攀枝花地區(qū)太陽(yáng)能資源的建筑應(yīng)用潛力分析

封士杰，李順美(.江蘇城市規(guī)劃研究設(shè)計(jì)院，江蘇南京 0000； .四川卡森科技有限公司，四川成都 60000)

攀枝花地區(qū)太陽(yáng)能資源的建筑應(yīng)用潛力分析

封士杰1，李順美2
(1.江蘇城市規(guī)劃研究設(shè)計(jì)院，江蘇南京 210000； 2.四川卡森科技有限公司，四川成都 610000)

以攀枝花地區(qū)的氣象資料為基礎(chǔ)，從太陽(yáng)能總輻射、日照時(shí)數(shù)和日照百分率、晴天數(shù)和透射系數(shù)等方面，對(duì)太陽(yáng)能資源的分布特點(diǎn)及潛力進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:攀枝花地區(qū)太陽(yáng)能資源具有明顯的季節(jié)性；全年太陽(yáng)能熱水可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；在建筑上安裝太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，折算成單位廢氣減排量為14.20 kg/WP，產(chǎn)生的環(huán)境效益約為1.72元/ WP，能帶來(lái)良好的環(huán)境效益。

太陽(yáng)能資源；太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)；遮陽(yáng)采光；太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)；潛力分析

由于人類對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，而化石能源一天天減少，且使用化石燃料已經(jīng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的破壞。節(jié)能減排已成為當(dāng)前全球共同面臨的重大課題。我國(guó)自從20世紀(jì)60年代利用太陽(yáng)能資源以來(lái)，目前西藏、寧夏、甘肅等地區(qū)的太陽(yáng)能資源已被廣泛應(yīng)用在發(fā)電照明、取暖制冷、燒水做飯等領(lǐng)域，并建成了一批太陽(yáng)能示范工程，取得了較高的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[1]。我國(guó)于2009年先后實(shí)施了“太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”和“金太陽(yáng)”示范工程等，以加大政策扶持和補(bǔ)貼力度，加快太陽(yáng)能技術(shù)在我國(guó)建筑領(lǐng)域的推廣應(yīng)用[2]。

攀枝花以“太陽(yáng)城”著稱，有豐富的太陽(yáng)能資源。在攀枝花地區(qū)廣泛應(yīng)用的是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，而其他的太陽(yáng)能技術(shù)沒(méi)有得到廣泛的研究和利用。目前，攀枝花市資源環(huán)境的約束日益顯現(xiàn)，高度依賴煤炭的能源結(jié)構(gòu)、粗放型的能源生產(chǎn)和消費(fèi)方式危及環(huán)境安全。因此，針對(duì)攀枝花地區(qū)的地理、氣候特征等特點(diǎn)，合理利用太陽(yáng)能技術(shù)，挖掘太陽(yáng)能資源的應(yīng)用潛能，對(duì)于緩解能源問(wèn)題、減少向大氣中排放CO2、保護(hù)生態(tài)環(huán)境都將具有重大而深遠(yuǎn)的意義。

1 攀枝花地區(qū)太陽(yáng)能資源的概述

攀枝花地區(qū)位于北緯26°07′～ 27°35′，東經(jīng)101°14′～ 102°24′，最高海拔4 195.5 m，最低海拔937 m，全市總面積7 440 km2。攀枝花屬于以南亞熱帶為基帶的季風(fēng)氣候，無(wú)霜期達(dá)300 d以上，年平均氣溫20.3 ℃左右，冬季平均最低溫為15.3 ℃左右，夏季平均最高溫為27.7 ℃左右，最高溫為42.3 ℃[3]。

根據(jù)我國(guó)太陽(yáng)能資源分區(qū)(表1)，攀枝花地區(qū)太陽(yáng)能屬于第三類地區(qū)——太陽(yáng)能資源一般地區(qū)。比東京、巴黎、倫敦、漢堡和莫斯科等這些世界上太陽(yáng)能利用較好的城市，太陽(yáng)能輻射總量比它們多。可見，資源量在資源的可用性上起到一定決定的作用，但合理技術(shù)措施也可以使有限的資源得以充分應(yīng)用。目前，太陽(yáng)能技術(shù)的應(yīng)用主要有光熱利用、光電利用、光化利用和光生物利用，而攀枝花地區(qū)應(yīng)用比較廣泛的是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，其他方面的應(yīng)用很少涉及。可見，攀枝花地區(qū)太陽(yáng)能的巨大潛力還沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)，本文就太陽(yáng)能資源的分布情況，對(duì)太陽(yáng)能利用的多種形式開展對(duì)比研究。

表1 太陽(yáng)能資源分區(qū)

2 攀枝花地區(qū)太陽(yáng)能資源分析

通過(guò)整理《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》和中國(guó)氣象局網(wǎng)站的相關(guān)氣象資料[5]，并按文獻(xiàn)[6]的計(jì)算方法，計(jì)算太陽(yáng)能的總輻射，分析太陽(yáng)能輻射時(shí)空分布。對(duì)日照時(shí)長(zhǎng)、日照百分率、晴天日數(shù)和投射系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行分析。

2.1 太陽(yáng)能輻射量的分布

攀枝花太陽(yáng)能總輻射計(jì)算方法選擇普雷索特改進(jìn)后的經(jīng)驗(yàn)公式：

Q=Q0( a + bS)

式中：Q為總輻射；Q0為天文輻射量；S為日照百分率；a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，分別取值為0.100 334、0.726 224。

通過(guò)計(jì)算可以得出攀枝花各縣(區(qū))的太陽(yáng)總輻射(圖1)。從圖1中可以看出，全市全年總輻射為5 600～6 300 MJ/m2，南部地區(qū)多于北部地區(qū)，如：南部仁和總輻射達(dá)6 298 MJ/m2，而西部漁門為5 672 MJ/m2。月輻射變化大，最多月份和最少月份之差在270 MJ/m2以上，變化呈單峰型，其中3～5月總輻射最強(qiáng)，基本都在600 MJ/m2以上，11月份和12月份，月總輻射為一年中最少的月份，但一般也在360 MJ/m2。

圖1 各月太陽(yáng)總輻射量

由圖2可見，攀枝花炳草崗在春季，太陽(yáng)能輻射所占比列最大，此時(shí)太陽(yáng)能輻射量為1 843 MJ/m2，占全年的30.97 %，夏季次之，占27.36 %，秋季和冬季都較小，秋季占20.95 %，冬季約占20.72 %。由此可見，攀枝花地區(qū)太陽(yáng)能資源四季分布不均勻，但輻射強(qiáng)度都比較大，且冬季平均最低溫為15.3 ℃左右，有利于太陽(yáng)能資源的利用。

圖2 太陽(yáng)能輻射量季節(jié)分布

2.2 日照時(shí)長(zhǎng)和日照百分率

由圖3可知，攀枝花地區(qū)日照充足，年日照時(shí)數(shù)為2 300～2 700 h，平均每天達(dá)6.3 h以上。空間分布上，各地日照時(shí)數(shù)差異不大，總體上有南多北少，如炳草崗為2 628 h，漁門2 328 h。但時(shí)間分布上較為不均勻，年內(nèi)月日照時(shí)數(shù)變化曲線呈單谷型，3～5月各月多在250 h以上，3月全年最多月，在255～278 h之間，平均每天日照8 h以上；九月(飛機(jī)場(chǎng)為七月)為全年的最少月，在114～156 h之間，平均日照時(shí)數(shù)在4 h左右。

圖3 日照時(shí)數(shù)

由圖4可見，攀枝花地區(qū)的年日照百分率年內(nèi)分布雨季小，干季大，其年內(nèi)月分布呈單谷型。其中6～9月較小，基本在50 %以下；1～3月較大，大多在70 %以上。1月或2月最大，7月或9月最小。

圖4 月日照百分率

2.3 攀枝花晴天日數(shù)及氣候?qū)W透射系數(shù)

一個(gè)地區(qū)實(shí)際到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射量，既取決于天文總輻射，又受該地區(qū)大氣透明狀況、天空遮蔽程度的影響。根據(jù)氣象觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)得出的晴天日數(shù)、日照時(shí)數(shù)能較好地反映各地大氣透明狀況，攀枝花全年平均氣候?qū)W透射系數(shù)為48 %～53 %。按日平均低云量<2.0為晴天進(jìn)行統(tǒng)計(jì),攀枝花全年晴天日數(shù)為106～152 d。

攀枝花的日照和氣候?qū)W透射系數(shù)具有明顯的季節(jié)變化，春、冬(干季)季節(jié)透射系數(shù)和日照百分率比夏、秋 (雨季)季節(jié)高得多。夏、秋兩季受熱帶海洋氣團(tuán)控制，在高溫高濕的西南季風(fēng)影響下，空氣潮濕云雨較多，故晴天少，陰天較多、氣候?qū)W透射系數(shù)較低；春、冬兩季在熱帶大陸氣團(tuán)控制下，氣候干燥云雨稀少，因此晴天多、日照豐富、氣候?qū)W透射系數(shù)較高。

3 攀枝花太陽(yáng)能利用現(xiàn)狀及太陽(yáng)能資源在建筑上的利用潛能

3.1 攀枝花太陽(yáng)能利用現(xiàn)狀

太陽(yáng)能利用主要有光熱、光電、光化和光生物4種利用方式。目前，攀枝花地區(qū)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)利用比較普遍，其它很少。通過(guò)上面的分析可知，攀枝花地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，利用潛能大，如果將這些太陽(yáng)能有效的利用，對(duì)緩解能源問(wèn)題和保護(hù)生態(tài)環(huán)境將具有重大而深遠(yuǎn)的意義。

攀枝花的太陽(yáng)能利用研究開始于20世紀(jì)70年代，重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目有平板式太陽(yáng)能集熱器、太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能利用自動(dòng)跟蹤裝置、太陽(yáng)能沼氣灶等，但由于成本高及環(huán)保意識(shí)薄弱等并未發(fā)展成產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，攀枝花市政府高度重視新能源開發(fā)及環(huán)境保護(hù)，出臺(tái)了《建筑節(jié)能設(shè)計(jì)文件審查要點(diǎn)試行》規(guī)定等。同時(shí)在太陽(yáng)能發(fā)電方面也在不斷的進(jìn)行嘗試，并取得了一定的成果。2007年，在攀枝花釩鈦產(chǎn)業(yè)園區(qū)安裝了6.7 km長(zhǎng)的太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)，這是全國(guó)第三的太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)。

3.2 太陽(yáng)能在建筑上的利用潛能分析

3.2.1 太陽(yáng)能光熱利用

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)技術(shù)作為目前最成熟、光熱轉(zhuǎn)化效率最高、應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最迅速的太陽(yáng)利用技術(shù)，主要用于為人們提供淋浴熱水和生活熱水。由于攀枝花獨(dú)特的氣候條件，使太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在攀枝花地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)計(jì)算分析可知，對(duì)于集熱面積為3 m2的緊湊式熱水器(設(shè)集熱器的年平均集熱效率為0.5，安裝傾角θ=31°～41°，儲(chǔ)水箱和管路的熱損失率為0.25)，太陽(yáng)能保證率為40 %，如果將初始溫度為15 ℃的水加熱到60 ℃，在春季，太陽(yáng)能每月月輻射在585～675 MJ/m2之間，則可產(chǎn)生的60 ℃熱水每天量維持在72.4～79.6 L/人；在夏季，太陽(yáng)能每月月輻射在480～595 MJ/m2之間，則可產(chǎn)生的60 ℃熱水每天量維持在66.3～73.5 L/人；在秋季，太陽(yáng)能每月月輻射在360～510 MJ/m2之間，則可產(chǎn)生的60 ℃熱水每天量維持在62.1～68.8 L/人；在冬季，太陽(yáng)能每月月輻射在350～520 MJ/m2之間，則可產(chǎn)生的60 ℃熱水每天量維持在61.1～69.8 L/人。由此可見，對(duì)于攀枝花地區(qū)來(lái)說(shuō)，全年都可以滿足文獻(xiàn)[7]中最高日熱水用水定額(40～80 L/人)，不需要采用輔助加熱裝置，而攀枝花冬季無(wú)結(jié)冰期，不需要添加防凍劑。

在攀枝花地區(qū)采用太陽(yáng)能熱水器提供日常生活用水，能獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。在經(jīng)濟(jì)方面，太陽(yáng)能熱水器的初期投資和電或燃?xì)鉄崴骰鞠嗤姨?yáng)能熱水器在運(yùn)行其間基本不產(chǎn)生費(fèi)用。太陽(yáng)能熱水器的使用壽命一般在15 a，而電熱水器一般在12 a，燃?xì)鉄崴饕话阍? a，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果按每天提供50 L/人的熱水，則太陽(yáng)能熱水器的費(fèi)用是電熱水器的23.5 %，是燃?xì)鉄崴鞯?3.5 %。可見，太陽(yáng)能熱水器要比電熱水器和燃?xì)鉄崴?jīng)濟(jì)很多。在環(huán)境方面，太陽(yáng)能熱水器每年可節(jié)約用電1 600～1 800 kWh/m2，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1 100 kg，且無(wú)煙塵、SO2、NOx和CO2廢氣排放，減少了對(duì)環(huán)境的污染。太陽(yáng)能熱水器一般是安裝在建筑物上，可以合理利用建筑物外表空間，不占用多余用地。攀枝花地區(qū)豐富的獨(dú)特的氣候特點(diǎn)，為太陽(yáng)能熱水器的應(yīng)用提供了良好的條件，在攀枝花地區(qū)應(yīng)該更進(jìn)一步擴(kuò)大太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)模，這不僅能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且有助于緩解環(huán)境壓力。

3.2.2 太陽(yáng)能光伏技術(shù)

攀枝花地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，月最少總輻射為360 MJ/m2，日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，為太陽(yáng)能光伏技術(shù)的利用和發(fā)展提供條件。其中，建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能發(fā)電的一種新概念，它利用鋪設(shè)在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生電力。它的優(yōu)點(diǎn)是不僅有效利用建筑外圍護(hù)表面，不占用寶貴的土地資源，而且能分擔(dān)建筑自身的用電負(fù)荷和降低建筑夏季冷負(fù)荷，改善室內(nèi)熱環(huán)境。

對(duì)一個(gè)并網(wǎng)BIPV(光伏建筑一體化系統(tǒng))進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性、能量回收期和環(huán)境效益進(jìn)行分析，研究對(duì)象是位于攀枝花炳草崗的并網(wǎng)光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)，安裝功率為9 180 Wp，占用屋頂面積為100 m2(圖5)。光伏組件發(fā)出的直流電經(jīng)逆變器變交流電后上網(wǎng)，系統(tǒng)不設(shè)蓄電池儲(chǔ)能設(shè)備，光伏組件的尺寸為158 cm×81 cm，電池轉(zhuǎn)換效率為16.5 %，光伏組件壽命取25 a[16]。攀枝花地區(qū)的年年平均總輻射通過(guò)月總輻射進(jìn)行逐月相加得到為5 951 MJ/m2，由年太陽(yáng)能輻射總量、電池總面積、光電轉(zhuǎn)化效率和并網(wǎng)系統(tǒng)的修正系數(shù)可計(jì)算出實(shí)際年平均發(fā)電量為8 930 kWh。經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)初期投資為3.75×105元，系統(tǒng)總的成本折現(xiàn)值為4.25×105元，單位供電成本1.9元/kWh，投資回收期為11 a。

圖5 BIPV 光伏系統(tǒng)安裝示意

光伏系統(tǒng)的壽命可劃分為制造和安裝、運(yùn)行、退役3個(gè)階段。在光伏系統(tǒng)在運(yùn)行期內(nèi)基本無(wú)污染排放，產(chǎn)生的綠電可減輕燃煤發(fā)電對(duì)環(huán)境造成的壓力。設(shè)備安裝和退役階段的能耗較難量化，計(jì)算時(shí)忽略安裝和退役階段的能量耗費(fèi)。在制造階段，帶鋁框單晶硅光伏組件消耗的能量約為47 MJ/WP，BIPV支承元件分別約為900 MJ /m2，逆變器和電纜約為1 MJ /W。據(jù)此可計(jì)算出初能量的投入量，將所需的最初能量值乘以35 %( 燃煤電廠的平均發(fā)電效率) 折算為所需的電能，系統(tǒng)初能量(電能) 為49 278 kWh 和能量回收期(初能量投入量/年發(fā)電量)為6 a。

現(xiàn)階段我國(guó)電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)以燃煤發(fā)電為主，燃煤發(fā)電產(chǎn)生大量的煙塵、SO2、NOx和CO2等污染物，給環(huán)境保護(hù)帶來(lái)了巨大壓力，利用太陽(yáng)能耐光伏發(fā)電減少傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電具有非常重要的環(huán)保價(jià)值。本文以燃煤發(fā)電為參照，分析光伏發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境效益。按照我國(guó)現(xiàn)階段平均供電耗煤345 g/kWh，系統(tǒng)在整個(gè)壽命期可節(jié)約48.76 t標(biāo)準(zhǔn)煤。表2為每燃燒1 t標(biāo)準(zhǔn)煤所排放的污染物以及每單位污染物排放所對(duì)應(yīng)的環(huán)境成本。表3為系統(tǒng)污染物減排量以及環(huán)境效益，即污染物排放量降低所導(dǎo)致的環(huán)境成本減少。從表3可看出，與煤電發(fā)電相比，系統(tǒng)在整個(gè)壽命其中減少132.19 t的污染排放量，折算成單位減排量為14.20 kg/WP，因此產(chǎn)生的環(huán)境效益約為1.72元/ WP。

表2 單位減排系數(shù)和環(huán)境成本

表3 污染物減排量及環(huán)境效益

4 結(jié)論及展望

(1)通過(guò)上述分析，攀枝花地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，太陽(yáng)能最少的月份的輻射在360 MJ/m2左右，全年都可利用，在建筑上有巨大的利用潛能。

(2)攀枝花地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，輻射強(qiáng)度大，在利用太陽(yáng)能資源上，有巨大的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的分析可知，太陽(yáng)能集熱器安裝傾角宜在31～41°之間，全年完全可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的生活熱水量，并且能帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。由此，應(yīng)倡導(dǎo)居民使用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，不僅經(jīng)濟(jì)，而且還環(huán)保。

(3)由于攀枝花地區(qū)太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度大，宜在建筑設(shè)計(jì)中設(shè)置遮陽(yáng)設(shè)施。遮陽(yáng)實(shí)施在夏季可以遮陽(yáng)隔熱，降低空調(diào)負(fù)荷；而在冬季，可以通過(guò)南窗得熱，提高室溫、降低供暖能耗，同時(shí)也可以調(diào)節(jié)室內(nèi)自然采光，減少人工照明。

(4)由于攀枝花地區(qū)全年太陽(yáng)能輻射都較強(qiáng)，為太陽(yáng)能光伏技術(shù)的利用提供了良好的條件。以一個(gè)9 180 Wp的光伏系統(tǒng)為例，投資回收期為11 a，能量回收期為6 a，在整個(gè)壽命期能節(jié)約48.76 t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少132.19 t的污染排放量。可見，天陽(yáng)能光伏技術(shù)在建筑上的利用潛能是巨大的，應(yīng)加大對(duì)太陽(yáng)能光伏利用的推廣。

在攀枝花的環(huán)境問(wèn)題日益突出和不可再生能源枯竭，太陽(yáng)能資源作為一種可再生的清潔能源越來(lái)越受到重視。太陽(yáng)能在建筑上的利用作為太陽(yáng)能應(yīng)用的一種重要趨勢(shì)，其前景是十分廣闊，隨著太陽(yáng)能利用技術(shù)的日益成熟，相信在不久的將來(lái)，對(duì)太陽(yáng)的應(yīng)用隨處可見。

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封士杰(1990～)，男，助理工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

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[定稿日期]2016-10-29