太陽能熱水系統(tǒng)建筑應(yīng)用工程環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)計(jì)算方法研究

■ 王中原 龔紅衛(wèi) 蔡成亮 管超

(1.南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院；2.南京工大建設(shè)工程技術(shù)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(dāng)于17000億tce。當(dāng)前，隨著我國對(duì)太陽能熱利用技術(shù)的開發(fā)，太陽能熱水系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)在我國得到了前所未有的關(guān)注和發(fā)展。目前太陽能集熱系統(tǒng)環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)體系及指標(biāo)已成為重要的研究課題。

然而經(jīng)相關(guān)研究表明，70%的實(shí)際工程應(yīng)用效果低于設(shè)計(jì)值的80%，即依據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，不能合理地反應(yīng)實(shí)際工程的應(yīng)用效果。因此，為達(dá)到預(yù)期效果，需要從實(shí)際工程應(yīng)用效果指標(biāo)出發(fā)，逆向驗(yàn)證設(shè)計(jì)指標(biāo)，在設(shè)計(jì)初期為其提供參考。

1 環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)計(jì)算方法

1.1 單位集熱面積年系統(tǒng)得熱量(MJ/m2)

集熱系統(tǒng)得熱量[1]是由太陽能集熱系統(tǒng)中太陽集熱器提供的有用能量，單位集熱面積年系統(tǒng)得熱量，即1 m2太陽能集熱面積在1年內(nèi)得到的有用能量。得熱量是太陽能熱水系統(tǒng)最重要的質(zhì)量指標(biāo)之一，主要用來評(píng)價(jià)系統(tǒng)實(shí)際得到的由太陽輻照轉(zhuǎn)化熱量的能力。

本文中單位集熱面積年系統(tǒng)得熱量不是由現(xiàn)場(chǎng)的太陽能熱水系統(tǒng)測(cè)試得出，而是利用當(dāng)?shù)厝晏栞椪樟颗c集熱系統(tǒng)效率(以下公式均為太陽能全年使用)相乘得到。計(jì)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(shí)期統(tǒng)計(jì)得到的各段天數(shù)，d； H1、H2、H3、H4為全年太陽輻照量分段時(shí)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(tǒng)得熱量，MJ/ m2；η為全年太陽能熱水系統(tǒng)集熱系統(tǒng)效率，%。

1.2 單位集熱面積年常規(guī)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(fēng)能、 太陽能、生物質(zhì)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(guī)能源替代量，即1 m2太陽能集熱面積在1年內(nèi)所能替代的常規(guī)能源量，是環(huán)境效益評(píng)價(jià)指標(biāo)。

標(biāo)準(zhǔn)中能源替代量以標(biāo)準(zhǔn)煤為計(jì)算對(duì)象，計(jì)算公式為：

式中，qtr為單位集熱面積年常規(guī)能源替代量，tce/m2；q為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，MJ/kgce，取值為29.307 MJ/kgce；ηt為以傳統(tǒng)能源為熱源時(shí)的運(yùn)行效率，按表1選取。

表1 太陽能熱水系統(tǒng)以傳統(tǒng)能源為熱源時(shí)的運(yùn)行效率

1.3 單位集熱面積年節(jié)約費(fèi)用(元/m2)

對(duì)于太陽能熱水系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在項(xiàng)目實(shí)施后每年節(jié)約的費(fèi)用，即節(jié)約的常規(guī)能源量與該能源價(jià)格的乘積。單位集熱面積年節(jié)約費(fèi)用即1 m2太陽能集熱面積在1年內(nèi)所節(jié)約的費(fèi)用。

常規(guī)能源為電時(shí)，計(jì)算公式為：

式中，Csr為太陽能熱水系統(tǒng)單位集熱面積年節(jié)約費(fèi)用，元/m2；P為當(dāng)?shù)孛裼秒妰r(jià)，元；Mr為太陽能熱水系統(tǒng)每年運(yùn)行維護(hù)增加費(fèi)用，元。

常規(guī)能源為天然氣時(shí)，計(jì)算公式為：

式中，Pr為當(dāng)?shù)靥烊粴鈨r(jià)格，元/Nm3。

2 環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

2.1 計(jì)算條件

本文以南京地區(qū)為計(jì)算地點(diǎn)，太陽能熱水系統(tǒng)為全年使用，南京市全年太陽輻照量分段統(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)表(MJ/m2)

太陽能熱水系統(tǒng)集熱效率級(jí)別劃分見表3。在實(shí)際太陽能應(yīng)用中能達(dá)到1級(jí)的集熱系統(tǒng)和資源區(qū)較少(資源Ⅱ、Ⅲ區(qū)較多)，因此本文計(jì)算選取2級(jí)、3級(jí)。太陽能熱水系統(tǒng)集熱效率為：42%≤η<65%。

表3 太陽能熱水系統(tǒng)集熱效率η級(jí)別劃分表

年節(jié)約費(fèi)用的計(jì)算方式采用兩種：一種是電價(jià)，價(jià)格為0.8元/kWh；另一種是天然氣價(jià)格，價(jià)格為2.2元/Nm3。太陽能熱水系統(tǒng)每年運(yùn)行維護(hù)增加費(fèi)用為0元。

2.2 計(jì)算結(jié)果

將計(jì)算條件代入式(1)～式(5)，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 單位集熱面積環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算指標(biāo)

3 環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)分析

3.1 指標(biāo)應(yīng)用意義

表4得出南京地區(qū)環(huán)境效益指標(biāo)：以電為常規(guī)能源，年常規(guī)能源替代量為0.1934～0.3254 tce/ m2；以天然氣為常規(guī)能源，年常規(guī)能源替代量為0.0714～0.1201 tce/ m2。經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)：電價(jià)為0.8元/kWh，年節(jié)約費(fèi)用為390.38～656.88元/m2；天然氣價(jià)格為2.2元/Nm3，年節(jié)約費(fèi)用為116.18～195.50元/m2。

已得到南京地區(qū)的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)，就可估算出該地區(qū)總體或單個(gè)項(xiàng)目太陽能應(yīng)用面積對(duì)應(yīng)的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。也有利于能源投資的初期預(yù)算與分配。

其他地區(qū)的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)可按照南京地區(qū)指標(biāo)的計(jì)算方法計(jì)算得出。

3.2 指標(biāo)影響因素

由計(jì)算公式(1)～(5) 可得，單位集熱面積環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)影響因素為：日累計(jì)太陽輻照量、集熱系統(tǒng)效率、傳統(tǒng)能源種類和單價(jià)。

單位集熱面積年得熱量是環(huán)境效益指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的直接影響因素，而單位集熱面積年得熱量受日累計(jì)太陽輻照量、集熱系統(tǒng)效率的影響。利用固定變量法進(jìn)行計(jì)算，見表5。

日累計(jì)太陽輻照量每個(gè)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(tǒng)效率從42%至65%，增加了23%，變化量為1045.95 MJ/m2，集熱系統(tǒng)效率每增加1%，系統(tǒng)年得熱量即增加2.59%。日累計(jì)太陽輻照量受天氣及地區(qū)的影響較大，受人為影響較小。集熱效率為太陽能集熱系統(tǒng)的硬件指標(biāo)，并且影響年得熱量變化較大，因此在太陽能設(shè)計(jì)及施工時(shí)，應(yīng)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(nèi)運(yùn)行。

表5 單位集熱面積年得熱量影響分析表

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

式(3)～式(5)得出年節(jié)約費(fèi)用指標(biāo)。指標(biāo)同樣受傳統(tǒng)能源種類的影響，以電為傳統(tǒng)能源的年節(jié)約費(fèi)用是以天然氣為傳統(tǒng)能源的3.36倍。說明以天然氣為傳統(tǒng)能源時(shí)比以電為傳統(tǒng)能源時(shí)省70.24%的年節(jié)約費(fèi)用。

4 結(jié)論

1)各地區(qū)都有對(duì)應(yīng)的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)，本文僅以南京為例進(jìn)行計(jì)算，其他地區(qū)指標(biāo)可按照南京地區(qū)指標(biāo)的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

2)以環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)可估算出本地區(qū)總體或單個(gè)項(xiàng)目太陽能應(yīng)用面積對(duì)應(yīng)的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。只跟太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用面積有關(guān)，也有利于能源投資的初期預(yù)算與分配。

3)年得熱量直接影響環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)的大小，南京地區(qū)日累計(jì)太陽輻照量每個(gè)分段從最小到最高，系統(tǒng)年得熱量增加8.71%。集熱系統(tǒng)效率每增加1%，系統(tǒng)年得熱量即增加2.59%。

4)計(jì)算環(huán)境效益指標(biāo)時(shí)，以電為傳統(tǒng)能源的能源替代量約是以天然氣為傳統(tǒng)能源的2.71倍。

5)計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)時(shí)，以電為傳統(tǒng)能源的年節(jié)約費(fèi)用是以天然氣為傳統(tǒng)能源的3.36倍。

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