分布式太陽能集熱系統(tǒng)對碳中和的影響研究

摘 要：中國力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，以應對全球氣候變暖。為實現(xiàn)這個目標，可再生能源應用率將逐漸提高。太陽能因其豐富和環(huán)保的特性，成為眾多可再生能源中的佼佼者。本文通過綜合解剖分布式太陽能集熱系統(tǒng)的結構和運行控制，采用GB/T 50801—2013中對系統(tǒng)進行短期測試的方法獲取集熱系統(tǒng)效率，核算集熱系統(tǒng)集熱量和全生命周期內(nèi)減少二氧化碳排放量，為碳中和目標的實現(xiàn)提供太陽能熱利用貢獻數(shù)據(jù)支撐。

關鍵詞：太陽能，集熱系統(tǒng)，測試，效率，碳中和

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2025.04.026

0 引 言

太陽能光熱資源因其節(jié)能與環(huán)保的雙重優(yōu)勢，在中國的開發(fā)利用規(guī)模正快速擴大，相關技術日益成熟，被視為最有潛力的新能源發(fā)展方向之一。目前，使用太陽能來加熱低溫水（溫度低于90°C）的太陽能熱水系統(tǒng)已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)最為普及且具競爭力和市場化的應用方式。本文通過具體工程實例，展示了分布式太陽能集熱系統(tǒng)在建筑物中的利用，并通過現(xiàn)場測試系統(tǒng)效率，研究太陽能熱利用對碳中和的貢獻。

1 分布式太陽能集熱系統(tǒng)應用

本太陽能集熱系統(tǒng)位于濟南市，處于溫帶季風氣候區(qū)，位于北緯36.7度，東經(jīng)116.95度，年平均環(huán)境溫度為13. 8℃，年平均日照小時數(shù)為7. 0 h，年日照時數(shù)大多在2300～3000 h以上，冬季在130～150天，輻射量在5058至5300兆焦/平方米，屬于我國第I I I類太陽能輻照區(qū)。濟南市太陽水平面年總輻照量為4681.1 MJ/（m2·a），水平面年平均日輻照量為12.82 MJ/（m2·a），濟南市有關月度氣象參數(shù)見表1所示[1]。本工程應用太陽能光熱為居室提供生活熱水，技術相對成熟、經(jīng)濟性較好。

1.1 集熱系統(tǒng)概述

濟南市東部某節(jié)能生態(tài)示范樓太陽能集熱工程系統(tǒng)由保溫儲熱水箱、全玻璃太陽能集熱器為主要部件，保溫循環(huán)管路、輔助加熱器以及開關閥門、水泵、控制器等輔助部件共同構成，該系統(tǒng)主要用于客房的熱水供應。系統(tǒng)主要由16組Φ58-18的全玻璃太陽集熱器（集熱面積100 m2）和一個4噸的儲熱水箱組成。主要管路采用管徑Φ32 mm的熱鍍鋅鋼管，保溫水箱外部用50 mm厚的聚氨酯發(fā)泡，裸露在室外的管路采用30 mm厚的彈性閉孔發(fā)泡保溫材料，輔助加熱采用熱泵加熱方案。綜合考慮本集熱系統(tǒng)與建筑一體化和太陽能利用最大化等各方面因素，太陽集熱器安裝傾角為35度（近濟南緯度）。

1.2 集熱系統(tǒng)運行控制狀況

1.2.1 集熱循環(huán)控制

此太陽能收集設備采用了“溫差-恒溫”的熱量采集方式，具體操作如下：首次注入系統(tǒng)的冷水會立即被集熱器吸儲并加溫至預設值，然后由上水電磁閥控制，使已升溫的熱水從集熱器流向儲水箱直至其充滿，此時電磁閥自動關閉以確保進水的熱度。與此同時，啟用溫差循環(huán)機制。如果集熱器和儲水箱之間的溫差超過指定閾值，則循環(huán)泵開始工作；反之，若兩者間的溫差低于該閾值，循環(huán)泵便會暫停運行。

1.2.2 集熱器上水設計

本集熱系統(tǒng)上水設計中采用了定溫上水、定時上水、強制補水和定位上水四種模式，可以根據(jù)不同的實際情況采用不同的上水模式。

1.2.3 輔助熱泵加熱設計

這個太陽能收集器測量儲水箱內(nèi)部水的溫度，然后依據(jù)實際使用需求（例如一天二十四小時的熱水供應）來調整其工作模式：如果水溫下降到預定點以下，那么熱泵的輔助功能就會自動激活以提供額外熱量；反之若用戶選擇的是定時的熱水供給方式，該設備會在洗澡之前檢查水溫狀況，一旦發(fā)現(xiàn)無法滿足洗澡所需的熱度要求，熱泵的輔助加熱功能也會隨之開啟，直到達到指定的水箱溫度才會停止。

1.2.4 系統(tǒng)防凍設計

為了保護管路在溫度較低的情況下不被凍壞，系統(tǒng)采取了一定的防凍措施。“防凍循環(huán)管道溫度”的設置是為了防止管線監(jiān)控點的溫度過低而發(fā)生結冰的現(xiàn)象。一旦溫度低于此值，防凍循環(huán)泵就會開始工作以保持其正常運行；反之亦然，如果超過這個閾值，防凍循環(huán)泵則會關閉。對于日常用的自來水系統(tǒng)，也采用了類似的方法，通過使用橡膠和塑料材料包裹管道外層并安裝伴熱帶的方式來預防自來水的冷凍現(xiàn)象。具體來說，當冬天來臨且自來水系統(tǒng)的溫度下降到“防凍管道溫度下限”以下的時候，可以選擇定期打開伴熱帶加熱的功能，并且可以根據(jù)需要調整加熱的時間間隔。

2 分布式太陽能集熱系統(tǒng)效率檢測

2.1 檢測方法

按照國家標準GB / T 5 0 8 01—2 013《可再生能源建筑應用工程評價標準》4 . 2 . 3的規(guī)定，對于系統(tǒng)的短時間試驗需要滿足以下要求：必須包含四天的試驗周期并且這段時間內(nèi)要涵蓋不同類型的太陽光輻射情況，日太陽輻照量的分布范圍見表2 [3]。每天測試的時間從上午8時開始至達到所需要的太陽輻照量為止，立即采取遮擋集熱器并停止循環(huán)泵等措施，確保系統(tǒng)不再獲取太陽的熱。

集熱系統(tǒng)的檢測用儀器設備符合《可再生能源建筑應用工程評價標準》4.2.4條要求，具體設備型號、編號、精度和檢定情況見表3。

2.2 太陽能集熱系統(tǒng)效率

每個工況下太陽能集熱系統(tǒng)效率應按下式計算得出[3]：

式中： η為太陽能熱利用系統(tǒng)的集熱系統(tǒng)效率，%；QJ為太陽能熱利用系統(tǒng)的集熱系統(tǒng)的熱量，MJ；A為集熱系統(tǒng)的集熱器總面積，m2；H為太陽總輻照量，MJ/m2；

太陽能集熱系統(tǒng)的年效率應按下式計算得出[4]：

式中： η年為太陽能熱利用系統(tǒng)的年集熱系統(tǒng)效率，%；x 1、x 2、x 3、x 4分別為一年中濟南按表2中日太陽輻照量分布，所涵蓋的4類不同日太陽輻照量的總計天數(shù)；η1、η2、η3、η4則是指各種光輻射強度下每天的熱量收集效能，以%來計算；

根據(jù)國家標準GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》中的相關規(guī)定，太陽能熱水系統(tǒng)的集熱系統(tǒng)效率測試結果見表4。

3 分布式太陽能集熱系統(tǒng)集熱量與減碳分析

3.1 可用太陽輻射能資源

太陽能集熱系統(tǒng)的實際全年太陽輻射集熱量的獲取，應在太陽能集熱器上按照相同角度布置太陽能輻射表采集。本次采用行業(yè)通用的方法是使用典型氣象年參數(shù)。典型氣象年數(shù)據(jù)庫提供的太陽輻射量均為水平面上的輻射值，而本集熱系統(tǒng)太陽能收集裝置以34度傾斜安裝，通過計算可得系統(tǒng)所在地太陽集熱器傾斜面上的年總太陽輻射量為4715.85 MJ/（m2·a）[2]。

3.2 太陽能集熱系統(tǒng)集熱量

本工程屋面集熱板面積為100 m2，集熱系統(tǒng)年均集熱效率為47.1%，集熱系統(tǒng)循環(huán)熱損失為15%，得熱量可由下式（3）[5]，得：

Q屋面=ACJTηcd（1-ηL）（3）

式中：Ac為集熱面積，m2；JT為集熱單位面積所接受的太陽輻射，MJ/m2；ηcd為集熱系統(tǒng)的集熱效率，%；ηL為集熱系統(tǒng)的平均熱損系數(shù)，取15%。

分別將上述數(shù)據(jù)代入上式（3），得：

Q屋面=188799 MJ

3.3 CO2的減排核算

太陽能作為綠色可再生能源，運行起來可減排CO2等溫室氣體，其減排CO2的量是衡量生態(tài)文明建設、推動經(jīng)濟轉型升級的主要指標。CO2減排量可由式（4）計算得[5]：

式中： 為系統(tǒng)壽命期內(nèi)二氧化碳減排量，kg；n為系統(tǒng)壽命，取15年；W為標準煤熱值，29.308MJ/kg；Eff 為燃煤鍋爐效率，60%； 為燃煤的二氧化碳排放因子，2.662。

通過計算得出，本太陽能集熱系統(tǒng)在15年的生命周期內(nèi)，可減排CO2 428噸。

4 結 語

在“雙碳”目標的大環(huán)境下，太陽能等可再生能源的利用將逐漸加大。為了進一步提升光能系統(tǒng)的生活用水加熱效果，需要根據(jù)所在地的具體數(shù)據(jù)與實際情況來選擇合適的設備類型并做精確的數(shù)據(jù)分析以決定其型號的選擇。此外還需要對用戶的需求做出正確的評估以便于合理地調整裝置的位置方向及其數(shù)量等因素，從而達到更高效的工作狀態(tài)并且降低能量損失的可能性。

據(jù)太陽能行業(yè)協(xié)會披露，2022年新增太陽能集熱系統(tǒng)總量2372.5萬m2，其中真空管型太陽能集熱系統(tǒng)銷量1796.8萬m2。通過對本太陽能集熱系統(tǒng)的應用與測試，測算2022年新增太陽能利用系統(tǒng)在15年的生命周期內(nèi)可減排二氧化碳76億噸，充分展現(xiàn)太陽能的利用具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益，降低碳排放以達到中國的碳達峰和零碳的目標是一個重要的環(huán)節(jié)，同時太陽能光熱系統(tǒng)的節(jié)能量、減排量測算也為國家溫室氣體自愿減排交易提供了理論和實施依據(jù)。

參考文獻

[1]叢大鳴.節(jié)能生態(tài)技術在建筑中的應用及實例分析[M].濟南：山東大學出版社，2009.

[2]李郁武，王帥，孔凡恒，等.太陽能技術在節(jié)能生態(tài)示范樓及園區(qū)的應用[J].21世紀建筑材料，2010，2（3）：49-54.

[3]可再生能源建筑應用工程評價標準：GB 50801—2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[4]李博佳，李博佳，黃祝連，等.太陽能生活熱水工程集熱效率測試及影響因素分析[J].建設科技，2016（16）：16-19.

[5]太陽能供熱采暖工程技術標準：GB 50495—2019[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019.

作者簡介

王帥，通信作者，本科，高級工程師，主要從事新能源產(chǎn)品的檢驗檢測工作。

（責任編輯：袁文靜）