基于全生命周期的太陽能供暖系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

方桂花 魏燕燕 虞啟輝

摘 要：結(jié)合太陽能供暖系統(tǒng)在實際建筑供暖現(xiàn)場的應(yīng)用特點和全生命周期成本的概念，分析了太陽能供暖系統(tǒng)的構(gòu)成、能耗特點以及成本構(gòu)成，建立了一種太陽能供暖系統(tǒng)的全生命周期成本分析模型；基于全生命周期成本模型，分析了建筑面積、系統(tǒng)投資成本以及回收期之間的關(guān)系。最終通過文章研究得到如下結(jié)論：（1）各種成本中，初投資成本占全生命周期成本最高，其比值達(dá)到80%左右。（2）分析投資回收期得出：太陽能供暖系統(tǒng)雖然初期投資較高，但增加的投資可以在系統(tǒng)節(jié)約的運行費用中很快的收回，投資回收期一般在5年以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：太陽能供暖系統(tǒng)；經(jīng)濟性分析；全生命周期；節(jié)能

中圖分類號：TU832.1+7 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）11-0029-04

Abstract： In view of the application characteristics of solar energy heating system in actual building heating site and the concept of whole life cycle cost， the composition， energy consumption and cost composition of solar energy heating system are analyzed. A whole life cycle cost analysis model of solar energy heating system is established. Based on the whole life cycle cost model， the relationship among building area， system investment cost and payback period is analyzed. Finally， through the research of this paper， we get the following conclusion：（1） among all kinds of costs， the initial investment cost is the highest in the whole life cycle cost， and its ratio is about 80%.（2） it is concluded that although the initial investment of solar heating system is high， the increased investment can be recovered quickly in the operation cost saved by the system， and the investment recovery period is generally within 5 years.

Keywords： solar heating system； economy analysis； whole life cycle； energy saving

引言

近年來，由于常規(guī)能源的消耗，全球環(huán)境問題日益嚴(yán)重，使得可再生能源被大力開發(fā)利用。而可再生能源是我國重要的能源資源，在滿足能源需求、改善能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染、促進發(fā)展等方面發(fā)揮了很大作用。在可再生能源中，太陽能以其儲能豐富、普遍性、長久性、潔凈安全性、經(jīng)濟性等優(yōu)勢在開發(fā)利用中占主導(dǎo)地位[1-3]。

我國作為太陽能資源十分豐富的國家，發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)可有效地解決我國能源短缺且需求大的問題[4]。而我國能源消耗中建筑耗能占社會總耗能的比例逐年增大，在建筑耗能中，采暖耗能占70%以上。建筑采暖一般采用燃煤鍋爐供暖、燃?xì)夤┡碗婂仩t供暖，而采用太陽能供暖卻極少，主要是因為太陽能供暖的前期投資大，而且人們對太陽能供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性了解的不夠明確[5-8]。

為此，本文對太陽能供暖系全生命周期經(jīng)濟性進行分析，并以某辦公大樓的太陽能供暖系統(tǒng)為例，利用全生命周期經(jīng)濟性分析方法對系統(tǒng)進行分析，并與燃?xì)夤┡慕?jīng)濟性作比較，從而得出太陽能供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性特點。為太陽能供暖系統(tǒng)選擇應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 太陽能供暖系統(tǒng)的全生命周期經(jīng)濟性分析

LCC（Life Cyele Cost）是基于產(chǎn)品全生命周期的一種成本研究方法，是指產(chǎn)品從開始醞釀，經(jīng)過研究、設(shè)計、發(fā)展、生產(chǎn)、使用一直到最后報廢的整個生命周期內(nèi)所消耗的費用總和。簡單來說就是產(chǎn)品“從搖籃到墳?zāi)埂钡脑u價方法。

對于太陽能供暖系統(tǒng)全生命周期成本包括：（1）初投資成本，如購置成本、運輸成本、安裝成本等。（2）運行維護成本，如耗能部件的耗電費用和零部件的更換維護費用。（3）處置成本。

1.1 太陽能供暖系統(tǒng)的全生命周期成本模型的建立

太陽能供暖系統(tǒng)的總成本為初投資成本、運行維護成本、處置成本三部分總和。太陽能供暖系統(tǒng)總成本計算公式如下：

式中：Ct為太陽能供暖系統(tǒng)總成本；C1為系統(tǒng)初投資；C2（i）為系統(tǒng)第i年運行維護成本；C3為處置成本；n為使用年限。

1.1.1 初投資成本

太陽能供暖系統(tǒng)初投資成本主要包括太陽能集熱器、貯水箱、循環(huán)管道、支架、控制系統(tǒng)、熱交換器和水泵等設(shè)備和附件的購置費用、設(shè)備的運輸費用和系統(tǒng)的安裝調(diào)試費用。其中集熱器和水箱價格占初投資的60%以上。而初投資的多少與供暖面積的大小有關(guān)。初投資計算公式如下：

式中：A為集熱器面積；S為每平米集熱器的價格；T為水箱價格；R為系統(tǒng)其它部件的價格；C11為運輸安裝費用。

其中集熱器面積計算公式如下：

式中：QH為建筑物耗能量；f為太陽能保證率；Jt為當(dāng)?shù)丶療崞骺偯娣e上的年平均日或月平均日太陽輻照量；ηcd為集熱器年或月平均集熱效率；ηL為管路及貯水箱熱損失率。

建筑物耗能量計算公式如下：

式中：qH為節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中建筑物耗能量；Ab為建筑物面積。

由式（2）（3）（4）得出初投資與建筑面積的關(guān)系如下式：

1.1.2 運行維護成本

太陽能供暖系統(tǒng)的運行維護成本計算公式如下：

式中C21（i）為系統(tǒng)第i年運行成本；C22（i）為系統(tǒng)第i年維護成本。

其中系統(tǒng)的運行成本主要是系統(tǒng)的泵和控制系統(tǒng)的耗電費用。則運行成本的計算公式如下：

式中P為系統(tǒng)泵的耗電量；D為控制系統(tǒng)的耗電量；M為電費。

維護成本包括各零部件的維修費用和更換費用。維修費用分為定期維護費用和非定期維護費用，對于非定期維護在一定的操作間隔之后會花費一個非固定成本，非定期維護費用是由零部件故障概率造成的。

下列方程總結(jié)了非定期維護成本估算的方法基于組件故障的概率：

式中：M（tj）為維護成本估算值；cont為用小數(shù)表示的百分?jǐn)?shù)；DCF小數(shù)的貼現(xiàn)現(xiàn)金流；m為組件的總數(shù)量；f（tk ·j）為組件K的故障率；Ck為修理或更換部件的成本。

1.1.3 處置成本

太陽能供暖系統(tǒng)的處置成本為報廢處置成本和材料回收成本的總和：

式中：Ch為系統(tǒng)的報廢處置成本；Cr為系統(tǒng)回收材料成本（值為負(fù)，該收益將消減成本）。

1.2 投資回收期

投資回收期有兩種算法：一種是靜態(tài)回收期計算方法；一種是動態(tài)回收期計算方法。兩種計算方法的差別在于靜態(tài)回收期沒有考慮資金折現(xiàn)系數(shù)的影響，但計算簡單；而動態(tài)回收期年限考慮了折現(xiàn)系數(shù)的影響，更加準(zhǔn)確[5]。

1.2.1 靜態(tài)回收期的計算公式如下：

式中：Ys為太陽能供暖系統(tǒng)的簡單投資回收期；Wa為太陽能供暖系統(tǒng)與常規(guī)供暖系統(tǒng)增加的初投資；Ws為太陽能供暖系統(tǒng)的簡單年節(jié)能費用。

1.2.2 動態(tài)回收期計算方法

當(dāng)太陽能供暖系統(tǒng)運行N年后節(jié)省的總資金與系統(tǒng)的增加初投資相等時，式（10）成立，即SAV=0。

則此時的總累積年份N定義為系統(tǒng)的動態(tài)回收期Ne。

式中：PI為折現(xiàn)系數(shù)；Cs為太陽能供暖系統(tǒng)節(jié)能費用；DJ為每年用于與太陽能供暖系統(tǒng)有關(guān)的維修費用，包括太陽集熱器維護，集熱系統(tǒng)管道維護和保溫等費用占總增值投資的百分率。d為年市場折現(xiàn)率，可取銀行貸款利率；e為年燃料價格上漲率。

2 參數(shù)影響分析

影響太陽能供暖系統(tǒng)總成本的主要參數(shù)有建筑面積的大小、建筑耗能量的多少、太陽能保證率。當(dāng)建筑面積在100-400m2，樓層在≤3層時，地區(qū)分別選取四川、山東、北京和新疆，則建筑面積的大小、建筑耗能量的多少、太陽能保證率與總成本關(guān)系如圖1。同樣地區(qū)和建筑面積，樓層在≥14層時，它們的關(guān)系如圖2。

上圖中四個地區(qū)的建筑耗能量與太陽能保證率的值見表1和表2。

3 實例分析

以某辦公大樓為例做太陽能供暖系統(tǒng)的全生命周期的經(jīng)濟性分析。該辦公大樓建筑面積為7695m2，建筑高度為20.4m。太陽能集熱器放置在樓頂頂部，為減少屋面因長時間承受壓力，造成屋面損壞，太陽能集熱器屋面擺放位置提前預(yù)置了水泥基礎(chǔ)，將控制系統(tǒng)放置在一樓室內(nèi)，水箱放置在室外。

這里的集熱器面積為863m2，集熱效率為0.45。為了充分利用太陽能，同時保證末端供水的安全性和穩(wěn)定性，該太陽能供暖系統(tǒng)采用兩個貯熱器。太陽能供暖系統(tǒng)的原理圖見圖3。

3.1 初投資成本分析

對某辦公大樓的太陽能供暖系統(tǒng)進行初投資成本分析，則初投資成本主要包括以下三個部分：

3.1.1 構(gòu)件的購置費用

3.1.2 構(gòu)件的運輸費用

構(gòu)件的運輸費用為預(yù)制構(gòu)件從工廠運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的費用，與運輸方式和運輸距離有關(guān)。該系統(tǒng)構(gòu)件的運輸費用為1.9萬元。

3.1.3 安裝施工費用

安裝施工費用包括設(shè)備安裝的人工費、機械費和集熱器水泥基礎(chǔ)的施工費，費用分別是13.4萬元、0.5萬元、2.15萬元，系統(tǒng)的安裝施工費用共計16.05萬元。

則太陽能供暖系統(tǒng)的初投資成本共計109.37萬元。

3.2 運行維護成本分析

考慮到該系統(tǒng)為供暖系統(tǒng)，本文的年度運行費用僅考慮冬季采暖期內(nèi)的運行能耗費用，該供暖系統(tǒng)的使用年限為15年。而該系統(tǒng)在采暖期內(nèi)的運行費用只有泵和控制系統(tǒng)的耗電費用，而控制系統(tǒng)的耗電量是極少的，這里忽略不計。當(dāng)?shù)氐墓┡跒槊磕甑?0月15日至翌年的3月15日，約為 152天。系統(tǒng)每天的耗電量為58.8度，供暖周期內(nèi)耗電量為8937.6度。

當(dāng)?shù)氐碾妰r施行階梯式電價，根據(jù)用電量分為三個檔次，計算公式如下式：

經(jīng)計算每年的電費為0.63萬元，則太陽能供暖系統(tǒng)在使用年限內(nèi)的運行費用約為9.45萬元。

系統(tǒng)在使用期內(nèi)的維護成本包括各部件的維修費用和各部件的更換費用。根據(jù)各部件的使用年限和其故障概率，在使用期內(nèi)該系統(tǒng)的維護成本約為10.9萬元到14.56萬元之間。其中泵的壽命一般在5-6年，這里按5年計算。則太陽能供暖系統(tǒng)的運行維護費用在20.35萬元到24.01萬元之間。

3.3 處置成本分析

太陽能供暖系統(tǒng)的處置成本包括系統(tǒng)的拆除費用和系統(tǒng)的報廢回收費用。拆除費用需要的人工費用和機械費用約為 3萬元，報廢回收費用約為0.5萬元，則太陽能供暖系統(tǒng)的處置成本為2.5萬元。

3.4 太陽能供暖與燃?xì)饧泄┡慕?jīng)濟性比較

3.5 太陽能供暖系統(tǒng)的投資回收期

3.5.1 靜態(tài)回收期

太陽能供暖系統(tǒng)與常規(guī)熱水系統(tǒng)相比增加的初投資Wz即為太陽能集熱系統(tǒng)的投資部分，要包括集熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分的投資。

（1）電熱水器設(shè)備總價按照500000元計算，Wz=1010000-500000=510000元，Wj=316506 元。得出Yt=1.58年即與電熱水器設(shè)備相比太陽能熱水系統(tǒng)的投資回收期為1.58年。

（2）燃?xì)忮仩t設(shè)備總價按照600000元計算，Wz=1010000-600000=4100000元，Wj=97135元。得出Yt=4.12年即與燃?xì)忮仩t設(shè)備相比太陽能熱水系統(tǒng)的投資回收期為4.12年（考慮設(shè)備投資、運行維護等綜合投資情況下）。

3.5.2 動態(tài)回收期

當(dāng)太陽能供暖系統(tǒng)運行N年后節(jié)省的總資金與系統(tǒng)的增加初投資相等時，則計算所得回收年限Ne=4.78年（這里采用與電加熱做對比）。

4 結(jié)束語

通過對太陽能供暖系統(tǒng)的全生命周期經(jīng)濟性進行分析發(fā)現(xiàn)，太陽能供暖系統(tǒng)的回收成本占比很小，它的初投資占比全生命周期總成本的85%左右，運行維護成本占全生命周期總成本的15%左右。太陽能供暖系統(tǒng)的投資回收期一般在5年左右。

本文通過實例對太陽能供暖系統(tǒng)進行全生命周期的經(jīng)濟性分析，并與燃?xì)饧泄┡娜芷诘慕?jīng)濟性分析進行對比，得出太陽能供暖系統(tǒng)能夠達(dá)到較好的性價比，經(jīng)濟上較為合算，節(jié)能效果也比較明顯。

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