主動式太陽能直接采暖系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟分析

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摘要：本文以一個100平米的房間為 研究 對象，采用10～15年內(nèi)逐日氣象數(shù)據(jù)對太陽能采暖系統(tǒng)進行模擬。根據(jù)模擬的結(jié)果， 分析 其初投資，壽命周期內(nèi)的總能耗、總運行費用，綜合熱價等指標(biāo)。然后將其與燃氣鍋爐、燃煤鍋爐，電鍋爐采暖進行比較，對比其初投資、運行費用，總能耗等指標(biāo)。然后分析了不同的氣象條件、每日太陽能負責(zé)的采暖小時數(shù)、集熱器價格等因素對系統(tǒng) 經(jīng)濟 性的 影響 。 關(guān)鍵詞：太陽能采暖 能耗 經(jīng)濟性 綜合熱價 1 太陽能采暖簡介采暖是我國的能耗大戶。自1991年起平均每年新建建筑10億m2，至1996年底，共有各類建筑約310億m2。每年城鎮(zhèn)建筑僅采暖一項需要的耗能占全國能耗總量的11.5％[1]。化石能源的大量消耗，使我國的能源供應(yīng)面臨巨大的挑戰(zhàn)，而且造成了嚴重的環(huán)境污染。因此研究使用清潔的可再生能源－太陽能進行采暖具有重要意義。太陽能采暖可分為兩大類，一為主動式，另一為被動式。被動式就是根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，依靠建筑物本身構(gòu)造和材料的熱工性能，使房屋盡可能多地吸收和貯存熱量，以達到采暖的目的。主動式用集熱器、蓄熱器、管道、風(fēng)機及泵等設(shè)備來收集、蓄存及輸配太陽能的系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各部分均可控制而達到需要的室溫。主動式太陽能采暖又可分為直接式和間接式。所謂直接式就是由太陽能集熱器加熱的熱水或空氣直接被用來供暖。所謂間接式就是集熱器加熱的熱水溫度通過熱泵提高后再供暖。采用由于集熱溫度高時，集熱器的效率很低，因此一般采用地板采暖或風(fēng)機盤管。這兩種方式要求熱源的溫度比較低，50℃左右，集熱器具有較高的效率。本文的研究對象為一個100平米的房間，假定其耗熱量指標(biāo)為50W/m2，采暖室內(nèi)設(shè)計溫度為20℃，溫度低于8℃即進行采暖，設(shè)置備用鍋爐。太陽能負責(zé)8小時的熱負荷。集熱器正南向放置，傾斜角等于當(dāng)?shù)鼐暥?。該系統(tǒng)同時負責(zé)生活熱水供應(yīng)，每日240L。2 逐日模擬與綜合熱價法2.1 逐日模擬 方法 目前 的太陽能利用系統(tǒng)的經(jīng)濟分析一般以月平均值進行分析，由于需求與供給之間的不匹配，太陽能未必轉(zhuǎn)化為有用收益。比如，太陽能熱水供應(yīng)中，夏天收集的熱量往往用不完，只能放掉。目前還缺乏令人信服的用于全年模擬的氣象數(shù)據(jù)模型，因此本文以1991-2000年的逐日氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對太陽能利用系統(tǒng)進行工況模擬，在此基礎(chǔ)上進行經(jīng)濟分析[2]。 中國 幅員遼闊，地區(qū)差異很大，本文只選擇幾個典型城市進行分析。2.2 綜合能源價格方法目前，評價太陽能利用系統(tǒng)的經(jīng)濟性大多采用凈收益現(xiàn)值和投資回收年限兩種方法，這兩種方法均側(cè)重于對太陽能利用系統(tǒng)本身投資、收益狀況進行分析。而對太陽能利用系統(tǒng)進行經(jīng)濟分析的目的是，確定針對使用者而言最為經(jīng)濟合理的方案，即相對于獲得所需能量、資金投入量少的方案。為此，本文采用綜合能源價格法[3]。 能源價格指的是購買一定種類能源的費用。它在一定意義上代表了或開采或生產(chǎn)這種能源并傳送至使用終端的資金消耗。對于供熱供冷的系統(tǒng)，在其有效使用期限內(nèi)的資金投入主要用于：1）初投資：安裝供熱供冷系統(tǒng)；2）運行費用：在使用期間系統(tǒng)的運行和維護費用。綜合能源價格的含義是在有效使用年限內(nèi)初投資和使用費用的累計綜合值與在此期間所提供能量總和的比值。它是一個將初投資考慮在內(nèi)的全面反映經(jīng)濟分析對象相對于提供單位能量所需費用的參數(shù)。 考慮到資金的動態(tài)特性，即不同時期支出貨幣的價值是不相等的，本文在經(jīng)濟分析過程中，將綜合能源價格進行現(xiàn)值處理。即通過將不同時期投人的資金統(tǒng)一折現(xiàn)為初投資年現(xiàn)值的方法，使資金投入時間和數(shù)量各不相同的不同類型供熱（冷）的綜合能源價格，在同等價值條件下進行比較。綜合能源價格現(xiàn)值的表達式為：式中：M——綜合能源價格現(xiàn)值，RMB／MJ；V——初投資，RMB；t—— 計算 年數(shù)；n——系統(tǒng)有效使用年限；Z——第t年使用費用，RMB；i——銀行存款年利率；本文忽略通貨膨脹對銀行年利率的影響，i取常數(shù)。Et——第t年提供能量總計，MJ；3 主動式太陽能直接采暖經(jīng)濟性分析模擬年限為10年。模擬時采用逐日的溫度和太陽輻射。3.1 北京地區(qū)集熱面積為20m2。能源價格，電：0.6元/kwh； 天然氣：2.1元/Nm3；液化氣：10.5元/Nm3。模擬的結(jié)果見表1。表1 北京太陽能直接采暖的經(jīng)濟性分析熱源種類初投資（元）運行費用（元）燃料耗量總投資(元)綜合熱價(元/MJ)價格比太陽能+天然氣288451909210293 Nm3479380.0881.42電鍋爐258583604158874 kwh861890.1592.55天然氣鍋爐25853123816901 Nm3338230.0621液化氣鍋爐2585526165707 Nm3552020.1021.63太陽能+液化氣28845321123475 Nm3609570.1121.80從上表可以看出，在北京地區(qū)，太陽能采暖比天然氣鍋爐費用要高42%，但費用遠低于電鍋爐；如果輔助能源為液化氣，則比液化氣鍋爐采暖也要高10%。采暖與熱水供應(yīng)相比，由于季節(jié)性強，一年中系統(tǒng)設(shè)備的利用時間短，并且由于采暖的能耗遠遠高于熱水供應(yīng)，因此系統(tǒng)的經(jīng)濟性不好。在北京以北地區(qū)，采暖期長一些，但一般氣溫也更低，集熱效率也低，因此系統(tǒng)的經(jīng)濟性也不好；在北京以南，氣溫高一些，但采暖期更短，并且許多地方太陽能資源不如北京豐富，經(jīng)濟性可能更差一些。3.2 拉薩集熱面積12.3m2，能源價格同上。模擬結(jié)果見表2。表2 拉薩太陽能直接采暖的經(jīng)濟性分析 熱源種類初投資（元）運行費用（元）燃料耗量（Nm3）總投資（元）綜合熱價（元/MJ）價格比太陽能+天然氣186762669314428453700.0711.16天然氣鍋爐25853684319951394280.0611即使在拉薩這樣的陽光城，太陽采暖的價格仍然比天然氣高16%。在目前的條件下，單純的太陽能采暖系統(tǒng)不宜推廣，應(yīng)該加強研究，降低投資。從所得結(jié)果可以看出，為達到8小時供暖所需的集熱器面積較大。以資源條件很好的拉薩為例，向每100m2住宅供暖所需的集熱器面積為12.3m2，而在北京，需要的集熱面積要20m2。再考慮到為防止排間遮擋所需的集熱器排間距，在我國大部分地區(qū)，所需的屋頂面積大約為集熱面積的2倍。顯然，這一面積指標(biāo)比較適合于別墅式住宅，如要用于多層住宅，就必須再降低太陽能供暖率。對于節(jié)能建筑，太陽能負責(zé)的樓層數(shù)可適當(dāng)增加。4 太陽能采暖 經(jīng)濟 性的 影響 因素由于采暖季節(jié)室外氣溫低，平板集熱器的熱損失大，效率低，集熱溫度難以達到要求，因此一般使用真空管，真空管的設(shè)計壽命為15年，但10年以后效率下降。下面以北京地區(qū)為例， 分析 其太陽能直接采暖經(jīng)濟性的影響因素4.1 集熱器的價格 從圖1上可以看出，綜合熱價基本上與單位集熱面積的價格成線性關(guān)系。只有當(dāng)每平米集熱面積降低到600元時，才能與天然氣鍋爐采暖競爭。4.2 太陽能負擔(dān)采暖小時數(shù)從圖2上可以看出，綜合熱價也基本與太陽能負擔(dān)的采暖小時數(shù)成正比，可見如果全天24小時由太陽能采暖，則經(jīng)濟性更差。4.3 采暖起始溫度 綜合熱價隨著起始采暖溫度的提高而降低，但不是線性關(guān)系。提高采暖起始溫度，就等于延長了采暖期，集熱器的利用率得到提高，因而經(jīng)濟性有所提高。4.4 熱水用量的影響從圖4中可以看出，單純的采暖系統(tǒng)（不提供生活熱水）經(jīng)濟性更差，隨著熱水用量的提高，綜合熱價迅速降低，大約在500L之后，下降趨勢變緩。熱水用量的增加，提高了集熱器的利用率，收集了更多的太陽能，因而經(jīng)濟性提高。但由于在冬季，采暖和熱水供應(yīng)均為最不利的時期，因此采暖和熱水供應(yīng)沒有互補性。綜合熱價的降低其實是由于熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟性彌補了采暖系統(tǒng)的不經(jīng)濟。