太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)節(jié)能比較分析

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

近年來(lái)，隨著常規(guī)能源的日益短缺和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，可再生能源作為建筑節(jié)能、綠色建筑和低碳建筑的重要組成內(nèi)容，越來(lái)越受到人們的重視。其中，太陽(yáng)能資源由于其普遍性、無(wú)害性、巨大性和長(zhǎng)久性，具有巨大節(jié)能潛力。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是太陽(yáng)能利用的兩種主要方式，本文針對(duì)上海市某職工餐廳建筑這一具體案例，分別進(jìn)行太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)的節(jié)能計(jì)算，分析兩種系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

1 項(xiàng)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(shè)備用房。

2 太陽(yáng)輻照量分析

上海市處于北緯31°24′、東經(jīng)121°29′，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)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(dá)35～38℃。每年6月中旬～7月上旬是梅雨季節(jié)。上海市太陽(yáng)能工程設(shè)計(jì)所用的氣象參數(shù)詳見《太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)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(yáng)能輻照量范圍為210~1 200kWh/m2，年太陽(yáng)能輻照量平均值為1 076.0 kWh/m2。參考浙江省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑可再生能源應(yīng)用核算標(biāo)準(zhǔn)》（DB33/1105—2014）第4.1.2條:“年太陽(yáng)能輻照量大于625 kWh/m2的屋面可利用區(qū)域宜全部安裝太陽(yáng)能集熱器或光伏電池組件?！背菝嬷虚g部分被遮擋的墻腳處外，職工餐廳建筑屋面的年太陽(yáng)能輻照量均在625 kWh/m2以上，面積達(dá)98.3%（圖1、2）。

表1 上海市太陽(yáng)能工程設(shè)計(jì)所用的氣象參數(shù)表

從模擬所得的年太陽(yáng)能輻照量分布圖來(lái)看，該職工餐廳建筑的屋頂大部分區(qū)域都適合安裝太陽(yáng)能集熱器或光伏電池組件。太陽(yáng)能集熱器或光伏電池組件應(yīng)安裝在屋頂可利用屋面區(qū)域，即扣除建筑必要功能區(qū)域以外的區(qū)域。根據(jù)以上原則，職工餐廳建筑屋面的太陽(yáng)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(yáng)能輻照量范圍云圖

圖2 職工餐廳建筑屋面的年太陽(yáng)能輻照量大于625 kWh/m2的范圍云圖

3 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)節(jié)能分析

廚房（餐廳）屋頂太陽(yáng)能放置區(qū)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(fā)電面積約73m2，產(chǎn)生的熱水集中供給廚房熱水點(diǎn)，產(chǎn)生的電力供給廚房和餐廳用電。

3.1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的節(jié)能分析

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)年產(chǎn)熱量計(jì)算公式：

Qc=Azj×JT×ηcd(1-ηL)

式中：Azj— 直接式太陽(yáng)能系統(tǒng)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(yáng)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(chǎn)品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定，經(jīng)驗(yàn)值為45%～50%，取48%；

圖3 職工餐廳建筑屋面的太陽(yáng)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(jù)上海市地理緯度，方位角宜朝正南放置。當(dāng)集熱器的方位角偏離正南和傾角不等于當(dāng)?shù)鼐暥葧r(shí)，集熱器面積應(yīng)按下式計(jì)算：

Ab=Azj÷R

式中：Ab— 補(bǔ)償后的集熱器面積；

R—補(bǔ)償因子，參考上海市《太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)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(jì)算得出，太陽(yáng)能真空管集熱器熱水系統(tǒng)的節(jié)能量為149 412.7 MJ/a，即41 503.5 kWh/a。

3.2 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的節(jié)能分析

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)年發(fā)電量計(jì)算公式：

En=A×ηd×Ha

式中：A—太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏板面積（m2）；

ηd—太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率（%），參考上海市《可再生能源建筑應(yīng)用測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（DGTJ 08-2162—2015）表3.3.2-1，取3級(jí)系統(tǒng)效率，即晶硅光伏系統(tǒng) ηd=10%，薄膜光伏系統(tǒng) 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(yáng)輻照總量[MJ/（m2·a）]，取 4 909MJ/（m2·a）。

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

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

3.3 太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)的節(jié)能對(duì)比分析

通過理論計(jì)算，分別得到了該職工餐廳建筑采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)或光伏系統(tǒng)的年節(jié)能量，具體數(shù)值見表2。

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

表2 職工餐廳采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)或光伏系統(tǒng)的年節(jié)能量對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

該職工餐廳建筑屋頂?shù)奶?yáng)能輻照量豐富，大部分區(qū)域都適合安裝太陽(yáng)能集熱器或光伏電池組件。太陽(yáng)能集熱器或光伏電池組件應(yīng)安裝在屋頂可利用屋面區(qū)域，即扣除建筑必要功能區(qū)域以外的區(qū)域。

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

通過對(duì)上海某職工餐廳建筑屋頂太陽(yáng)能輻照量模擬分析，及其采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)年節(jié)能量的理論計(jì)算，可為其更加充分利用太陽(yáng)能資源提供依據(jù)，并為上海市餐廳建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)的利用及推廣提供參考。