東北地區太陽能供暖的經濟和環境效益分析

王丙林 陳楊楊 于偉鋒

摘要：針對當今霧霾影響范圍廣、持續時間長的問題，以哈爾濱、長春和沈陽為例，采用綜合能源價格法對太陽能供暖系統的經濟性和環境性進行了評價。計算結果表明：太陽能與集中供暖作為熱源時的綜合能源價格最低，太陽能與電加熱器作為熱源的綜合能源價格最高，都可有效減少CO2、SO2和懸浮顆粒物的排放，改善空氣質量。

關鍵詞：太陽能；綜合熱價；經濟效益；環境效益

中圖分類號：TK51

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2016）08012602

1 引言

隨著傳統能源儲量的不斷減少和人們對環保要求的不斷提高，新能源的高效清潔應用越來越受到人們的重視。由于利用太陽能為建筑物供熱供暖可以獲得良好的節能效益和環境效益。因此，利用太陽能作為區域供熱熱源已經開始變得越來越具有投資價值。

國內外學者通過不同手段對太陽能供暖進行了分析比較。盧奇[1]利用CFD技術對太陽能集熱器、儲熱水箱、輔助熱源等進行了合理選擇與優化設計。穆志軍等[2]分析了所設計的太陽能發電和熱水系統的最大量熱水和最大電收益。何梓年等[3]認為太陽能吸收式空調及供熱綜合系統具備夏季空調、冬季供暖、過渡季節提供生活用熱水的能力。劉洪杰等[4]等指出張家口地區采用太陽能低溫地板輻射供暖完全可行。朱敦智等[5]從經濟上考慮，太陽能供暖適宜替代電或油等能價比高的能源或適用于非供暖季節熱水需求量大的場合；但替代天然氣或其它能價比低的能源，投資經濟性較差，投資回報主要體現在社會效益和環境效益方面。Shariah等[6]指出隨著水箱容積與集熱器面積配比值的增大，太陽能保證率會快速增加，隨后變化趨于緩慢。Alireza Hobbi等[7]模擬太陽能熱水系統在夏天和冬天的太陽能保證率分別為83%～97%和30%～62%。

中國的太陽能供熱供暖工程應用仍處于起步階段，而且發展不均衡。目前，在山東、江蘇、浙江、安徽、北京等地已有太陽能供熱的試點和示范，而東北地區的太陽能資源利用卻相對較少。以哈爾濱、長春和沈陽為例，研究東北地區太陽能供暖系統的經濟效益和環境效益。計算結果表明：太陽能與集中供暖作為熱源時的綜合能源價格最低，太陽能與電加熱器作為熱源的綜合能源價格最高，都可有效減少CO2、SO2和懸浮顆粒物的排放，改善空氣質量，可為該地區采用太陽能供暖發展提供參考依據。

2 太陽能集熱器面積計算

為保證太陽能的充分利用，太陽能系統除在供暖期提供供暖熱水外，在非供暖期提供生活用水。選用建筑面積F為300 m2，采用間接式太陽能低溫熱水地板輻射供暖。以長春市（供暖期天數為167 d）為例，其建筑設計熱負荷指標qf為52.04 W/m2，表1表明其月最低太陽輻射量H出現在12月，為5.94 MJ/（d.m2） 。由于太陽能不能保證24 h連續供暖，選取平均日照時間為8 h，不足的熱負荷由輔助熱源提供。

4 經濟效益分析

以文獻[1]中綜合能源價格法對該系統進行經濟性分析。該系統費用包括兩個方面：①初投資：安裝太陽能供熱系統的各項材料費、人工費等；②運行費用：在使用期間，用于系統運行和維護所耗費的費用。所謂綜合能源價格，指的是在系統使用年限內，費用總和與在此期間內系統所提供能量總和的比值。并將系統各個時間段內的費用做凈現值處理。

對于24 h供暖的建筑住宅在選用太陽能作為供暖熱源時，由于在供暖期日照時間的影響，其并不能夠滿足24 h連續供暖，因此添加輔助熱源系統，并且能滿足非供暖期的生活熱水所需要的熱量。建筑面積為300 m2，以15a為系統的使用年限來分析，從表2、3和4顯示太陽能與集中供暖作為熱源時綜合能源價格價最低，其次為太陽能與生物質、太陽能與天然氣、太陽能與電加熱器和太陽能與電鍋爐。與文獻[8]中所計算的洛陽地區相比：當太陽能與天然氣、太陽能與電加熱器和太陽能與集中供暖分別作為熱源時，東北地區雖然在年運行費用、初投資和總投資均高于洛陽地區，但上述3種方案的綜合能源價格均低于洛陽地區的綜合能源價格，因此東北地區更加有利于發展太陽能供暖系統。

但以上幾種方案的綜合能源價格都稍高于天然氣作為熱源時的綜合熱價（相差不大），這主要是由于天然氣系統的初投資和總投資遠遠低于其他五種方案，因此太陽能供暖系統具有一定的經濟性。

5 環境效益分析

從表6可以看出太陽能系統可有效減少CO2的排放，緩解全球氣候變暖。由于減少了化石燃料的消耗，因此同時可減少SO2和懸浮顆粒的排放，可有效降低PM2.5的值，達到良好的環境效益。

6 結論

（1） 在東北地區太陽能供暖和熱水聯合系統具有一定的經濟效益。當采用太陽能和輔助熱源共同體作為熱源時，太陽能與集中供暖作為熱源時綜合能源價格價最低，太陽能與電鍋爐作為熱源時綜合能源價格價最高，其次為太陽能與生物質、太陽能與天然氣和太陽能與電加熱器。

（2） 利用太陽能供暖和熱水聯合系統減少了不可再生能源消耗，可有效的降低CO2、SO2和懸浮顆粒物的排放量，降低PM2.5的值，其環境效益顯著。

參考文獻：

[1]盧 奇. 太陽能低溫地板輻射采曖系統的研究[D]. 南京：南京理工大學，2013.

[2]穆志君，劉曉婧，葛志松，等. 小型家用太陽能發電和熱水系統的研究[J]. 上海節能， 2013 （7）： 32～37.

[3]何梓年，朱 寧. 太陽能吸收式空調及供熱系統的設計和性能[J]. 太陽能學報， 2001， 22（1）： 6～11.

[4]劉洪杰， 劉俊峰， 李建平， 等. 太陽能供暖在張家口地區的應用[J]. 湖北農業科學， 2013， 52（9）： 2161～2163.

[5]朱敦智，蘆 潮，劉 君. 太陽能供暖技術及系統設計[J]. 建筑熱能通風空調，2007，26（2）： 51～54.

[6]Shariah A M. The optimization of tank-volume-to-collector-area ratio for a thermosyphon solar water heater[J]. Renewable Energy， 1996， 7（3）： 289～300.

[7]Hobbi A， Siddiqui K. Optimal design of a forced circulation solar water heating system for a residential unit in cold climate using TRNSYS[J]. Solar Energy， 2009， 83（5）： 700～714.

[8]徐玉梅. 太陽能低溫熱水地板輻射供暖系統在別墅式建筑的應用研究[J]. 建筑節能， 2008， 4： 64～66.