基于全生命周期的太陽能供暖系統經濟性分析

方桂花 魏燕燕 虞啟輝

摘 要：結合太陽能供暖系統在實際建筑供暖現場的應用特點和全生命周期成本的概念，分析了太陽能供暖系統的構成、能耗特點以及成本構成，建立了一種太陽能供暖系統的全生命周期成本分析模型；基于全生命周期成本模型，分析了建筑面積、系統投資成本以及回收期之間的關系。最終通過文章研究得到如下結論：（1）各種成本中，初投資成本占全生命周期成本最高，其比值達到80%左右。（2）分析投資回收期得出：太陽能供暖系統雖然初期投資較高，但增加的投資可以在系統節約的運行費用中很快的收回，投資回收期一般在5年以內。

關鍵詞：太陽能供暖系統；經濟性分析；全生命周期；節能

中圖分類號：TU832.1+7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）11-0029-04

Abstract： In view of the application characteristics of solar energy heating system in actual building heating site and the concept of whole life cycle cost， the composition， energy consumption and cost composition of solar energy heating system are analyzed. A whole life cycle cost analysis model of solar energy heating system is established. Based on the whole life cycle cost model， the relationship among building area， system investment cost and payback period is analyzed. Finally， through the research of this paper， we get the following conclusion：（1） among all kinds of costs， the initial investment cost is the highest in the whole life cycle cost， and its ratio is about 80%.（2） it is concluded that although the initial investment of solar heating system is high， the increased investment can be recovered quickly in the operation cost saved by the system， and the investment recovery period is generally within 5 years.

Keywords： solar heating system； economy analysis； whole life cycle； energy saving

引言

近年來，由于常規能源的消耗，全球環境問題日益嚴重，使得可再生能源被大力開發利用。而可再生能源是我國重要的能源資源，在滿足能源需求、改善能源結構、減少環境污染、促進發展等方面發揮了很大作用。在可再生能源中，太陽能以其儲能豐富、普遍性、長久性、潔凈安全性、經濟性等優勢在開發利用中占主導地位[1-3]。

我國作為太陽能資源十分豐富的國家，發展太陽能產業可有效地解決我國能源短缺且需求大的問題[4]。而我國能源消耗中建筑耗能占社會總耗能的比例逐年增大，在建筑耗能中，采暖耗能占70%以上。建筑采暖一般采用燃煤鍋爐供暖、燃氣供暖和電鍋爐供暖，而采用太陽能供暖卻極少，主要是因為太陽能供暖的前期投資大，而且人們對太陽能供暖系統的經濟性了解的不夠明確[5-8]。

為此，本文對太陽能供暖系全生命周期經濟性進行分析，并以某辦公大樓的太陽能供暖系統為例，利用全生命周期經濟性分析方法對系統進行分析，并與燃氣供暖的經濟性作比較，從而得出太陽能供暖系統的經濟性特點。為太陽能供暖系統選擇應用提供參考依據。

1 太陽能供暖系統的全生命周期經濟性分析

LCC（Life Cyele Cost）是基于產品全生命周期的一種成本研究方法，是指產品從開始醞釀，經過研究、設計、發展、生產、使用一直到最后報廢的整個生命周期內所消耗的費用總和。簡單來說就是產品“從搖籃到墳墓”的評價方法。

對于太陽能供暖系統全生命周期成本包括：（1）初投資成本，如購置成本、運輸成本、安裝成本等。（2）運行維護成本，如耗能部件的耗電費用和零部件的更換維護費用。（3）處置成本。

1.1 太陽能供暖系統的全生命周期成本模型的建立

太陽能供暖系統的總成本為初投資成本、運行維護成本、處置成本三部分總和。太陽能供暖系統總成本計算公式如下：

式中：Ct為太陽能供暖系統總成本；C1為系統初投資；C2（i）為系統第i年運行維護成本；C3為處置成本；n為使用年限。

1.1.1 初投資成本

太陽能供暖系統初投資成本主要包括太陽能集熱器、貯水箱、循環管道、支架、控制系統、熱交換器和水泵等設備和附件的購置費用、設備的運輸費用和系統的安裝調試費用。其中集熱器和水箱價格占初投資的60%以上。而初投資的多少與供暖面積的大小有關。初投資計算公式如下：

式中：A為集熱器面積；S為每平米集熱器的價格；T為水箱價格；R為系統其它部件的價格；C11為運輸安裝費用。

其中集熱器面積計算公式如下：

式中：QH為建筑物耗能量；f為太陽能保證率；Jt為當地集熱器總面積上的年平均日或月平均日太陽輻照量；ηcd為集熱器年或月平均集熱效率；ηL為管路及貯水箱熱損失率。

建筑物耗能量計算公式如下：

式中：qH為節能設計標準中建筑物耗能量；Ab為建筑物面積。

由式（2）（3）（4）得出初投資與建筑面積的關系如下式：

1.1.2 運行維護成本

太陽能供暖系統的運行維護成本計算公式如下：

式中C21（i）為系統第i年運行成本；C22（i）為系統第i年維護成本。

其中系統的運行成本主要是系統的泵和控制系統的耗電費用。則運行成本的計算公式如下：

式中P為系統泵的耗電量；D為控制系統的耗電量；M為電費。

維護成本包括各零部件的維修費用和更換費用。維修費用分為定期維護費用和非定期維護費用，對于非定期維護在一定的操作間隔之后會花費一個非固定成本，非定期維護費用是由零部件故障概率造成的。

下列方程總結了非定期維護成本估算的方法基于組件故障的概率：

式中：M（tj）為維護成本估算值；cont為用小數表示的百分數；DCF小數的貼現現金流；m為組件的總數量；f（tk ·j）為組件K的故障率；Ck為修理或更換部件的成本。

1.1.3 處置成本

太陽能供暖系統的處置成本為報廢處置成本和材料回收成本的總和：

式中：Ch為系統的報廢處置成本；Cr為系統回收材料成本（值為負，該收益將消減成本）。

1.2 投資回收期

投資回收期有兩種算法：一種是靜態回收期計算方法；一種是動態回收期計算方法。兩種計算方法的差別在于靜態回收期沒有考慮資金折現系數的影響，但計算簡單；而動態回收期年限考慮了折現系數的影響，更加準確[5]。

1.2.1 靜態回收期的計算公式如下：

式中：Ys為太陽能供暖系統的簡單投資回收期；Wa為太陽能供暖系統與常規供暖系統增加的初投資；Ws為太陽能供暖系統的簡單年節能費用。

1.2.2 動態回收期計算方法

當太陽能供暖系統運行N年后節省的總資金與系統的增加初投資相等時，式（10）成立，即SAV=0。

則此時的總累積年份N定義為系統的動態回收期Ne。

式中：PI為折現系數；Cs為太陽能供暖系統節能費用；DJ為每年用于與太陽能供暖系統有關的維修費用，包括太陽集熱器維護，集熱系統管道維護和保溫等費用占總增值投資的百分率。d為年市場折現率，可取銀行貸款利率；e為年燃料價格上漲率。

2 參數影響分析

影響太陽能供暖系統總成本的主要參數有建筑面積的大小、建筑耗能量的多少、太陽能保證率。當建筑面積在100-400m2，樓層在≤3層時，地區分別選取四川、山東、北京和新疆，則建筑面積的大小、建筑耗能量的多少、太陽能保證率與總成本關系如圖1。同樣地區和建筑面積，樓層在≥14層時，它們的關系如圖2。

上圖中四個地區的建筑耗能量與太陽能保證率的值見表1和表2。

3 實例分析

以某辦公大樓為例做太陽能供暖系統的全生命周期的經濟性分析。該辦公大樓建筑面積為7695m2，建筑高度為20.4m。太陽能集熱器放置在樓頂頂部，為減少屋面因長時間承受壓力，造成屋面損壞，太陽能集熱器屋面擺放位置提前預置了水泥基礎，將控制系統放置在一樓室內，水箱放置在室外。

這里的集熱器面積為863m2，集熱效率為0.45。為了充分利用太陽能，同時保證末端供水的安全性和穩定性，該太陽能供暖系統采用兩個貯熱器。太陽能供暖系統的原理圖見圖3。

3.1 初投資成本分析

對某辦公大樓的太陽能供暖系統進行初投資成本分析，則初投資成本主要包括以下三個部分：

3.1.1 構件的購置費用

3.1.2 構件的運輸費用

構件的運輸費用為預制構件從工廠運輸到施工現場的費用，與運輸方式和運輸距離有關。該系統構件的運輸費用為1.9萬元。

3.1.3 安裝施工費用

安裝施工費用包括設備安裝的人工費、機械費和集熱器水泥基礎的施工費，費用分別是13.4萬元、0.5萬元、2.15萬元，系統的安裝施工費用共計16.05萬元。

則太陽能供暖系統的初投資成本共計109.37萬元。

3.2 運行維護成本分析

考慮到該系統為供暖系統，本文的年度運行費用僅考慮冬季采暖期內的運行能耗費用，該供暖系統的使用年限為15年。而該系統在采暖期內的運行費用只有泵和控制系統的耗電費用，而控制系統的耗電量是極少的，這里忽略不計。當地的供暖期為每年的10月15日至翌年的3月15日，約為 152天。系統每天的耗電量為58.8度，供暖周期內耗電量為8937.6度。

當地的電價施行階梯式電價，根據用電量分為三個檔次，計算公式如下式：

經計算每年的電費為0.63萬元，則太陽能供暖系統在使用年限內的運行費用約為9.45萬元。

系統在使用期內的維護成本包括各部件的維修費用和各部件的更換費用。根據各部件的使用年限和其故障概率，在使用期內該系統的維護成本約為10.9萬元到14.56萬元之間。其中泵的壽命一般在5-6年，這里按5年計算。則太陽能供暖系統的運行維護費用在20.35萬元到24.01萬元之間。

3.3 處置成本分析

太陽能供暖系統的處置成本包括系統的拆除費用和系統的報廢回收費用。拆除費用需要的人工費用和機械費用約為 3萬元，報廢回收費用約為0.5萬元，則太陽能供暖系統的處置成本為2.5萬元。

3.4 太陽能供暖與燃氣集中供暖的經濟性比較

3.5 太陽能供暖系統的投資回收期

3.5.1 靜態回收期

太陽能供暖系統與常規熱水系統相比增加的初投資Wz即為太陽能集熱系統的投資部分，要包括集熱系統和控制系統兩部分的投資。

（1）電熱水器設備總價按照500000元計算，Wz=1010000-500000=510000元，Wj=316506 元。得出Yt=1.58年即與電熱水器設備相比太陽能熱水系統的投資回收期為1.58年。

（2）燃氣鍋爐設備總價按照600000元計算，Wz=1010000-600000=4100000元，Wj=97135元。得出Yt=4.12年即與燃氣鍋爐設備相比太陽能熱水系統的投資回收期為4.12年（考慮設備投資、運行維護等綜合投資情況下）。

3.5.2 動態回收期

當太陽能供暖系統運行N年后節省的總資金與系統的增加初投資相等時，則計算所得回收年限Ne=4.78年（這里采用與電加熱做對比）。

4 結束語

通過對太陽能供暖系統的全生命周期經濟性進行分析發現，太陽能供暖系統的回收成本占比很小，它的初投資占比全生命周期總成本的85%左右，運行維護成本占全生命周期總成本的15%左右。太陽能供暖系統的投資回收期一般在5年左右。

本文通過實例對太陽能供暖系統進行全生命周期的經濟性分析，并與燃氣集中供暖的全生命周期的經濟性分析進行對比，得出太陽能供暖系統能夠達到較好的性價比，經濟上較為合算，節能效果也比較明顯。

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