太陽能熱水系統(tǒng)生命周期評價(jià)及回收期分析

周志華，劉俊偉，王 媛，張 吉，王辰冬，黃 欣

(1. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津富力房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，天津300072)

太陽能熱水作為太陽能應(yīng)用最成熟的技術(shù)，已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可.2017年全球太陽能熱水裝機(jī)容量為472GWth，中國占全球總量的68.75%[1].多層或高層建筑屋頂面積小，無法每戶安裝獨(dú)立太陽能熱水器，所以多采用集中集熱式太陽能熱水系統(tǒng).

太陽能熱水系統(tǒng)根據(jù)集熱器的不同，可以分為真空管式和平板式 2種.我國的太陽能熱水器中全玻璃真空管式集熱器(ETC)占85%～90%，而在歐美市場平板式集熱器(FPC)占比為 90%左右[2].為什么會(huì)有如此大的差別？這需要從其性能、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和生命周期對環(huán)境影響進(jìn)行綜合考慮.

性能方面，F(xiàn)PC結(jié)構(gòu)簡單、耐壓性能好、易與建筑結(jié)合、平均壽命在 20a以上[3]，但運(yùn)行過程中熱損較大，在70℃以上集熱效率低.ETC結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、耐壓性能差、平均壽命在 15a左右[4]，但 ETC保溫性能好、70℃以上集熱效率高[5].

經(jīng)濟(jì)性方面，不同國家和地區(qū)，初投資相差很大.研究認(rèn)為：真空管式太陽能熱水器的投資回收期為 3～6a，平均 4.5a；而平板式則為 5～15a，平均10a左右.對于集中式太陽能熱水系統(tǒng)，水箱容量為8t時(shí)，平板式太陽能熱水系統(tǒng)(FPSHWS)初投資為17.7萬元，回收期為 2.4a；真空管式太陽能熱水系統(tǒng)(ETSHWS)初投資為 12.09萬元，回收期為 1.7a[6].獨(dú)立式熱水器和集中式熱水系統(tǒng)真空管式集熱器均比平板式有優(yōu)勢.

生命周期影響方面，瑞士和英國的生命周期環(huán)境影響研究表明，使用太陽能熱水器(SWH)一次能源消耗量分別減少 84%[7]和 83%[8].Hang等[2]對比分析了美國 3個(gè)不同地區(qū)的平板和真空管式太陽能熱水器的環(huán)境影響，研究發(fā)現(xiàn)，平板式 SWH的全壽命期環(huán)境效益最佳，僅為真空管 SWH的一半，且地域差異不會(huì)改變這一結(jié)果.

1 方 法

1.1 生命周期環(huán)境影響評價(jià)方法

生命周期評價(jià)(LCA)是用來評估某一產(chǎn)品從獲得原材料階段開始，到加工制造、使用直至廢棄的整個(gè)過程環(huán)境影響的方法[9].生命周期評估研究常分為4個(gè)階段：目標(biāo)及范圍確定、清單分析、影響評估和解釋.

本文生命周期范圍包括原材料獲取階段、生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段、使用階段和回收階段.其中集熱器、支架、水泵、儲(chǔ)熱水箱及配套管路包含在清單分析中.輔助加熱設(shè)備以及水箱到用戶的管路和設(shè)備不在本文研究范圍內(nèi).在使用階段，將 2種太陽能熱水系統(tǒng)的熱能供給和電能消耗考慮在內(nèi)，分別分析其對生命周期環(huán)境影響的貢獻(xiàn).而對于回收階段，本文盡量采用回收再利用的方式來處理所有材料.

本文確定的生命周期范圍如圖1所示.

圖1 太陽能熱水系統(tǒng)全生命周期范圍Fig.1 Boundary of life cycle of SHWS

產(chǎn)品的使用年限和壽命對系統(tǒng)生命周期環(huán)境影響有著直接關(guān)系.ETC一般合格產(chǎn)品的壽命在15a，壽命的限定關(guān)鍵因素是真空管.而 FPC的使用壽命超過 15a[3,10]，目前 FPC的 LCA研究所選用的使用壽命多數(shù)為 20a[4,7-8].為了比較方便，本文 ETSHWS和FPSHWS 2種集熱器集熱面積統(tǒng)一確定為150m2.

利用 GaBi軟件進(jìn)行建模和生命周期影響評估，采用CML2001進(jìn)行影響分析[11].環(huán)境影響類型如表1所示.

表1 環(huán)境影響類型Tab.1 Different types of environmental impact

1.2 集熱量正面環(huán)境影響評價(jià)方法

FPSHWS和ETSHWS生命周期集熱量不僅能反映兩系統(tǒng)的性能，而且可以反映出對環(huán)境所帶來的正面影響的大小.一般情況下生活熱水使用的電力和燃?xì)庠谏芷谙牡哪茉磿?huì)對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響.而太陽能熱水系統(tǒng)除了水泵和補(bǔ)充加熱設(shè)施外主要利用太陽輻射熱.相對電力和燃?xì)鉄崴鞫?，太陽能集熱器獲得的熱量相當(dāng)于正面環(huán)境影響.

集熱量正面環(huán)境影響評價(jià)采用GaBi軟件建立模型，如果太陽能熱水系統(tǒng)生命周期提供的總熱量全部由燃?xì)鉄崴骱碗娂訜崞魈峁?，將燃?xì)饧訜岷碗娂訜崃枯斎朐u估模型，即可得到環(huán)境影響值，即為太陽能熱水系統(tǒng)生命周期使用階段對環(huán)境產(chǎn)生的正面影響[2,12].

1.3 能源-環(huán)境影響-初投資回收期

1) 能源回收期

能源回收期(EPP)是可再生能源系統(tǒng)節(jié)省與該系統(tǒng)生產(chǎn)階段、使用階段和回收階段的能耗相同數(shù)量的一次能源所需的時(shí)間[12]，其公式為

式中：Ea為太陽能熱水系統(tǒng)原材料獲取、生產(chǎn)階段、使用階段和回收階段消耗的一次能源量，GJ；Eb為太陽能熱水系統(tǒng)每年節(jié)省的一次能源量，GJ；EPP為能源回收期，月.

2) 環(huán)境影響回收期

環(huán)境影響回收期(EIPP)是太陽能熱水系統(tǒng)集熱量正面環(huán)境影響達(dá)到該系統(tǒng)生命周期總體環(huán)境影響的時(shí)間[13]，其公式為

式中：Fa為太陽能熱水系統(tǒng)生命周期環(huán)境影響；Fb為每年太陽能熱水系統(tǒng)集熱量正面環(huán)境影響；EIPP為環(huán)境影響回收期，a.

3) 初投資回收期

初投資回收期(IPP)為太陽能熱水系統(tǒng)初投資與該系統(tǒng)每年產(chǎn)熱節(jié)約資金的比值[14]，即

式中：Wa為太陽能熱水系統(tǒng)初投資，元；Wb為每年產(chǎn)熱節(jié)約資金，元；IPP為初投資回收期，a.

2 清單分析

2.1 太陽能熱水系統(tǒng)

本文選擇 2種集中式太陽能熱水系統(tǒng)，分別為39個(gè)住宅用戶供生活熱水，日用水定額為 120L/戶，冷水溫度為 15℃，設(shè)計(jì)供水溫度為 60℃；集熱器總面積為 150m2，水箱容積 8000L.集熱器吸收太陽能，將熱量轉(zhuǎn)移至熱水中，熱水經(jīng)過儲(chǔ)熱水箱后采用機(jī)械循環(huán)的方式供給用戶.

圖2 太陽能熱水系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of the SHWS

選擇ETSHWS和FPSHWS 2種系統(tǒng)進(jìn)行對比研究，2種系統(tǒng)集熱器面積均為 150m2，水箱尺寸均為2m×2m×2m，水泵為 1臺(tái)，水管直徑均為 DN40，長度為 238m.所不同的是 ETC內(nèi)徑、外徑、長度分別為 47mm、58mm、1800mm，數(shù)量為 1400支，支架 504kg.FPC每塊集熱器尺寸為 2000mm×1000mm×80mm，共75塊，支架質(zhì)量385kg.

2.2 原材料獲取階段、生產(chǎn)階段及運(yùn)輸階段

根據(jù)國內(nèi)文獻(xiàn)[15-16]，2種太陽能熱水系統(tǒng)的原材料獲取階段、生產(chǎn)階段的材料清單如表2所示.

表2 ETSHWS和FPSHWS原材料清單Tab.2 List of the materials in the ETSHWS and FPSHWS

從表 2中可知，對于原材料獲取和生產(chǎn)階段，2種太陽能熱水系統(tǒng)的主要區(qū)別在于ETC玻璃用量要多于FPC，而FPC使用了銅作為吸熱體的原料，在鋁合金和聚氨酯泡沫的使用上 FPC也要多于 ETC.在能耗方面，ETSHWS遠(yuǎn)超 FPSHWS，這是因?yàn)?ETC的加工過程涉及高能耗生產(chǎn)工藝，主要消耗水、電、天然氣.

運(yùn)輸階段，將原材料、半成品和成品的運(yùn)輸過程統(tǒng)一進(jìn)行考慮.本文選用的ETSHWS和FPSHWS半成品和成品生產(chǎn)廠家分布在天津周邊省市，結(jié)合廠家所給出原材料來源以及前人研究給出的運(yùn)輸距離選取方法[15,17]，計(jì)算出公路和鐵路運(yùn)輸距離分別為65km和645km.材料總質(zhì)量為5t，則公路和鐵路運(yùn)輸?shù)呢涍\(yùn)量分別為325t·km和3225t·km.

2.3 使用階段

采用TRNSYS模擬2種系統(tǒng)的全年累積集熱量和系統(tǒng)耗電量.

2.3.1 太陽能熱水TRNSYS模型

搭建太陽能熱水 TRNSYS模型，如圖 3所示.模型中包括的模塊有：氣象參數(shù)、控制系統(tǒng)、輸出模塊、太陽能集熱器、水箱、循環(huán)泵等.

圖3 太陽能熱水TRNSYS模型Fig.3 TRNSYS model of the SHWS

TRNSYS模型參數(shù)設(shè)置：模擬步長為 5min；冷水溫度為 15℃；水箱初溫為 35℃；水箱容積8000L；集熱器總面積為 150m2；用戶用熱負(fù)荷設(shè)為1778MJ/d；采用溫差控制集熱循環(huán)，集熱器出水溫度為 t1，水箱均溫為 t2，當(dāng) t1-t2≥7℃時(shí)，開啟水泵集熱，當(dāng)t1-t2≤2℃時(shí)，關(guān)閉集熱水泵.

集熱效率計(jì)算式為

式中：η為集熱效率；a為集熱效率截距；b為集熱效率斜率，W/(m2·K)；tin為進(jìn)水溫度，℃；ta為環(huán)境溫度，℃；G為太陽輻照量，W/m2.

對于 ETC，a取 0.52，b取 1.56；對于 FPC，a取0.72，b取 4.58[16].

2.3.2 太陽能熱水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行

本文以真空管式和平板式 2個(gè)太陽能熱水系統(tǒng)為研究對象進(jìn)行實(shí)測研究.工程位于天津市郊區(qū)，該地區(qū)太陽能資源豐富，擁有 2600～2800h/a年日照小時(shí)數(shù)，5400～6700MJ/(m2·a)的年太陽輻照量，此外，該地區(qū)年平均室外溫度為13℃.2個(gè)工程均安裝了完善的數(shù)據(jù)采集-傳輸-存儲(chǔ)系統(tǒng).

2.3.3 TRNSYS模型驗(yàn)證

導(dǎo)入 2017年 8月某天的氣象數(shù)據(jù)，采用上述TRNSYS模型進(jìn)行模擬，得出水箱平均溫度和集熱器進(jìn)、出口溫度，并采集該日 FPSHWS 和 ETSHWS兩系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，與模擬數(shù)值進(jìn)行比較來驗(yàn)證搭建的TRNSYS模型.ETSHWS和FPSHWS水箱平均溫度和集熱器進(jìn)、出口溫度模擬和實(shí)測值如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，水箱均溫和集熱器進(jìn)、出口溫度的實(shí)測值和模擬值變化趨勢一致.而圖 4中在08:00—12:00階段，實(shí)測值均高于模擬值，因?yàn)閷?shí)測值是連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，前一天的剩余熱量會(huì)影響測試數(shù)據(jù)，以致 12:00點(diǎn)之前實(shí)測值略高于模擬值；而12:00之后實(shí)測值低于模擬值，這是因?yàn)榇硕螘r(shí)間系統(tǒng)內(nèi)水溫較高，部分熱量與系統(tǒng)外環(huán)境產(chǎn)生了熱交換.圖5中集熱器進(jìn)出口溫度有相似規(guī)律.綜合來看圖 4中，集熱器進(jìn)口溫度、出口溫度和水箱溫度的實(shí)測值和模擬值相對誤差分別在2.1%、3.9%和2.4%之內(nèi)；圖 5中，水箱均溫和集熱器進(jìn)、出口溫度的模擬值和實(shí)測值相對誤差分別在 2.1%、2.5%和 4.2%之內(nèi)，驗(yàn)證了搭建的TRNSYS模型的準(zhǔn)確性.

2.3.4 全年模擬

采用上述TRNSYS模型對FPSHWS和ETSHWS分別進(jìn)行全年模擬，集熱量、集熱效率和水泵耗電量等模擬結(jié)果見表3.

圖4 ETSWHS模擬結(jié)果與實(shí)測值比較Fig.4 Comparison of the ETSHWS simulation results with the measured values

圖5 FPSWHS模擬結(jié)果與實(shí)測值比較Fig.5Comparison of the FPSHWS simulation results with the measured values

表3 ETSHWS和FPSHWS全年模擬結(jié)果Tab.3 Annual simulation results of ETSHWS and FPSHWS

由表 3中數(shù)據(jù)可看出，全年太陽輻照量為5605.0MJ/m2，F(xiàn)PSHWS的平均集熱效率達(dá)到了47.1%，高于ETSHWS的42.9%.FPSHWS的全年累積集熱量達(dá)到了 398.45GJ，高于 ETSHWS的378.19GJ，與實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行結(jié)果一致；而國內(nèi) FPSHWS保溫較差，因此，造成國內(nèi)外 FPSHWS和 ETSHWS年運(yùn)行效率的差異.而且在水泵耗電量方面，F(xiàn)PSHWS高于ETSHWS，這是由于FPSHWS累積集熱量高，水泵運(yùn)行時(shí)間和次數(shù)比ETSHWS多.

以上模擬沒有考慮平板式系統(tǒng)中水與外界換熱導(dǎo)致的系統(tǒng)內(nèi)溫度降低，結(jié)果表明 FPSHWS運(yùn)行效果比真空管式好.然而由于目前國內(nèi) FPSHWS保溫性能較差[18]，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果需要對 FPSHWS模擬結(jié)果按當(dāng)?shù)孛吭缕骄鶜鉁剡M(jìn)行修正[19]，修正方法為

式中：c為集熱量修正系數(shù)；Qs為每月模擬集熱量，GJ；Qh為通過熱傳導(dǎo)和熱對流損失的熱量，GJ；k為平板式集熱器與外界空氣的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；F為換熱面積m2；t3為平板集熱器內(nèi)水溫，℃；t4為室外空氣溫度，℃；t為換熱時(shí)間，s.

修正后的結(jié)果如表4所示，可知修正后FPSHWS全年集熱量由修正前的398.45GJ變?yōu)?65.91GJ.

表4 FPSHWS每月修正系數(shù)及修正集熱量Tab.4Monthly correction factor and corrected heat collection of the FPSHWS

2.3.5 使用階段清單

在使用階段，統(tǒng)計(jì)生命周期清單如表 5所示，總耗電量主要來源于集熱水泵.

表5 ETSHWS和FPSHWS使用階段清單Tab.5 List of ETSHWS and FPSHWS in the usage phase

2.4 回收階段

FPSHWS和ETSHWS兩系統(tǒng)所用的材料中，占比重較大的金屬和玻璃均可回收，而保溫材料如聚氨酯和橡塑泡沫，處理技術(shù)不成熟，需采用回收再利用的方式處理.2種太陽能熱水系統(tǒng)廢物處理回收階段清單如表6所示.

表6 ETSHWS和FPSHWS回收階段材料清單Tab.6 List of the ETSHWS and FPSHWS in the waste disposal and recycling stage

3 結(jié)果和討論

3.1 真空管和平板式太陽能熱水系統(tǒng)LCA分析

3.1.1 生命周期環(huán)境影響

生命周期的環(huán)境影響是將上述所有清單分析的結(jié)果輸入，從而來評估研究系統(tǒng)對環(huán)境產(chǎn)生的各種潛在影響，然后對結(jié)果特征化和標(biāo)準(zhǔn)化處理[20].特征化是通過特征化因子賦予各種影響類型對應(yīng)的物質(zhì)相應(yīng)的權(quán)重，然后統(tǒng)一為基準(zhǔn)單位的過程，從而以影響分?jǐn)?shù)來表示；標(biāo)準(zhǔn)化則是為各種影響類型提供標(biāo)準(zhǔn)的情境，便于進(jìn)行比較[21].而本文生命周期分析中，以全球尺度的數(shù)據(jù)值為基準(zhǔn)，對各影響類型的影響分?jǐn)?shù)進(jìn)行分階段計(jì)算.FPSHWS和ETSHWS生命周期各階段環(huán)境影響結(jié)果如圖6所示，各環(huán)境影響類型及各階段在種環(huán)境影響中所占的比例如圖7和圖8所示.

從圖 6可知，標(biāo)準(zhǔn)化后 ETSHWS環(huán)境影響總量為 1.92×10-9，而 FPSHWS 環(huán)境影響總量 4.26×10-9，約為ETSHWS環(huán)境影響總量的2.2倍.FPSHWS 和ETSHWS運(yùn)輸階段、使用階段和回收階段在數(shù)值上相近.而 FPSHWS的生產(chǎn)階段環(huán)境影響約為ETSHWS的3倍，這主要是因?yàn)镕PSHWS需要的金屬材料和保溫材料較多，而這些材料的生產(chǎn)過程對環(huán)境影響比較大.

圖6 ETSWHS and FPSWHS生命周期環(huán)境影響Fig.6Life cycle environmental impact of the ETSHWS and FPSHWS

圖7 生命周期2熱水系統(tǒng)各環(huán)境影響類型占比Fig.7Proportion of each type of environmental impact of the ETSHWS and FPSHWS

圖8 生命周期各階段2熱水系統(tǒng)各階段環(huán)境影響占比Fig.8Proportion of environmental impact during each stage of the ETSHWS and FPSHWS

從圖 7中可以看出，ETSHWS各影響因子比例相對分散，生命周期環(huán)境影響中ADP fossil所占比重最大，約為30%，其次為GWP和AP，分別占約25%和 20%，其他 4種影響因子總和占比約 25%；而FPSHWS影響因子比例相對集中，占比最大的環(huán)境影響類型為ADP elements，約為65%，其他6種影響影子總和約為 35%.兩種系統(tǒng)產(chǎn)生這一差異的主要原因是 ETSHWS在生產(chǎn)階段用了較多的玻璃，且真空管集熱器的生產(chǎn)過程能耗較大，相應(yīng)的化石能源耗竭值、全球變暖潛值和酸化潛值占比例較大；而FPSHWS使用了相對更多的鋁合金及銅等金屬材料，所以礦產(chǎn)資源耗竭潛值占比極大.

從圖8可知，對于生命周期各階段對總環(huán)境影響的貢獻(xiàn)，ETSHWS的生產(chǎn)階段貢獻(xiàn)最大，約為 55%，其次是使用階段，占比約 40%，而回收階段和運(yùn)輸階段占比約 5%，可見 ETSHWS生命周期環(huán)境影響主要來自生產(chǎn)和使用階段(95%)；而對于 FPSHWS，貢獻(xiàn)度最大的為生產(chǎn)階段，占比達(dá) 80%，而使用階段和回收階段占比分別為 15%和 4%，運(yùn)輸階段占比最小，僅為1%.從圖6可知兩系統(tǒng)運(yùn)輸、使用和回收階段環(huán)境影響值相近，但 ETSHWS總體環(huán)境影響值要小于 FPSHWS，所以ETSHWS使用階段的環(huán)境影響比重比FPSHWS使用階段環(huán)境影響比重大.

3.1.2 生命周期集熱量正面環(huán)境影響

由第 2.2節(jié)可知，相對太陽能熱水系統(tǒng)生命周期使用階段對環(huán)境產(chǎn)生的正面影響，包括 ETSHWS、FPSHWS、ETSHWS相對 GH、ETSHWS相對 EH、FPSHWS相對GH和FPSHWS相對EH 6種情況，分別用A～F表示，見圖9和圖10.

從圖9中可以看出，ETSWHS和FPSWHS使用階段集熱量正面環(huán)境影響相對燃?xì)鉄崴鞣謩e為3.11×10-8和 2.93×10-8，相對電熱水器分別為 1.15×10-7和 1.08×10-7.壽命期為 15a的 ETSHWS生命周期集熱量正面環(huán)境影響略大于壽命期為 20a的FPSHWS生命周期集熱量正面環(huán)境影響，說明ETSHWS全年運(yùn)行效果要明顯優(yōu)于 FPSHWS.由第3.1.1節(jié)知，TSHWS和 FPSHWS生命周期環(huán)境影響分別為 1.92×10-9和 4.50×10-9，相比于生命周期集熱量產(chǎn)生的正面環(huán)境影響，生命周期總環(huán)境影響非常微小.對于 ETSHWS和 FPSHWS，生命周期總環(huán)境影響分別為集熱量正面環(huán)境影響的 6.4%和 13%(相對于燃?xì)饧療崞?；而相對于電加熱器，這一數(shù)值分別為 1.7%和 3.5%.因此，太陽能熱水系統(tǒng)擁有顯著的環(huán)境效益.

由圖 10可知，相對于燃?xì)饧訜?，GWP和 ADP fossil分別占比約 30%和 55%，而對于電加熱，GWP、AP和 ADP fossil分別占比約 30%和 55%，而對于電加熱，全球變暖潛值、酸化潛值和化石能源耗竭潛值分別占比約 30%、30%和 25%，兩者差異主要是由于國內(nèi)目前多用燃煤發(fā)電，燃燒產(chǎn)生酸化氣體較多，而天然氣相對來說比較清潔，產(chǎn)生的酸化氣體較少.從以上分析可以得出，對于集中集熱式太陽能熱水系統(tǒng)采用燃?xì)饧訜嶙鳛檩o助熱源環(huán)境影響要明顯小于電加熱作為輔助熱源.但目前中國市場上太陽能熱水系統(tǒng)輔助熱源基本均選擇電加熱，主要原因是，天然氣易燃易爆炸，而中國城市住宅建筑以多層或高層為主，人口密度大，采用天然氣作為輔助熱源潛在危險(xiǎn)太大.

圖9 ETSHWS和FPSHWS生命周期環(huán)境影響及集熱量正面環(huán)境影響對比Fig.9Comparison of life cycle environmental impact and heat collection positive environmental impact of the two systems

圖10 ETSHWS和FPSHWS生命周期環(huán)境影響及集熱量正面環(huán)境影響占比Fig.10Proportion of life cycle environmental impact and heat collection positive environmental impact of the two systems

3.2 能源-環(huán)境影響-初投資回收期分析

由于國內(nèi)外 FPSHWS 和 ETSHWS運(yùn)行效果及物價(jià)水平的差異，需要將兩系統(tǒng)各生命周期能耗總量、環(huán)境影響總量及初投資轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的回收期，方便國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行比較.另外，本節(jié)選擇燃?xì)鉄崴?GH)和電熱水器(EH)為參照對象，其中天然氣的熱值為 38.93MJ/m3，燃?xì)鉄崴骱碗姛崴餍史謩e為 90%和 95%，火電效率為 37%，則電熱水器消耗一次能源效率約為35%[22].

3.2.1 能源回收期分析(EPP)

由第2.3節(jié)和清單分析可得Ea、Eb和EPP如表7所示.

由表 7可知，相對于全年集熱量，兩系統(tǒng)生產(chǎn)階段、使用階段和回收階段的一次能源消耗量很小，能耗的回收期都很短，其中 ETSHWS相對于電加熱的回收期最短，僅為0.54月，F(xiàn)PSHWS相對于燃?xì)饧訜岬幕厥掌谧铋L，需要 2.16月.ETSHWS能耗回收期約為FPSHWS的1.5倍，主要是因?yàn)镕PSHWS實(shí)際運(yùn)行效果較差.

3.2.2 環(huán)境影響回收期分析

由第 2.3節(jié)、第 3.1節(jié)和本節(jié)可得 Fa、Fb和EIPP，見表8.

表7 太陽能熱水系統(tǒng)能耗及其回收期Tab.7 Energy consumption and payback period of the SHWS

表8 環(huán)境影響回收期Tab.8 Environmental impact of the payback period

由表 8可知，環(huán)境影響回收期最短的是ETSHWS相對于電加熱，為 0.26a，回收期最長的是FPSHWS相對于燃?xì)饧訜?，?2.60a；FPSHWS環(huán)境影響回收期約為真空管系統(tǒng)的 2.7倍，主要是因?yàn)镕PSHWS生命周期的環(huán)境影響較大.

3.2.3 初投資回收期分析

經(jīng)計(jì)算，ETSHWS和 FPSHWS水泵、水箱和管路系統(tǒng)相同，3部分造價(jià)之和為 34150元；ETSHWS支架 7560元，集熱器 560元/m2；FPSHWS支架5775元，集熱器 690元/m2.ETSHWS和 FPSHWS系統(tǒng)總初投資分別為 125710元和 143425元.兩太陽能熱水系統(tǒng)每年產(chǎn)熱相對于電加熱和燃?xì)饧訜峤?jīng)濟(jì)效益如表9所示.

表9 兩太陽能熱水系統(tǒng)每年產(chǎn)熱經(jīng)濟(jì)效益Tab.9 Economic benefits of the annual solar heat production of the two SHWSs

由以上計(jì)算結(jié)果可知，ETSHWS相對于電加熱的回收期最短，為 2.40a，而 FPSHWS相對于燃?xì)饧訜岬幕厥掌谧铋L，約為 7.73a，F(xiàn)PSHWS經(jīng)濟(jì)回收期約為ETSHWS的1.7倍.

3.3 討 論

1) 本研究結(jié)果與現(xiàn)有研究成果的異同

3種回收期分析結(jié)果表明，兩系統(tǒng)能耗回收期相對于環(huán)境影響回收期和初投資回收期極小，不到3個(gè)月；兩系統(tǒng)的初投資回收期在 8a之內(nèi)；兩系統(tǒng)的環(huán)境影響回收期不到3a.

另外，由第 3.2節(jié)分析結(jié)果可知，ETSHWS在能耗回收期、環(huán)境影響回收期及初投資回收期均短于FPSHWS；而且由第 3.1.2節(jié)可知，ETSHWS全年運(yùn)行效果要明顯優(yōu)于 FPSHWS.所以，所以國內(nèi)太陽能熱水更多選擇ETC.

2) 建筑使用期環(huán)境影響及回收期

如果按照中國建筑 60a的使用期來計(jì)算生活熱水的環(huán)境影響、正面環(huán)境影響和系統(tǒng)初投資.60a內(nèi)2種太陽能熱水系統(tǒng)環(huán)境影響、正面環(huán)境影響(以相對電加熱為例)及系統(tǒng)初投資如表10所示.

表10 建筑使用期 ETSWHS和 FPSWHS環(huán)境影響和初投資Tab.10Environmental impact and initial investment of the two SHWSs in the usage period of the building

由表10可知 ETSHWS環(huán)境影響小于FPSHWS、正面環(huán)境影響優(yōu)于 FPSHWS，而初投資大于ETSHWS.

在中國的太陽能熱水發(fā)展早期，因?yàn)?ETSHWS初投資低，短時(shí)間內(nèi)容易普及，而且當(dāng)時(shí)中國還沒有重視太陽能熱水生命周期環(huán)境影響的問題，于是大部分企業(yè)選擇生產(chǎn)真空管式集熱器，致使市場占有率高.長期的運(yùn)行結(jié)果表明，盡管真空管式系統(tǒng)有如上的優(yōu)點(diǎn)，但由于運(yùn)行過程中真空管容易爆裂，給系統(tǒng)運(yùn)行帶來了很多麻煩，不僅維護(hù)費(fèi)、人工費(fèi)比平板式大幅度增加，而且影響了用戶的使用.長期來看，平板式太陽能熱水系統(tǒng)初投資要優(yōu)于真空管式系統(tǒng).所以，近年來隨著國內(nèi)平板式太陽能熱水系統(tǒng)性能的提高，平板式太陽能熱水系統(tǒng)年增長率逐漸升高.

4 結(jié) 論

本文基于國內(nèi)外現(xiàn)有研究，采用太陽能熱水系統(tǒng)為研究對象，對 FPSHWS 和 ETSHWS生命周期各個(gè)階段的環(huán)境影響及回收期等方面進(jìn)行了研究，主要研究成果如下.

(1) FPSHWS環(huán)境影響總量約為真空管系統(tǒng)的2.3倍；全生命周期中，ETSHWS的環(huán)境影響最大的類型為 ADP fossil，占比約為 30%，其次是 GWP和AP，分別占比約 25%和 20%；而 FPSHWS占比最大的環(huán)境影響類型為ADP elements，約為65%.

(2) 就生命周期各階段對總環(huán)境影響的貢獻(xiàn)而言，ETSHWS貢獻(xiàn)度最大的為生產(chǎn)階段，約為 55%，其次是使用階段，占比約 40%；而 FPSHWS生產(chǎn)階段的貢獻(xiàn)度占比達(dá)到了 80%，其他階段總和占比約20%.

(3) 相比于生命周期集熱量產(chǎn)生的正面環(huán)境影響，生命周期總環(huán)境影響非常微小.對于 ETSHWS和 FPSHWS，生命周期總環(huán)境影響分別為集熱量正面環(huán)境影響的 6.4%和 13.0%(相對于燃?xì)饧療崞?；而相對于電加熱器，這一數(shù)值分別為 1.7%和3.5%.因此，太陽能熱水系統(tǒng)擁有顯著的環(huán)境效益.

(4) 兩系統(tǒng)能耗回收期不到3個(gè)月，環(huán)境影響回收期不到 3a，初投資回收期在 8a之內(nèi).平板式太陽能熱水系統(tǒng)能耗回收期、環(huán)境影響回收期和初投資回收期分別為真空管式太陽能熱水系統(tǒng)的 1.5倍、2.7倍和1.7倍.就運(yùn)行效果、環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)性而言，真空管式太陽能熱水系統(tǒng)明顯優(yōu)于平板式太陽能熱水系統(tǒng).

(5)若以建筑60a的使用期來計(jì)算，ETSHWS環(huán)境影響和正面環(huán)境影響均優(yōu)于 FPSHWS，但FPSHWS的系統(tǒng)初投資要優(yōu)于ETSHWS.