攀枝花地區太陽能資源的建筑應用潛力分析

封士杰，李順美(.江蘇城市規劃研究設計院，江蘇南京 0000； .四川卡森科技有限公司，四川成都 60000)

攀枝花地區太陽能資源的建筑應用潛力分析

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

以攀枝花地區的氣象資料為基礎，從太陽能總輻射、日照時數和日照百分率、晴天數和透射系數等方面，對太陽能資源的分布特點及潛力進行了分析。結果表明:攀枝花地區太陽能資源具有明顯的季節性；全年太陽能熱水可滿足標準要求；在建筑上安裝太陽能光伏系統，折算成單位廢氣減排量為14.20 kg/WP，產生的環境效益約為1.72元/ WP，能帶來良好的環境效益。

太陽能資源；太陽能熱水系統；遮陽采光；太陽能光伏系統；潛力分析

由于人類對能源的需求量越來越大，而化石能源一天天減少，且使用化石燃料已經對環境產生了巨大的破壞。節能減排已成為當前全球共同面臨的重大課題。我國自從20世紀60年代利用太陽能資源以來，目前西藏、寧夏、甘肅等地區的太陽能資源已被廣泛應用在發電照明、取暖制冷、燒水做飯等領域，并建成了一批太陽能示范工程，取得了較高的社會效益、經濟效益和環境效益[1]。我國于2009年先后實施了“太陽能屋頂計劃”和“金太陽”示范工程等，以加大政策扶持和補貼力度，加快太陽能技術在我國建筑領域的推廣應用[2]。

攀枝花以“太陽城”著稱，有豐富的太陽能資源。在攀枝花地區廣泛應用的是太陽能熱水系統，而其他的太陽能技術沒有得到廣泛的研究和利用。目前，攀枝花市資源環境的約束日益顯現，高度依賴煤炭的能源結構、粗放型的能源生產和消費方式危及環境安全。因此，針對攀枝花地區的地理、氣候特征等特點，合理利用太陽能技術，挖掘太陽能資源的應用潛能，對于緩解能源問題、減少向大氣中排放CO2、保護生態環境都將具有重大而深遠的意義。

1 攀枝花地區太陽能資源的概述

攀枝花地區位于北緯26°07′～ 27°35′，東經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氣候，無霜期達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]。

根據我國太陽能資源分區(表1)，攀枝花地區太陽能屬于第三類地區——太陽能資源一般地區。比東京、巴黎、倫敦、漢堡和莫斯科等這些世界上太陽能利用較好的城市，太陽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，但合理技術措施也可以使有限的資源得以充分應用。目前，太陽能技術的應用主要有光熱利用、光電利用、光化利用和光生物利用，而攀枝花地區應用比較廣泛的是太陽能熱水系統，其他方面的應用很少涉及。可見，攀枝花地區太陽能的巨大潛力還沒有完全發揮出來，本文就太陽能資源的分布情況，對太陽能利用的多種形式開展對比研究。

表1 太陽能資源分區

2 攀枝花地區太陽能資源分析

通過整理《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》和中國氣象局網站的相關氣象資料[5]，并按文獻[6]的計算方法，計算太陽能的總輻射，分析太陽能輻射時空分布。對日照時長、日照百分率、晴天日數和投射系數等參數進行分析。

2.1 太陽能輻射量的分布

攀枝花太陽能總輻射計算方法選擇普雷索特改進后的經驗公式：

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為經驗系數，分別取值為0.100 334、0.726 224。

通過計算可以得出攀枝花各縣(區)的太陽總輻射(圖1)。從圖1中可以看出，全市全年總輻射為5 600～6 300 MJ/m2，南部地區多于北部地區，如：南部仁和總輻射達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，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 各月太陽總輻射量

由圖2可見，攀枝花炳草崗在春季，太陽能輻射所占比列最大，此時太陽能輻射量為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，攀枝花地區太陽能資源四季分布不均勻，但輻射強度都比較大，且冬季平均最低溫為15.3 ℃左右，有利于太陽能資源的利用。

圖2 太陽能輻射量季節分布

2.2 日照時長和日照百分率

由圖3可知，攀枝花地區日照充足，年日照時數為2 300～2 700 h，平均每天達6.3 h以上。空間分布上，各地日照時數差異不大，總體上有南多北少，如炳草崗為2 628 h，漁門2 328 h。但時間分布上較為不均勻，年內月日照時數變化曲線呈單谷型，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(飛機場為七月)為全年的最少月，在114～156 h之間，平均日照時數在4 h左右。

圖3 日照時數

由圖4可見，攀枝花地區的年日照百分率年內分布雨季小，干季大，其年內月分布呈單谷型。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 攀枝花晴天日數及氣候學透射系數

一個地區實際到達地面的太陽總輻射量，既取決于天文總輻射，又受該地區大氣透明狀況、天空遮蔽程度的影響。根據氣象觀測資料統計得出的晴天日數、日照時數能較好地反映各地大氣透明狀況，攀枝花全年平均氣候學透射系數為48 %～53 %。按日平均低云量<2.0為晴天進行統計,攀枝花全年晴天日數為106～152 d。

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

3 攀枝花太陽能利用現狀及太陽能資源在建筑上的利用潛能

3.1 攀枝花太陽能利用現狀

太陽能利用主要有光熱、光電、光化和光生物4種利用方式。目前，攀枝花地區的太陽能熱水系統利用比較普遍，其它很少。通過上面的分析可知，攀枝花地區太陽能資源豐富，利用潛能大，如果將這些太陽能有效的利用，對緩解能源問題和保護生態環境將具有重大而深遠的意義。

攀枝花的太陽能利用研究開始于20世紀70年代，重點研發項目有平板式太陽能集熱器、太陽灶、太陽能利用自動跟蹤裝置、太陽能沼氣灶等，但由于成本高及環保意識薄弱等并未發展成產業。近年來，攀枝花市政府高度重視新能源開發及環境保護，出臺了《建筑節能設計文件審查要點試行》規定等。同時在太陽能發電方面也在不斷的進行嘗試，并取得了一定的成果。2007年，在攀枝花釩鈦產業園區安裝了6.7 km長的太陽能路燈照明系統，這是全國第三的太陽能路燈照明系統。

3.2 太陽能在建筑上的利用潛能分析

3.2.1 太陽能光熱利用

太陽能熱水系統技術作為目前最成熟、光熱轉化效率最高、應用最廣泛、產業化發展最迅速的太陽利用技術，主要用于為人們提供淋浴熱水和生活熱水。由于攀枝花獨特的氣候條件，使太陽能熱水系統在攀枝花地區得到了廣泛的應用。通過計算分析可知，對于集熱面積為3 m2的緊湊式熱水器(設集熱器的年平均集熱效率為0.5，安裝傾角θ=31°～41°，儲水箱和管路的熱損失率為0.25)，太陽能保證率為40 %，如果將初始溫度為15 ℃的水加熱到60 ℃，在春季，太陽能每月月輻射在585～675 MJ/m2之間，則可產生的60 ℃熱水每天量維持在72.4～79.6 L/人；在夏季，太陽能每月月輻射在480～595 MJ/m2之間，則可產生的60 ℃熱水每天量維持在66.3～73.5 L/人；在秋季，太陽能每月月輻射在360～510 MJ/m2之間，則可產生的60 ℃熱水每天量維持在62.1～68.8 L/人；在冬季，太陽能每月月輻射在350～520 MJ/m2之間，則可產生的60 ℃熱水每天量維持在61.1～69.8 L/人。由此可見，對于攀枝花地區來說，全年都可以滿足文獻[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，而攀枝花冬季無結冰期，不需要添加防凍劑。

在攀枝花地區采用太陽能熱水器提供日常生活用水，能獲得很好的經濟效益和環境效益。在經濟方面，太陽能熱水器的初期投資和電或燃氣熱水器基本相同，且太陽能熱水器在運行其間基本不產生費用。太陽能熱水器的使用壽命一般在15 a，而電熱水器一般在12 a，燃氣熱水器一般在8 a，通過計算發現，如果按每天提供50 L/人的熱水，則太陽能熱水器的費用是電熱水器的23.5 %，是燃氣熱水器的43.5 %。可見，太陽能熱水器要比電熱水器和燃氣熱水經濟很多。在環境方面，太陽能熱水器每年可節約用電1 600～1 800 kWh/m2，節約標準煤1 100 kg，且無煙塵、SO2、NOx和CO2廢氣排放，減少了對環境的污染。太陽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。攀枝花地區豐富的獨特的氣候特點，為太陽能熱水器的應用提供了良好的條件，在攀枝花地區應該更進一步擴大太陽能熱水系統的應用規模，這不僅能獲得良好的經濟效益，而且有助于緩解環境壓力。

3.2.2 太陽能光伏技術

攀枝花地區太陽能資源豐富，月最少總輻射為360 MJ/m2，日照時數長，為太陽能光伏技術的利用和發展提供條件。其中，建筑光伏發電系統是利用太陽能發電的一種新概念，它利用鋪設在建筑圍護結構上的太陽能電池板產生電力。它的優點是不僅有效利用建筑外圍護表面，不占用寶貴的土地資源，而且能分擔建筑自身的用電負荷和降低建筑夏季冷負荷，改善室內熱環境。

對一個并網BIPV(光伏建筑一體化系統)進行經濟性、能量回收期和環境效益進行分析，研究對象是位于攀枝花炳草崗的并網光伏屋頂發電系統，安裝功率為9 180 Wp，占用屋頂面積為100 m2(圖5)。光伏組件發出的直流電經逆變器變交流電后上網，系統不設蓄電池儲能設備，光伏組件的尺寸為158 cm×81 cm，電池轉換效率為16.5 %，光伏組件壽命取25 a[16]。攀枝花地區的年年平均總輻射通過月總輻射進行逐月相加得到為5 951 MJ/m2，由年太陽能輻射總量、電池總面積、光電轉化效率和并網系統的修正系數可計算出實際年平均發電量為8 930 kWh。經計算系統初期投資為3.75×105元，系統總的成本折現值為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 光伏系統安裝示意

光伏系統的壽命可劃分為制造和安裝、運行、退役3個階段。在光伏系統在運行期內基本無污染排放，產生的綠電可減輕燃煤發電對環境造成的壓力。設備安裝和退役階段的能耗較難量化，計算時忽略安裝和退役階段的能量耗費。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。據此可計算出初能量的投入量，將所需的最初能量值乘以35 %( 燃煤電廠的平均發電效率) 折算為所需的電能，系統初能量(電能) 為49 278 kWh 和能量回收期(初能量投入量/年發電量)為6 a。

現階段我國電力生產結構以燃煤發電為主，燃煤發電產生大量的煙塵、SO2、NOx和CO2等污染物，給環境保護帶來了巨大壓力，利用太陽能耐光伏發電減少傳統的燃煤發電具有非常重要的環保價值。本文以燃煤發電為參照，分析光伏發電系統的環境效益。按照我國現階段平均供電耗煤345 g/kWh，系統在整個壽命期可節約48.76 t標準煤。表2為每燃燒1 t標準煤所排放的污染物以及每單位污染物排放所對應的環境成本。表3為系統污染物減排量以及環境效益，即污染物排放量降低所導致的環境成本減少。從表3可看出，與煤電發電相比，系統在整個壽命其中減少132.19 t的污染排放量，折算成單位減排量為14.20 kg/WP，因此產生的環境效益約為1.72元/ WP。

表2 單位減排系數和環境成本

表3 污染物減排量及環境效益

4 結論及展望

(1)通過上述分析，攀枝花地區太陽能資源豐富，太陽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)攀枝花地區太陽能資源豐富，輻射強度大，在利用太陽能資源上，有巨大的優勢。通過對太陽能熱水系統的分析可知，太陽能集熱器安裝傾角宜在31～41°之間，全年完全可以滿足標準要求的生活熱水量，并且能帶來良好的經濟效益和環境效益。由此，應倡導居民使用太陽能熱水系統，不僅經濟，而且還環保。

(3)由于攀枝花地區太陽能輻射強度大，宜在建筑設計中設置遮陽設施。遮陽實施在夏季可以遮陽隔熱，降低空調負荷；而在冬季，可以通過南窗得熱，提高室溫、降低供暖能耗，同時也可以調節室內自然采光，減少人工照明。

(4)由于攀枝花地區全年太陽能輻射都較強，為太陽能光伏技術的利用提供了良好的條件。以一個9 180 Wp的光伏系統為例，投資回收期為11 a，能量回收期為6 a，在整個壽命期能節約48.76 t標準煤，減少132.19 t的污染排放量。可見，天陽能光伏技術在建筑上的利用潛能是巨大的，應加大對太陽能光伏利用的推廣。

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

[1] 由世俊，孫賀江，馬德剛，等．中國的太陽能資源及應用潛力[J]．城市環境與城市生態，2002，15(2)：57-59.

[2] 李一平，杜成勛，陳永瓊，等.攀枝花太陽能資源評價[J].高原山地氣象研究，2009,29(1)：44-50.

[3] 中翔.BIPV新技術在住宅建筑中的應用[J].住宅產業，2010(9).

[4] 李啟東，孫顯辰.大面積非晶體硅太陽能光伏發電屋面系統與建筑的一體化施工[J].建筑技術，2011(1).

[5] 宜曉東.太陽能光伏建筑與建筑一體化應用初探[D].合肥.合肥工業大學，2007.

[6] 許洪華.太陽能光伏發展形勢報告(2011-2012)[R].2012.

[7] 赫國強，瞿維佳.光伏建筑一體化設計研究[J].上海電力，2009(1).

封士杰(1990～)，男，助理工程師，從事結構設計工作。

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[定稿日期]2016-10-29