主动式太阳能直接采暖系统技术经济分析

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摘要：本文以一个100平米的房间为 研究 对象，采用10～15年内逐日气象数据对太阳能采暖系统进行模拟。根据模拟的结果， 分析 其初投资，寿命周期内的总能耗、总运行费用，综合热价等指标。然后将其与燃气锅炉、燃煤锅炉，电锅炉采暖进行比较，对比其初投资、运行费用，总能耗等指标。然后分析了不同的气象条件、每日太阳能负责的采暖小时数、集热器价格等因素对系统 经济 性的 影响 。 关键词：太阳能采暖 能耗 经济性 综合热价 1 太阳能采暖简介采暖是我国的能耗大户。自1991年起平均每年新建建筑10亿m2，至1996年底，共有各类建筑约310亿m2。每年城镇建筑仅采暖一项需要的耗能占全国能耗总量的11.5％[1]。化石能源的大量消耗，使我国的能源供应面临巨大的挑战，而且造成了严重的环境污染。因此研究使用清洁的可再生能源－太阳能进行采暖具有重要意义。太阳能采暖可分为两大类，一为主动式，另一为被动式。被动式就是根据当地气象条件，依靠建筑物本身构造和材料的热工性能，使房屋尽可能多地吸收和贮存热量，以达到采暖的目的。主动式用集热器、蓄热器、管道、风机及泵等设备来收集、蓄存及输配太阳能的系统，系统中的各部分均可控制而达到需要的室温。主动式太阳能采暖又可分为直接式和间接式。所谓直接式就是由太阳能集热器加热的热水或空气直接被用来供暖。所谓间接式就是集热器加热的热水温度通过热泵提高后再供暖。采用由于集热温度高时，集热器的效率很低，因此一般采用地板采暖或风机盘管。这两种方式要求热源的温度比较低，50℃左右，集热器具有较高的效率。本文的研究对象为一个100平米的房间，假定其耗热量指标为50W/m2，采暖室内设计温度为20℃，温度低于8℃即进行采暖，设置备用锅炉。太阳能负责8小时的热负荷。集热器正南向放置，倾斜角等于当地纬度。该系统同时负责生活热水供应，每日240L。2 逐日模拟与综合热价法2.1 逐日模拟 方法 目前 的太阳能利用系统的经济分析一般以月平均值进行分析，由于需求与供给之间的不匹配，太阳能未必转化为有用收益。比如，太阳能热水供应中，夏天收集的热量往往用不完，只能放掉。目前还缺乏令人信服的用于全年模拟的气象数据模型，因此本文以1991-2000年的逐日气象数据为基础，对太阳能利用系统进行工况模拟，在此基础上进行经济分析[2]。 中国 幅员辽阔，地区差异很大，本文只选择几个典型城市进行分析。2.2 综合能源价格方法目前，评价太阳能利用系统的经济性大多采用净收益现值和投资回收年限两种方法，这两种方法均侧重于对太阳能利用系统本身投资、收益状况进行分析。而对太阳能利用系统进行经济分析的目的是，确定针对使用者而言最为经济合理的方案，即相对于获得所需能量、资金投入量少的方案。为此，本文采用综合能源价格法[3]。 能源价格指的是购买一定种类能源的费用。它在一定意义上代表了或开采或生产这种能源并传送至使用终端的资金消耗。对于供热供冷的系统，在其有效使用期限内的资金投入主要用于：1）初投资：安装供热供冷系统；2）运行费用：在使用期间系统的运行和维护费用。综合能源价格的含义是在有效使用年限内初投资和使用费用的累计综合值与在此期间所提供能量总和的比值。它是一个将初投资考虑在内的全面反映经济分析对象相对于提供单位能量所需费用的参数。 考虑到资金的动态特性，即不同时期支出货币的价值是不相等的，本文在经济分析过程中，将综合能源价格进行现值处理。即通过将不同时期投人的资金统一折现为初投资年现值的方法，使资金投入时间和数量各不相同的不同类型供热（冷）的综合能源价格，在同等价值条件下进行比较。综合能源价格现值的表达式为：式中：M——综合能源价格现值，RMB／MJ；V——初投资，RMB；t—— 计算 年数；n——系统有效使用年限；Z——第t年使用费用，RMB；i——银行存款年利率；本文忽略通货膨胀对银行年利率的影响，i取常数。Et——第t年提供能量总计，MJ；3 主动式太阳能直接采暖经济性分析模拟年限为10年。模拟时采用逐日的温度和太阳辐射。3.1 北京地区集热面积为20m2。能源价格，电：0.6元/kwh； 天然气：2.1元/Nm3；液化气：10.5元/Nm3。模拟的结果见表1。表1 北京太阳能直接采暖的经济性分析热源种类初投资（元）运行费用（元）燃料耗量总投资(元)综合热价(元/MJ)价格比太阳能+天然气288451909210293 Nm3479380.0881.42电锅炉258583604158874 kwh861890.1592.55天然气锅炉25853123816901 Nm3338230.0621液化气锅炉2585526165707 Nm3552020.1021.63太阳能+液化气28845321123475 Nm3609570.1121.80从上表可以看出，在北京地区，太阳能采暖比天然气锅炉费用要高42%，但费用远低于电锅炉；如果辅助能源为液化气，则比液化气锅炉采暖也要高10%。采暖与热水供应相比，由于季节性强，一年中系统设备的利用时间短，并且由于采暖的能耗远远高于热水供应，因此系统的经济性不好。在北京以北地区，采暖期长一些，但一般气温也更低，集热效率也低，因此系统的经济性也不好；在北京以南，气温高一些，但采暖期更短，并且许多地方太阳能资源不如北京丰富，经济性可能更差一些。3.2 拉萨集热面积12.3m2，能源价格同上。模拟结果见表2。表2 拉萨太阳能直接采暖的经济性分析 热源种类初投资（元）运行费用（元）燃料耗量（Nm3）总投资（元）综合热价（元/MJ）价格比太阳能+天然气186762669314428453700.0711.16天然气锅炉25853684319951394280.0611即使在拉萨这样的阳光城，太阳采暖的价格仍然比天然气高16%。在目前的条件下，单纯的太阳能采暖系统不宜推广，应该加强研究，降低投资。从所得结果可以看出，为达到8小时供暖所需的集热器面积较大。以资源条件很好的拉萨为例，向每100m2住宅供暖所需的集热器面积为12.3m2，而在北京，需要的集热面积要20m2。再考虑到为防止排间遮挡所需的集热器排间距，在我国大部分地区，所需的屋顶面积大约为集热面积的2倍。显然，这一面积指标比较适合于别墅式住宅，如要用于多层住宅，就必须再降低太阳能供暖率。对于节能建筑，太阳能负责的楼层数可适当增加。4 太阳能采暖 经济 性的 影响 因素由于采暖季节室外气温低，平板集热器的热损失大，效率低，集热温度难以达到要求，因此一般使用真空管，真空管的设计寿命为15年，但10年以后效率下降。下面以北京地区为例， 分析 其太阳能直接采暖经济性的影响因素4.1 集热器的价格 从图1上可以看出，综合热价基本上与单位集热面积的价格成线性关系。只有当每平米集热面积降低到600元时，才能与天然气锅炉采暖竞争。4.2 太阳能负担采暖小时数从图2上可以看出，综合热价也基本与太阳能负担的采暖小时数成正比，可见如果全天24小时由太阳能采暖，则经济性更差。4.3 采暖起始温度 综合热价随着起始采暖温度的提高而降低，但不是线性关系。提高采暖起始温度，就等于延长了采暖期，集热器的利用率得到提高，因而经济性有所提高。4.4 热水用量的影响从图4中可以看出，单纯的采暖系统（不提供生活热水）经济性更差，随着热水用量的提高，综合热价迅速降低，大约在500L之后，下降趋势变缓。热水用量的增加，提高了集热器的利用率，收集了更多的太阳能，因而经济性提高。但由于在冬季，采暖和热水供应均为最不利的时期，因此采暖和热水供应没有互补性。综合热价的降低其实是由于热水系统的经济性弥补了采暖系统的不经济。