節約費用是以天然氣為傳統能源的3.36倍。說明以天然氣為傳統能源時比以電為傳統能源時省70.24%的年節約費用。

4 結論

1)各地區都有對應的環境效益和經濟效益指標，本文僅以南京為例進行計算，其他地區指標可按照南京地區指標的計算方法進行計算。

2)以環境效益和經濟效益指標可估算出本地區總體或單個項目太陽能應用面積對應的環境效益和經濟效益。只跟太陽能熱水系統應用面積有關，也有利于能源投資的初期預算與分配。

3)年得熱量直接影響環境效益和經濟效益指標的大小，南京地區日累計太陽輻照量每個分段從最小到最高，系統年得熱量增加8.71%。集熱系統效率每增加1%，系統年得熱量即增加2.59%。

4)計算環境效益指標時，以電為傳統能源的能源替代量約是以天然氣為傳統能源的2.71倍。

5)計算經濟效益指標時，以電為傳統能源的年節約費用是以天然氣為傳統能源的3.36倍。

[1] 魏鳳，呂曉華.關于太陽能熱水器得熱量測試方法的探討[J].計量與測試技術, 2009, 36 (5): 24－25, 27.