村鎮(zhèn)住宅太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合采暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

李文博，呂 建，解 群，于 彬

(1. 天津城市建設(shè)學(xué)院 能源與機(jī)械工程系，天津 300384；2. 海南元正建筑設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司 天津分公司，天津300374；3. 天津市筑土建筑設(shè)計(jì)有限公司 設(shè)備室，天津 300201)

村鎮(zhèn)住宅太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合采暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

李文博1，呂 建1，解 群2，于 彬3

(1. 天津城市建設(shè)學(xué)院 能源與機(jī)械工程系，天津 300384；2. 海南元正建筑設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司 天津分公司，天津300374；3. 天津市筑土建筑設(shè)計(jì)有限公司 設(shè)備室，天津 300201)

通過(guò)對(duì)農(nóng)村采暖現(xiàn)狀的實(shí)地調(diào)研，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合采暖系統(tǒng)，并對(duì)其在寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性及影響因素進(jìn)行了相關(guān)分析，指出太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合采暖在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用有其自身的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展前景．

太陽(yáng)能；沼氣；聯(lián)合采暖；經(jīng)濟(jì)性

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重．我國(guó)北方大部分地區(qū)冬季寒冷，一年中近 1/3時(shí)間屬采暖季．由于傳統(tǒng)的采暖手段既嚴(yán)重影響了空氣質(zhì)量，又加劇了我國(guó)能源的緊張程度[1]．因此，為了解決農(nóng)村的能源問(wèn)題，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，必須調(diào)整農(nóng)村的能源結(jié)構(gòu)形式．為此，國(guó)家提出了建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村的方針，所以研究使用清潔的可再生能源——太陽(yáng)能與沼氣相結(jié)合的采暖系統(tǒng)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義．

1 寒冷地區(qū)村鎮(zhèn)住宅采暖現(xiàn)狀

隨著農(nóng)民生活水平的不斷提高，冬季北方農(nóng)村住戶(hù)所使用的采暖方式中，火爐和火炕總數(shù)雖仍占一定比例，但已不再占絕對(duì)主導(dǎo)地位，戶(hù)式集中空調(diào)、分體式空調(diào)、燃?xì)獠膳癄t、電暖氣等方式的出現(xiàn)是農(nóng)村采暖方式向多樣化方向的發(fā)展，這也體現(xiàn)了農(nóng)民在思想上已經(jīng)開(kāi)始轉(zhuǎn)變，不再一味地采用傳統(tǒng)的采暖方式，而是開(kāi)始接受新的科學(xué)技術(shù)與產(chǎn)品．

2 太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合采暖技術(shù)

2.1 太陽(yáng)能采暖的優(yōu)越性

我國(guó)有豐富的太陽(yáng)能資源，有 2/3以上地區(qū)的年太陽(yáng)能輻照量超過(guò) 5,000,MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)在2,200,h以上．

與城市相比，農(nóng)村利用太陽(yáng)能的環(huán)境優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在大氣透明度上．從我國(guó)太陽(yáng)能分布地區(qū)來(lái)看，北方大于南方，農(nóng)村大于城市；從空氣潔凈程度來(lái)看，城市比農(nóng)村受到的環(huán)境污染大．雖然大氣中所含的氣溶膠、煙塵粒子較多，增加了太陽(yáng)散射輻射量，但散射輻射量的增加往往不能彌補(bǔ)直接輻射量的損失[2]．

在華北地區(qū)村鎮(zhèn)住宅建筑中，是以傳統(tǒng)民居四合院的形式為主要方式．建筑密度小，層數(shù)以一層為主，住宅類(lèi)型多為獨(dú)戶(hù)式有院，空間余地很大，這充分滿(mǎn)足了建筑間的日照間距，為太陽(yáng)能的利用提供了有利的保障．

2.2 聯(lián)合采暖技術(shù)的可行性

太陽(yáng)能集熱和沼氣發(fā)酵是兩項(xiàng)成熟的技術(shù)．受自然條件限制，在連續(xù)陰雨天以及夜晚熱量不足時(shí)，輔助采暖是太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)不可忽視的問(wèn)題之一．同樣，沼氣的發(fā)酵也受室外溫度條件限制，無(wú)法連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行．

Roediger(1976)、斐佛(John T.pfefter)[3]等許多學(xué)者系統(tǒng)地研究了溫度對(duì)不同原料沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的影響，指出若溫度介于 30～60,℃之間，沼氣發(fā)酵的每日產(chǎn)氣效率和每日負(fù)荷量并非與溫度的增高呈正相關(guān)，而是在這個(gè)范圍之內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)產(chǎn)氣高峰：一個(gè)在37,℃左右，另一個(gè)在 52,℃左右；前者叫中溫發(fā)酵，后者叫高溫發(fā)酵．由于不同研究者采用的發(fā)酵原料不同，結(jié)果不盡相同．概括地講，一個(gè)高峰介于 30～40,℃之間；另一個(gè)高峰介于 50～60,℃之間．在這兩個(gè)最適宜的發(fā)酵溫度區(qū)間，是有兩個(gè)不同的微生物類(lèi)群參與作用．中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵相比較，后者比前者在一定容積的發(fā)酵容器中可能處理的有機(jī)物量和氣體產(chǎn)量高 2～2.5倍[3]．目前平板式、真空管式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的集熱溫度能達(dá)到 60,℃，顯然太陽(yáng)能集熱裝置與沼氣發(fā)酵工作溫度是相匹配的．因此，太陽(yáng)能集熱器的集熱溫度從理論上充分滿(mǎn)足沼氣發(fā)酵所需的溫度條件，而沼氣的發(fā)酵與儲(chǔ)存也保證了太陽(yáng)能采暖的穩(wěn)定性．

2.3 太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合采暖系統(tǒng)

筆者所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合采暖系統(tǒng)模型如圖 1所示 (該系統(tǒng)將被應(yīng)用于社會(huì)主義新農(nóng)村示范工程中)．

圖1 太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合采暖系統(tǒng)模型

(1)日照充足時(shí)，利用太陽(yáng)能集熱器 1吸收太陽(yáng)能，并將其轉(zhuǎn)化為熱水熱能．一方面熱水流經(jīng)蓄熱水箱2儲(chǔ)存并供用戶(hù)3采暖，然后再回流到蓄熱水箱2內(nèi)升溫；另一方面流經(jīng)沼氣池4，用以沼氣發(fā)酵．

(2)日照不足時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)②，利用蓄熱水箱2儲(chǔ)存的熱水加熱沼氣池，所產(chǎn)生的沼氣點(diǎn)燃燃?xì)忮仩t5，從燃?xì)忮仩t出來(lái)的熱水再與蓄熱水箱 2中的水進(jìn)行熱交換，蓄熱水箱中的水升溫后一路用以發(fā)酵沼氣，以此循環(huán)．另一路供給用戶(hù) 3采暖，最后仍回流到蓄熱水箱內(nèi)升溫．

3 太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 綜合能源價(jià)格法

能源價(jià)格[4]指的是購(gòu)買(mǎi)一定種類(lèi)的能源費(fèi)用．綜合能源價(jià)格的含義是有效使用年限內(nèi)初投資和使用費(fèi)用的累計(jì)綜合值與在此期間所提供能量總和的比值．考慮到資金的動(dòng)態(tài)性，即不同時(shí)期支出貨幣的價(jià)值是不相等的，因此綜合能源價(jià)格法是將不同時(shí)期投入的資金統(tǒng)一折現(xiàn)為初投資年現(xiàn)值的方法．

綜合能源價(jià)格的現(xiàn)值表達(dá)式為

式中

M——綜合能源價(jià)格現(xiàn)值，RMB/MJ；

V——初投資，RMB；

n——系統(tǒng)有效使用年限；

Z——第t年使用費(fèi)用，RMB；

i——銀行存款年利率；

Et——第t年提供能量總計(jì)，MJ．

3.2 沼氣價(jià)值計(jì)算

產(chǎn)出的價(jià)值[5]以與它等量有用能的農(nóng)家燃料的費(fèi)用代替，按下式計(jì)算

為使該評(píng)價(jià)具有普遍性，沼氣的熱值為 22,935 kJ/m3，密度為 1.12,kg/m3，燃?xì)忮仩t熱效率取 85%；標(biāo)準(zhǔn)煤熱值 29,300,kJ/kg，燃煤鍋爐熱效率取 60%，所選地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)為 0.85元/kg．則可算出沼氣的折合價(jià)值為1.06元/m3．

3.3 不同方案經(jīng)濟(jì)分析比較

取太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)900元/m2，所選地區(qū)民用電價(jià)為0.49元/(kW·h)，計(jì)算年限為15,a．

(1)取建筑面積 150,m2，采用間接式太陽(yáng)能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳?4,h運(yùn)行．根據(jù)面積熱指標(biāo)fq＝50,W/m2，建筑采暖期熱負(fù)荷即為 7,500,W．用所選寒冷地區(qū) 1月份的傾斜表面月平均日太陽(yáng)總輻射量來(lái)選擇集熱器面積，H＝14.725,MJ/(m2·d)，平均日照小時(shí)數(shù)為 8,h，則每平方米太陽(yáng)能集熱器的集熱量為511.3,W/m2，進(jìn)而選定太陽(yáng)能集熱器面積為29,m2．

(2)輔助熱源熱負(fù)荷＝建筑物采暖熱負(fù)荷-太陽(yáng)能提供熱負(fù)荷．經(jīng)計(jì)算，建筑物采暖日熱負(fù)荷為648,MJ/d，太陽(yáng)能提供日熱負(fù)荷為222.1,MJ/d，即輔助熱源日熱負(fù)荷為 426,MJ/d．分別折合成日產(chǎn)沼氣量為18.6,m3/d，日耗電量為118.3,kW·h．

(3)太陽(yáng)能系統(tǒng)初投資、不同方案年運(yùn)行費(fèi)用分別見(jiàn)表1和表2．

表1 太陽(yáng)能系統(tǒng)初投資 元

表2 不同方案年運(yùn)行費(fèi)用表 元

沼氣池建池費(fèi)用取1,680元，管理費(fèi)用與維修費(fèi)用及其他相關(guān)費(fèi)用每年共 400元，電加熱器價(jià)格為2,000元，燃煤鍋爐價(jià)格為 1,200元，暖氣片等費(fèi)用為2,500元．

太陽(yáng)能+沼氣系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用包括管理與維修費(fèi)以及運(yùn)行系統(tǒng)所需費(fèi)用．太陽(yáng)能+電系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用與電加熱器運(yùn)行費(fèi)用為電費(fèi)，燃煤鍋爐的運(yùn)行費(fèi)用為買(mǎi)煤的費(fèi)用．

(4)計(jì)算結(jié)果比較．不同采暖方案的比較結(jié)果見(jiàn)表 3．

表3 不同采暖方案經(jīng)濟(jì)性比較

太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合系統(tǒng)與熱水供應(yīng)系統(tǒng)聯(lián)合后的綜合能源價(jià)格的計(jì)算過(guò)程如下．

非采暖期建筑熱水供應(yīng)系統(tǒng)的日耗熱量公式為

式中：rq為熱水用水定額，取每人每日用水量為100,L；cp為水的比熱容，為 4,187,J/(kg·℃)；rt為熱水溫度，取 60,℃；Lt為所選地區(qū)地下水溫，取 13,℃；m為用水計(jì)算單位數(shù)，取 5人．通過(guò)計(jì)算得出dQ為87.93,MJ/d．

選取該地區(qū)非采暖期中水平面太陽(yáng)總輻射平均日輻照量 Ht=12.03,MJ/(m2·d)，而 29,m2的集熱器非采暖期提供的日熱量為 29×12.03×52%=181.41 MJ/d＞87.93,MJ/d，故在非采暖期能滿(mǎn)足用戶(hù)的生活用水．

采暖期年熱負(fù)荷為 77,760,MJ，非采暖期年平均水平面日太陽(yáng)總輻照量 16.248,MJ/(m2·d)，則年熱水負(fù)荷為 16.248×29×(365-120)×52%＝60,029.45 MJ，年總負(fù)荷即為137,789.45,MJ．綜合能源價(jià)格為

從以上熱源方案經(jīng)濟(jì)比較可以看出，采用太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合采暖方案的綜合熱價(jià)相對(duì)較低，與熱水供應(yīng)系統(tǒng)聯(lián)合后綜合能源價(jià)格下降顯著．

3.4 影響太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的因素分析

3.4.1 集熱器價(jià)格

綜合能源價(jià)格與集熱器價(jià)格關(guān)系如圖2所示．

圖2 集熱器價(jià)格與綜合熱價(jià)關(guān)系圖

由圖2可知：綜合熱價(jià)與集熱器的價(jià)格基本呈線性關(guān)系．可見(jiàn)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)、集熱器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在集熱器利用率提高的同時(shí)其價(jià)格將會(huì)逐漸降低，這也就意味著太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上會(huì)越來(lái)越占有優(yōu)勢(shì)．

3.4.2 折合沼氣價(jià)格

沼氣的產(chǎn)出效益可用沼氣的年產(chǎn)氣量×沼氣的折合價(jià)格得到．例如：在采暖期每日所需沼氣量為18.3,m3/d，則可算出采暖期沼氣年產(chǎn)出效益為2,327.76元，可見(jiàn)效益顯著．故在保證沼氣產(chǎn)氣量的基礎(chǔ)上，隨著沼氣折合價(jià)格的上漲，沼氣的產(chǎn)出效益會(huì)愈加突出．在生物質(zhì)資源豐富的農(nóng)村，有很多可利用的免費(fèi)資源用來(lái)發(fā)酵，另外利用太陽(yáng)能集熱技術(shù)也為沼氣發(fā)酵提供了一個(gè)很穩(wěn)定的發(fā)酵環(huán)境．低投資加上充足的發(fā)酵量，在一定程度上將提高太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合采暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性．

3.4.3 熱水用量的影響[6]

圖3 熱水用量對(duì)采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響

太陽(yáng)能系統(tǒng)除在采暖期提供采暖熱水外，也可以在非采暖期用來(lái)提供生活用熱水，由此提高了太陽(yáng)能系統(tǒng)的利用率．若在原來(lái)的基礎(chǔ)上再加上提供熱水系統(tǒng)，則太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合系統(tǒng)的綜合能源價(jià)格變化趨勢(shì)如圖 3所示．隨著生活用水的增加，綜合能源價(jià)格將下降，并在達(dá)到某一程度后下降趨勢(shì)變緩．價(jià)格降低的原因就在于熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性彌補(bǔ)了采暖系統(tǒng)的不經(jīng)濟(jì)．可見(jiàn)單純的采暖系統(tǒng)相對(duì)采暖與生活熱水聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性差．

4 結(jié) 論

(1)太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合采暖系統(tǒng)相比其他幾種采暖形式有著一定的優(yōu)勢(shì)．

(2)影響太陽(yáng)能直接采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的主要因素是集熱器的高價(jià)格，在現(xiàn)階段選用大面積的太陽(yáng)能集熱器只用于太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)，設(shè)備的初投資較大，應(yīng)力爭(zhēng)提高集熱器的效率或降低其價(jià)格．

(3)太陽(yáng)能/沼氣采暖與熱水供應(yīng)系統(tǒng)相聯(lián)合的經(jīng)濟(jì)性要好于單獨(dú)用于供暖系統(tǒng)的，若再將儲(chǔ)存的沼氣用于炊事則會(huì)進(jìn)一步降低該系統(tǒng)的綜合熱價(jià)，提高其經(jīng)濟(jì)性．

(4)雖然燃煤鍋爐目前在經(jīng)濟(jì)上有很大優(yōu)勢(shì)，但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染日益突出，這種傳統(tǒng)的采暖形式將會(huì)逐漸被新的采暖形式所取代；而太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合采暖系統(tǒng)由于初投資較大，在農(nóng)村地區(qū)尤其是偏遠(yuǎn)貧困地區(qū)的推廣應(yīng)用勢(shì)必存在較大的困難，然而太陽(yáng)能和沼氣作為清潔能源，有著顯著的生態(tài)、環(huán)境效益，對(duì)改善農(nóng)村地區(qū)的生活環(huán)境也有著相當(dāng)積極的作用．

太陽(yáng)能/沼氣聯(lián)合采暖系統(tǒng)符合可持續(xù)發(fā)展的要求，符合國(guó)家環(huán)保政策，利國(guó)利民，一次投資，長(zhǎng)期受益．同時(shí)該系統(tǒng)的節(jié)能、環(huán)保和安全又與社會(huì)發(fā)展潮流相符合，若將其廣泛推廣應(yīng)用，會(huì)獲得良好的社會(huì)效益．

［1］賀 平，孫 剛. 供熱工程[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［2］周春艷. 太陽(yáng)能技術(shù)在東北地區(qū)農(nóng)村住宅中的應(yīng)用策略研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

［3］吳相淦. 農(nóng)村能源[M]. 北京：農(nóng)業(yè)出版社，1988：130-165.

［4］李 軍. 家用太陽(yáng)能熱水器的經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2002，23(5)：564-570.

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The Economic Analysis of Solar/Biogas Combined Heating System in Villages

LI Wen-bo1，Lü Jian1，XIE Qun2，YU Bin3
(1. Department of Energy Technology and Mechanical Engineering，TIUC，Tianjin 300384，China；2. Hainan Yuanzheng Architectural Design Co.，Ltd．，Tianjin 300074，China；3. Tianjin Archiland Architecture Design Co.，Ltd．，Tianjin 300201，China)

Through investigating the heating status in villages，this paper designs the solar/biogas combined heating system，and then it analyzes its application to rural housing in cold regions and discusses its economic efficiency and influencing factors. Finally this paper points out its advantages and prospects in rural areas.

solar energy；biogas；solar/biogas combined heating；economic efficiency

TU832.17

A

1006-6853(2010)02-0118-04

2010-01-11；

2010-03-09

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2008BAJ08B10-04)

李文博（1986—），女，天津人，天津城市建設(shè)學(xué)院碩士生．