主动式太阳能直接采暖系统技术经济分析_1196

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1、主动式太阳能直接采暖系统技术经济分析 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 11.51。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

2、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

3、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

4、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

5、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，RMBMJ；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

6、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 28845 19092 10293 Nm3 47938 0.088 1.42 电锅炉 2585 83604 158874 kwh 86189 0.159 2.55 天然气锅炉 2585 31238 16901 Nm3 33823 0.062 1 液化气锅炉 2585 526

7、16 5707 Nm3 55202 0.102 1.63 太阳能+液化气 28845 32112 3475 Nm3 60957 0.112 1.80 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

8、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 18676 26693 14428 45370 0.071 1.16 天然气锅炉 2585 36843 19951 39428 0.061 1 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

9、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

10、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

11、 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。5 结论(1) 主动式太阳能直接采暖系统，在目前的集热器价格与能源价格 及技术条件下，尚不能和常规的采暖系统竞争。(2) 影响太阳能直接采暖系统经济性的主要因素是集热器的高价格， 应力争提高集热器的效率或降低其价格。(3) 太阳能采暖系统经济性比热水供应系统经济性差的主要原因是 一年中采暖系统的使用时间短，系统的利用率低。(4) 目前太阳能直接采暖的应用范围也只限于别墅型建筑或 34 层 以下的建筑。(5) 太阳能采暖系统应用于只在白天使用的建筑，如办公楼或教学 楼时，经济性好于需要全天采暖的住宅等建筑。