■ 王中原 龔紅衛(wèi) 蔡成亮 管超

(1.南京工業(yè)大學城市建設與安全工程學院；2.南京工大建設工程技術有限公司)

0 引言

太陽能作為清潔的可再生能源，受到世界各國的重視。我國有豐富的太陽能資源，陸地表面每年接收到的太陽輻射能相當于17000億tce。當前，隨著我國對太陽能熱利用技術的開發(fā)，太陽能熱水系統(tǒng)產業(yè)在我國得到了前所未有的關注和發(fā)展。目前太陽能集熱系統(tǒng)環(huán)境效益與經濟效益評價體系及指標已成為重要的研究課題。

然而經相關研究表明，70%的實際工程應用效果低于設計值的80%，即依據設計指標，不能合理地反應實際工程的應用效果。因此，為達到預期效果，需要從實際工程應用效果指標出發(fā)，逆向驗證設計指標，在設計初期為其提供參考。

1 環(huán)境效益和經濟效益指標計算方法

1.1 單位集熱面積年系統(tǒng)得熱量(MJ/m2)

集熱系統(tǒng)得熱量[1]是由太陽能集熱系統(tǒng)中太陽集熱器提供的有用能量，單位集熱面積年系統(tǒng)得熱量，即1 m2太陽能集熱面積在1年內得到的有用能量。得熱量是太陽能熱水系統(tǒng)最重要的質量指標之一，主要用來評價系統(tǒng)實際得到的由太陽輻照轉化熱量的能力。

本文中單位集熱面積年系統(tǒng)得熱量不是由現(xiàn)場的太陽能熱水系統(tǒng)測試得出，而是利用當?shù)厝晏栞椪樟颗c集熱系統(tǒng)效率(以下公式均為太陽能全年使用)相乘得到。計算公式如式(1)～ (2)：

式中，hy為單位集熱面積全年太陽總輻照量，MJ/m2；x1、x2、x3、x4為全年太陽輻照量分段時期統(tǒng)計得到的各段天數(shù)，d； H1、H2、H3、H4為全年太陽輻照量分段時期得到的各段日平均太陽輻照量，MJ/m2。

式中，qj為單位集熱面積年系統(tǒng)得熱量，MJ/ m2；η為全年太陽能熱水系統(tǒng)集熱系統(tǒng)效率，%。

1.2 單位集熱面積年常規(guī)能源替代量(tce/m2)

所謂能源替代，往往是指替代石油、天然氣和煤炭等石化燃料的能源，包括風能、 太陽能、生物質能、海洋能、水能等可再生能源，也包括核能等不可再生能源。單位集熱面積年常規(guī)能源替代量，即1 m2太陽能集熱面積在1年內所能替代的常規(guī)能源量，是環(huán)境效益評價指標。

標準中能源替代量以標準煤為計算對象，計算公式為：

式中，qtr為單位集熱面積年常規(guī)能源替代量，tce/m2；q為標準煤熱值，MJ/kgce，取值為29.307 MJ/kgce；ηt為以傳統(tǒng)能源為熱源時的運行效率，按表1選取。

表1 太陽能熱水系統(tǒng)以傳統(tǒng)能源為熱源時的運行效率

1.3 單位集熱面積年節(jié)約費用(元/m2)

對于太陽能熱水系統(tǒng)，經濟效益主要體現(xiàn)在項目實施后每年節(jié)約的費用，即節(jié)約的常規(guī)能源量與該能源價格的乘積。單位集熱面積年節(jié)約費用即1 m2太陽能集熱面積在1年內所節(jié)約的費用。

常規(guī)能源為電時，計算公式為：

式中，Csr為太陽能熱水系統(tǒng)單位集熱面積年節(jié)約費用，元/m2；P為當?shù)孛裼秒妰r，元；Mr為太陽能熱水系統(tǒng)每年運行維護增加費用，元。

常規(guī)能源為天然氣時，計算公式為：

式中，Pr為當?shù)靥烊粴鈨r格，元/Nm3。

2 環(huán)境效益和經濟效益指標計算結果

2.1 計算條件

本文以南京地區(qū)為計算地點，太陽能熱水系統(tǒng)為全年使用，南京市全年太陽輻照量分段統(tǒng)計見表2。各分段的日平均太陽輻照量為Hi±0.5(i=1，2，3，4)。

表2 南京市全年太陽輻照量分段統(tǒng)計表(MJ/m2)

太陽能熱水系統(tǒng)集熱效率級別劃分見表3。在實際太陽能應用中能達到1級的集熱系統(tǒng)和資源區(qū)較少(資源Ⅱ、Ⅲ區(qū)較多)，因此本文計算選取2級、3級。太陽能熱水系統(tǒng)集熱效率為：42%≤η<65%。

表3 太陽能熱水系統(tǒng)集熱效率η級別劃分表

年節(jié)約費用的計算方式采用兩種：一種是電價，價格為0.8元/kWh；另一種是天然氣價格，價格為2.2元/Nm3。太陽能熱水系統(tǒng)每年運行維護增加費用為0元。

2.2 計算結果

將計算條件代入式(1)～式(5)，計算結果見表4。

表4 單位集熱面積環(huán)境效益和經濟效益計算指標

3 環(huán)境效益和經濟效益指標分析

3.1 指標應用意義

表4得出南京地區(qū)環(huán)境效益指標：以電為常規(guī)能源，年常規(guī)能源替代量為0.1934～0.3254 tce/ m2；以天然氣為常規(guī)能源，年常規(guī)能源替代量為0.0714～0.1201 tce/ m2。經濟效益指標：電價為0.8元/kWh，年節(jié)約費用為390.38～656.88元/m2；天然氣價格為2.2元/Nm3，年節(jié)約費用為116.18～195.50元/m2。

已得到南京地區(qū)的環(huán)境效益與經濟效益指標，就可估算出該地區(qū)總體或單個項目太陽能應用面積對應的環(huán)境效益和經濟效益。也有利于能源投資的初期預算與分配。

其他地區(qū)的環(huán)境效益和經濟效益指標可按照南京地區(qū)指標的計算方法計算得出。

3.2 指標影響因素

由計算公式(1)～(5) 可得，單位集熱面積環(huán)境效益和經濟效益指標影響因素為：日累計太陽輻照量、集熱系統(tǒng)效率、傳統(tǒng)能源種類和單價。

單位集熱面積年得熱量是環(huán)境效益指標與經濟指標的直接影響因素，而單位集熱面積年得熱量受日累計太陽輻照量、集熱系統(tǒng)效率的影響。利用固定變量法進行計算，見表5。

日累計太陽輻照量每個分段從最小到最高，年得熱量變化量為153.30 MJ/m2，增加8.71%。集熱系統(tǒng)效率從42%至65%，增加了23%，變化量為1045.95 MJ/m2，集熱系統(tǒng)效率每增加1%，系統(tǒng)年得熱量即增加2.59%。日累計太陽輻照量受天氣及地區(qū)的影響較大，受人為影響較小。集熱效率為太陽能集熱系統(tǒng)的硬件指標，并且影響年得熱量變化較大，因此在太陽能設計及施工時，應選取集熱效率較高的集熱器，并使其在額定的工作溫度范圍內運行。

表5 單位集熱面積年得熱量影響分析表

式(3)中常規(guī)能源的替代量受傳統(tǒng)能源種類的影響較大，以電為傳統(tǒng)能源的能源替代量約是以天然氣為傳統(tǒng)能源的2.71倍，說明以天然氣為傳統(tǒng)能源時比以電為傳統(tǒng)能源時省62.96%常規(guī)能源。

式(3)～式(5)得出年節(jié)約費用指標。指標同樣受傳統(tǒng)能源種類的影響，以電為傳統(tǒng)能源的年節(jié)約費用是以天然氣為傳統(tǒng)能源的3.36倍。說明以天然氣為傳統(tǒng)能源時比以電為傳統(tǒng)能源時省70.24%的年節(jié)約費用。

4 結論

1)各地區(qū)都有對應的環(huán)境效益和經濟效益指標，本文僅以南京為例進行計算，其他地區(qū)指標可按照南京地區(qū)指標的計算方法進行計算。

2)以環(huán)境效益和經濟效益指標可估算出本地區(qū)總體或單個項目太陽能應用面積對應的環(huán)境效益和經濟效益。只跟太陽能熱水系統(tǒng)應用面積有關，也有利于能源投資的初期預算與分配。

3)年得熱量直接影響環(huán)境效益和經濟效益指標的大小，南京地區(qū)日累計太陽輻照量每個分段從最小到最高，系統(tǒng)年得熱量增加8.71%。集熱系統(tǒng)效率每增加1%，系統(tǒng)年得熱量即增加2.59%。

4)計算環(huán)境效益指標時，以電為傳統(tǒng)能源的能源替代量約是以天然氣為傳統(tǒng)能源的2.71倍。

5)計算經濟效益指標時，以電為傳統(tǒng)能源的年節(jié)約費用是以天然氣為傳統(tǒng)能源的3.36倍。

[1] 魏鳳，呂曉華.關于太陽能熱水器得熱量測試方法的探討[J].計量與測試技術, 2009, 36 (5): 24－25, 27.