公共建筑太陽能熱水系統運行效益考察及分析

聞豪，周文成

（1.南京郵電大學 基建處，江蘇 南京210023；2.南京郵電大學 管理學院，江蘇 南京210023）

太陽能具有可再生性、普遍性和清潔性等天然優點，是一種可就地進行開發利用的綠色優質能源.隨著太陽能開發利用技術日益成熟，其環保節能的優勢得到了廣泛認可.現階段我國太陽能利用的主導仍是熱水利用.熱水利用是通過太陽能集熱系統與熱水供應系統為人們提供生產生活所需的熱水.該系統主要包括太陽能集熱器、導管、儲水箱、輔助能源與控制系統等.目前，我國公共建筑通常采用集中式太陽能熱水系統，集中式太陽能熱水系統可分為開式與閉式，最常見的是開式集熱太陽能熱水系統.該系統的集熱板、儲熱水箱通常放在建筑物的表面，且有與大氣相通的通氣管［1－3］.將太陽能運用到建筑領域是建設綠色節能建筑的必然選擇.對于太陽能熱水系統的運行效益（包括經濟效益、環境效益），國內外已有不少實證研究.胡韞頻等［4］用綜合能源價格法研究武漢地區太陽能熱水工程的經濟性，得出太陽能熱水系統＞燃氣熱水系統＞電熱水系統.這一結論在全國廣大地區已得到驗證.文獻［5－6］分別通過計算污染物排放量、生命周期評價法（LCA）研究太陽能熱水系統的環境效益，結果表明：太陽能熱水系統清潔無污染，可減少大量的碳排放，對保護環境、清潔生產以及環境管理有著很好的指導作用.本文主要通過實測與調查，分析大型公建示范項目太陽能熱水系統的運行效益.

1 研究調查與結果描述

1.1 調查方法

江蘇省X 市是可再生能源示范城市.2014年開始，對其中10個采用太陽能熱水系統的示范項目開展了能效測評工作.研究分析太陽能熱水系統在該地區的運行效益.

1.2 調查對象

10個使用太陽能熱水系統的大型公共建筑示范項目：1）市中醫院；2）體育公園游泳館；3）博覽中心酒店；4）某區中醫院；5）某醫院急診病房綜合樓；6）某醫院病房綜合樓；7）工人文化宮重建工程；8）某醫院二期工程；9）市高新技術創業服務中心；10）市環境監控中心.

1.3 調查結果描述

1.3.1 太陽能系統的使用率 通過對118棟公共建筑可再生能源示范項目進行能效考察，將太陽能熱水系統、地源熱泵系統、樓宇自控、冷凝熱回收、自然通風等節能技術與節能措施進行統計分析，可明確該市節能技術與節能措施在公共建筑中的使用概況（部分項目采用多個節能措施）.結果顯示：太陽能熱水系統的使用率最高（64%，76棟），超過了其他節能技術的使用率總和（地源熱泵系統30棟、樓宇自控9棟、冷凝熱回收6棟、遮陽措施6棟、自然通風4棟、自然采光4棟、能量回收3棟、其他節能措施3棟，共計使用率55%）.可見，太陽能作為可再生能源，在該地區公共建筑中的應用廣泛，使用份額大.調查還發現：與其他節能技術相比，運用太陽能熱水系統的技術相對更為成熟，在公共建筑中的增長勢頭較好，在政策上也得到大力扶持.

1.3.2 系統運行描述 該市太陽能資源豐富，被調查的所有項目均為示范性項目，系統總體穩定，運行良好，可解決全年70%以上的熱水需求.所有項目在白天日光充足的時候，熱水系統所需的能力均全部來自于太陽能；當陰雨天無陽光時，可啟動輔助電加熱系統.基本實現了電加熱由太陽能熱水控制系統進行自動啟停，方便快捷.

1.3.3 系統年節能量 系統獲得的年節約能量［7］為

式（1）中：ΔQsave為太陽能熱水系統的年節能量（MJ）；Ac為太陽集熱器面積（m2）；Jt為太陽能集熱器采光面獲得的年輻照量（MJ·m－2）；ηc 為集熱器的平均集熱效率（%）；ηcd為系統的熱損失率（%）.據實測，計算可得示范項目的系統年節能量，如表1所示.

表1 示范項目的年節能量Tab.1 Annual energy savings of demonstration projects

2 結果與分析

2.1 經濟效益

經濟效益是衡量太陽能熱水系統運行效益的重要指標.凈現值是指一項工程壽命期內總效益減去總支出所得的差值.假設考察項目的壽命為60a，太陽能熱水系統的壽命為15a，則系統設備需要更換4次.采用動態分析法，可建立太陽能熱水系統的凈現值經濟預估模型（Nsave）［8］為

式（2）中：m為系統設備的更換次數；n為系統設備的使用周期（a）；φm為第m次更換系統設備在該期初值折現值的系數；φm－n為第m次更換系統設備第n年終值折為該期期初值的系數；Cm－n為第m次更換系統設備第n年的運行費用；Km為第m次更換系統設備初始投；Fmx為第m次系統設備期末的殘值；φm－15為第m次系統設備第15年末終值折為該期期初值的系數；Fmy第m次系統設備期末的拆除等費用；Wm－n為第m次更換系統設備第n年的年節約費用［9］，表示為

式（3）中：ΔQm－n為第m次更換系統設備第n年的節能量；Pm－n為第m次更換系統設備第n年的常規能源熱價.

由于部分項目在建筑壽命期太陽能熱水系統的壽命可能不同，凈現值經濟預估模型應演變為

式（4）中：a，b，c，…分別為第一、二、三、…次更換太陽能熱水系統設備的壽命周期（a）；φm－a，φm－b，φm－c為第m次更換系統設備期末終值折為本期期初值的現值系數.

盡管建筑全壽命期凈現值預估模型能更準確地表達項目的經濟效益，但是該模型需要考慮的因素涉及許多當前難以量化因子.因此，采用最直觀的計算模型，根據年節能量計算年節約費用情況，即

由于X 市的公共建筑大多以電力加熱為主，PP（該地區當年的常規能源熱價）為0.2元·MJ－1.由此可得項目年節約費用，如表2所示.由表2可知：10個項目年節約的費用較為可觀，年平均節約費用超過了20萬元，整體的運行效益良好.

表2 示范項目的年節約費用情況Tab.2 Annual cost savings of demonstration projects

2.2 投資回收期

投資回收期是衡量太陽能熱水系統運行效益的關鍵性指標.建筑全壽命期的動態回收期，即考慮系統設備的更新重置成本、不同年份的常規能源熱價、系統設備拆除費用等因素，太陽能熱水系統實際運行可節省的總費用與系統的總投資相等時所需要的年數.以系統設備壽命15a為例，可構建建筑全壽命期（60a）的動態回收期模型，即

慢性肺源性心臟病是慢性阻塞性肺疾病的主要繼發病，并逐漸導致右心衰竭，是影響中老年患者生活質量，及導致死亡的主要因素之一[1] 。目前針對肺心病的治療，仍以吸氧、基礎疾病治療為主，部分合并心衰患者，增加強心利尿等傳統治療方式，具有一定效果，但是具體用藥方案，仍無統一的標準[2] 。同時，對于改善微循環、抑制氧自由基損傷、保護血管內皮等方面，仍有不足。本研究中，在常規治療方案的基礎上，增加心脈隆注射液，取得較好效果，現做如下總結。

因為部分項目在建筑壽命期系統的壽命可能不同，所以太陽能熱水系統的動態回收期模型應為

式（7）中：e，f，g，…分別為第一、二、三、…次建筑整體系統的壽命周期（年）；φm－e，φm－f，φm－g為第m次更換系統設備期末終值折為本期期初值的現值系數.雖然該模型全面、準確，但存在許多當前難以量化的因子，所以也只能作為預評價的方法.

系統全壽命期的靜態投資回收期是不考慮不同年份的常規能源熱價、系統設備拆除等因素影響，以單一系統全壽命期（15a）為一周期，投資項目收回初始投資現金流量所需要的時間，一定程度上反映了項目的資金回收能力.靜態投資回收期的計算式表示為

式（8）中：Wz為初投資.

示范項目的靜態投資回收期，如表3所示.由表3可知：被考察的10個項目的平均靜態投資回收期為3.5a，項目9回收期最短（1.93a），項目2回收期最長（4.97a）；所考察的10個項目的太陽能熱水系統靜態回收期均在5a內，可見效益相當可觀.

表3 示范項目的靜態投資回收期Tab.3 Static payback time of demonstration projects

2.3 環保效益

環保效益是太陽能熱水系統的不能忽視的重要社會效益.太陽能熱水系統因減少了對常規能源的使用，大大的減少了二氧化碳的排放，單一系統壽命期CO2減排量［10］為

式（9）中：n為系統壽命，取15a；標準煤熱值W＝29.308 MJ·kg－1；E為加熱裝置的效率值，取0.95；電能的碳排放因子FCO2＝0.866kg·kg－1碳標煤.

表4 示范項目壽命期CO2 減排量Tab.4 CO2emission reductions during the demonstration projects′life period

2.4 太陽能保證率

太陽能保證率也是影響太陽能供熱系統經濟性能的重要指標.如果太陽能熱水系統的太陽能保證率高，那么該項目的常規能源替代量就較少，項目的整體節能、環保和社會效益也就可能較高.

示范項目的實測太陽能保證率，如表5 所示.由表5 可知：示范項目太陽能保證率平均值接近50%，所有示范項目均滿足國標要求（GB／T 50801－2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》，不應小于40%）.

表5 實測太陽能保證率Tab.5 Measured solar assurance rate

3 結論

綜上分析可得出以下4點結論.1）太陽能熱水系統的使用率在所有項目中比率最高，超過了其他節能技術的使用率總和，應用廣泛，使用份額大.這與政策的扶植力度、太陽能的能源優勢等因素有一定關系.2）10個項目年平均節約費用為21.91萬元，平均靜態投資回收期為3.47a，經濟效益良好.3）相對于使用化石燃料來生產熱水，用太陽能可大幅減少對環境的污染（主要是二氧化碳的排放），環保效益顯著.4）示范項目的太陽能保證率平均值接近50%，且均符合GB／T 50801－2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》中不應小于40%的規定.太陽能保證率高，常規能源替代量就少，節能、環保和社會效益就高.

可見，在公共建筑中應用太陽能熱水系統有著良好的經濟效益、環保效益，值得推廣.不過，仍有諸多需改進之處，發展空間巨大.

第一，在現有技術的基礎上，應進一步加強系統管理，實現節能減耗.1）針對部分項目系統控制上存在的問題，如反復啟停、供熱時段不集中等問題.建議控制工藝盡可能的根據實際情況制定，比如酒店、賓館主要是晚上用熱水，游泳館、服務中心則主要是白天用熱水.因而可根據不同建筑的具體需要，調整熱水產量，以實現節能減耗的目的.2）調查發現，目前多數項目輸送的熱水溫度較高，需要勾兌冷水降溫到40℃左右才能使用，而高水溫在儲存和輸送過程中熱量散失較多.若能適溫輸送，則可節約一定的能源.3）測評中還發現，直接系統比間接系統耗能要低很多，因而在保證水質的情況下，應根據具體情況盡量選擇采用直接系統.

第二，推進技術革新是太陽能熱水系統安全、高效與規?；l展的關鍵.1）盡管我國家用太陽能熱水系統的技術較為成熟，產業化發展較快，但是在將太陽能熱水系統與公共建筑一體化發展的進程中，仍存在技術瓶頸.為公共建筑提供更高效、便利、安全的太陽能熱水系統，是各領域有待努力推進創新的重要課題.2）調查發現，一些項目的太陽能熱水系統是后期安裝的，存在與建筑結合度不好，有安全隱患，不美觀等一系列問題.杜絕這類現象，需要地產商、設計院在建筑設計前期就考慮好這些問題，讓太陽能熱水系統與建筑完美結合，切實做到規劃、設計、安裝、管理一體化，推進太陽能熱水系統的高效化與規模化［11］.3）要獲得國際競爭力，就必須加快技術創新，加快國際化步伐.相關企業要多與國內外科研機構、高等院校合作，多參加國際交流會，多引進先進技術，以提升我國太陽能利用技術的整體水平.

第三，要加大太陽能熱利用的宣傳力度，并提供政策支持.1）太陽能熱水系統節能、環保，因而有關部門或行業協會要努力向社會各領域推介太陽能熱水系統.2）各地方政府要根據實際，結合國家相關政策研究制定區域性太陽能熱利用的激勵措施.比如對安裝有太陽能熱水系統的公共建筑實施補貼、稅收優惠等，對相關科研機構給予經費支持等［12］.3）要特別對酒店、賓館、醫院、游泳館等公共建筑推廣、應用太陽能熱水系統.這些單位原有熱水系統尚未使用太陽能熱水系統的，在更新改造時應優先采用太陽能熱水系統；新建的酒店、賓館、醫院、游泳館等公共建筑則應盡可能的采用太陽能熱水系統［13］.

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