太陽能熱水系統與光伏系統節能比較分析

■ 李晨玉 LI Chenyu 賈海濤 JIA Haitao 王 健 WANG Jian

近年來，隨著常規能源的日益短缺和環境污染的日益嚴重，可再生能源作為建筑節能、綠色建筑和低碳建筑的重要組成內容，越來越受到人們的重視。其中，太陽能資源由于其普遍性、無害性、巨大性和長久性，具有巨大節能潛力。

太陽能熱水系統和太陽能光伏發電系統是太陽能利用的兩種主要方式，本文針對上海市某職工餐廳建筑這一具體案例，分別進行太陽能熱水系統和光伏系統的節能計算，分析兩種系統的節能潛力。

1 項目概況

該職工餐廳建筑位于上海市，總建筑面積944.30m2，其中，地上881.47m2，地下62.83m2，主要使用功能為廚房、餐廳及設備用房。

2 太陽輻照量分析

上海市處于北緯31°24′、東經121°29′，屬亞熱帶濕潤季風氣候，1、2月最冷，最低氣溫為-5～-8℃，通常7月最熱，最高氣溫達35～38℃。每年6月中旬～7月上旬是梅雨季節。上海市太陽能工程設計所用的氣象參數詳見《太陽能集中熱水系統選用與安裝》（GJBT—960）（表1）。

通過軟件模擬，該職工餐廳建筑屋面全年的太陽能輻照量范圍為210~1 200kWh/m2，年太陽能輻照量平均值為1 076.0 kWh/m2。參考浙江省工程建設標準《民用建筑可再生能源應用核算標準》（DB33/1105—2014）第4.1.2條:“年太陽能輻照量大于625 kWh/m2的屋面可利用區域宜全部安裝太陽能集熱器或光伏電池組件。”除屋面中間部分被遮擋的墻腳處外，職工餐廳建筑屋面的年太陽能輻照量均在625 kWh/m2以上，面積達98.3%（圖1、2）。

表1 上海市太陽能工程設計所用的氣象參數表

從模擬所得的年太陽能輻照量分布圖來看，該職工餐廳建筑的屋頂大部分區域都適合安裝太陽能集熱器或光伏電池組件。太陽能集熱器或光伏電池組件應安裝在屋頂可利用屋面區域，即扣除建筑必要功能區域以外的區域。根據以上原則，職工餐廳建筑屋面的太陽能集熱器或光伏板放置位置如圖3所示。

圖1 職工餐廳建筑屋面的年太陽能輻照量范圍云圖

圖2 職工餐廳建筑屋面的年太陽能輻照量大于625 kWh/m2的范圍云圖

3 太陽能熱水系統與光伏系統節能分析

廚房（餐廳）屋頂太陽能放置區域布置真空管集熱器或光伏板，安裝傾角44°，有效集熱/光伏發電面積約73m2，產生的熱水集中供給廚房熱水點，產生的電力供給廚房和餐廳用電。

3.1 太陽能熱水系統的節能分析

太陽能熱水系統年產熱量計算公式：

Qc=Azj×JT×ηcd(1-ηL)

式中：Azj— 直接式太陽能系統集熱面積（m2）；

JT— 集熱器表面（安裝傾角30°，方位角正南）上年太陽能輻照總量[MJ/(m2·a)]，取 4909MJ/(m2·a)；

ηcd— 集熱器年平均集熱效率（%），按集熱器產品實測數據確定，經驗值為45%～50%，取48%；

圖3 職工餐廳建筑屋面的太陽能集熱器或光伏板放置位置圖

ηL— 貯水箱和管路的熱損失率（%），取15%～30%，取20%；

根據上海市地理緯度，方位角宜朝正南放置。當集熱器的方位角偏離正南和傾角不等于當地緯度時，集熱器面積應按下式計算：

Ab=Azj÷R

式中：Ab— 補償后的集熱器面積；

R—補償因子，參考上海市《太陽能熱水系統應用技術規程》（DG/TJ08-2004A—2014）附錄A。職工餐廳建筑集熱器的傾角為44°，方位角為-37°，因此R取92.1%。

計算得出，太陽能真空管集熱器熱水系統的節能量為149 412.7 MJ/a，即41 503.5 kWh/a。

3.2 太陽能光伏系統的節能分析

太陽能光伏系統年發電量計算公式：

En=A×ηd×Ha

式中：A—太陽能光伏發電系統光伏板面積（m2）；

ηd—太陽能光伏系統光電轉換效率（%），參考上海市《可再生能源建筑應用測試評價標準》（DGTJ 08-2162—2015）表3.3.2-1，取3級系統效率，即晶硅光伏系統 ηd=10%，薄膜光伏系統 ηd=4%；

Ha—光伏板表面（安裝傾角30°，方位角正南）上單位面積年太陽輻照總量[MJ/（m2·a）]，取 4 909MJ/（m2·a）。

計算得出，若采用晶硅光伏系統，則年發電量為35 835.7 MJ/a，即9 954.4kWh/a；若采用薄膜光伏系統，則年發電量為14 334.28MJ/a，即3 981.7kWh/a。

將光伏系統年發電量折算成標煤并與熱能相比較，電的折標煤系數為0.3kgce/（kWh），熱力的折標煤系數為0.0341kgce/MJ，即0.1228kgce/（kWh），因此電力的節能量為熱力的2.44倍。則：晶硅光伏系統年節能量約為24 288.7kWh/a；薄膜光伏系統年節能量約為9 715.3 kWh/a。

3.3 太陽能光熱系統與光伏系統的節能對比分析

通過理論計算，分別得到了該職工餐廳建筑采用太陽能熱水系統或光伏系統的年節能量，具體數值見表2。

由表2可知，若在職工餐廳建筑屋頂太陽能布置區域放置相同面積的真空管集熱器或光伏板（晶硅/薄膜）時，系統的年節能量表現出較大的差異。太陽能熱水系統（真空管）的年節能量約為太陽能晶硅光伏系統年節能量的1.7倍，約為太陽能薄膜光伏系統年節能量的4.3倍。對于太陽能光伏系統，晶硅系統的年節能量約為薄膜系統的2.5倍。

表2 職工餐廳采用太陽能熱水系統或光伏系統的年節能量對比表

4 結語

該職工餐廳建筑屋頂的太陽能輻照量豐富，大部分區域都適合安裝太陽能集熱器或光伏電池組件。太陽能集熱器或光伏電池組件應安裝在屋頂可利用屋面區域，即扣除建筑必要功能區域以外的區域。

太陽能熱水系統的年節能量最為顯著，太陽能晶硅光伏系統次之，薄膜光伏系統最低。考慮到廚房、餐廳部分生活熱水用量較大且集中，同時，綜合考慮系統成本等因素，推薦該職工餐廳建筑優先采用太陽能熱水系統。

通過對上海某職工餐廳建筑屋頂太陽能輻照量模擬分析，及其采用太陽能熱水系統和光伏系統年節能量的理論計算，可為其更加充分利用太陽能資源提供依據，并為上海市餐廳建筑太陽能熱水系統與光伏系統的利用及推廣提供參考。