太阳能热水系统建筑应用工程环境效益和经济效益指标计算方法研究

■ 王中原 龚红卫 蔡成亮 管超

(1.南京工业大学城市建设与安全工程学院；2.南京工大建设工程技术有限公司)

0 引言

太阳能作为清洁的可再生能源，受到世界各国的重视。我国有丰富的太阳能资源，陆地表面每年接收到的太阳辐射能相当于17000亿tce。当前，随着我国对太阳能热利用技术的开发，太阳能热水系统产业在我国得到了前所未有的关注和发展。目前太阳能集热系统环境效益与经济效益评价体系及指标已成为重要的研究课题。

然而经相关研究表明，70%的实际工程应用效果低于设计值的80%，即依据设计指标，不能合理地反应实际工程的应用效果。因此，为达到预期效果，需要从实际工程应用效果指标出发，逆向验证设计指标，在设计初期为其提供参考。

1 环境效益和经济效益指标计算方法

1.1 单位集热面积年系统得热量(MJ/m2)

集热系统得热量[1]是由太阳能集热系统中太阳集热器提供的有用能量，单位集热面积年系统得热量，即1 m2太阳能集热面积在1年内得到的有用能量。得热量是太阳能热水系统最重要的质量指标之一，主要用来评价系统实际得到的由太阳辐照转化热量的能力。

本文中单位集热面积年系统得热量不是由现场的太阳能热水系统测试得出，而是利用当地全年太阳辐照量与集热系统效率(以下公式均为太阳能全年使用)相乘得到。计算公式如式(1)～ (2)：

式中，hy为单位集热面积全年太阳总辐照量，MJ/m2；x1、x2、x3、x4为全年太阳辐照量分段时期统计得到的各段天数，d； H1、H2、H3、H4为全年太阳辐照量分段时期得到的各段日平均太阳辐照量，MJ/m2。

式中，qj为单位集热面积年系统得热量，MJ/ m2；η为全年太阳能热水系统集热系统效率，%。

1.2 单位集热面积年常规能源替代量(tce/m2)

所谓能源替代，往往是指替代石油、天然气和煤炭等石化燃料的能源，包括风能、 太阳能、生物质能、海洋能、水能等可再生能源，也包括核能等不可再生能源。单位集热面积年常规能源替代量，即1 m2太阳能集热面积在1年内所能替代的常规能源量，是环境效益评价指标。

标准中能源替代量以标准煤为计算对象，计算公式为：

式中，qtr为单位集热面积年常规能源替代量，tce/m2；q为标准煤热值，MJ/kgce，取值为29.307 MJ/kgce；ηt为以传统能源为热源时的运行效率，按表1选取。

表1 太阳能热水系统以传统能源为热源时的运行效率

1.3 单位集热面积年节约费用(元/m2)

对于太阳能热水系统，经济效益主要体现在项目实施后每年节约的费用，即节约的常规能源量与该能源价格的乘积。单位集热面积年节约费用即1 m2太阳能集热面积在1年内所节约的费用。

常规能源为电时，计算公式为：

式中，Csr为太阳能热水系统单位集热面积年节约费用，元/m2；P为当地民用电价，元；Mr为太阳能热水系统每年运行维护增加费用，元。

常规能源为天然气时，计算公式为：

式中，Pr为当地天然气价格，元/Nm³。

2 环境效益和经济效益指标计算结果

2.1 计算条件

本文以南京地区为计算地点，太阳能热水系统为全年使用，南京市全年太阳辐照量分段统计见表2。各分段的日平均太阳辐照量为Hi±0.5(i=1，2，3，4)。

表2 南京市全年太阳辐照量分段统计表(MJ/m2)

太阳能热水系统集热效率级别划分见表3。在实际太阳能应用中能达到1级的集热系统和资源区较少(资源Ⅱ、Ⅲ区较多)，因此本文计算选取2级、3级。太阳能热水系统集热效率为：42%≤η<65%。

表3 太阳能热水系统集热效率η级别划分表

年节约费用的计算方式采用两种：一种是电价，价格为0.8元/kWh；另一种是天然气价格，价格为2.2元/Nm³。太阳能热水系统每年运行维护增加费用为0元。

2.2 计算结果

将计算条件代入式(1)～式(5)，计算结果见表4。

表4 单位集热面积环境效益和经济效益计算指标

3 环境效益和经济效益指标分析

3.1 指标应用意义

表4得出南京地区环境效益指标：以电为常规能源，年常规能源替代量为0.1934～0.3254 tce/ m2；以天然气为常规能源，年常规能源替代量为0.0714～0.1201 tce/ m2。经济效益指标：电价为0.8元/kWh，年节约费用为390.38～656.88元/m2；天然气价格为2.2元/Nm³，年节约费用为116.18～195.50元/m2。

已得到南京地区的环境效益与经济效益指标，就可估算出该地区总体或单个项目太阳能应用面积对应的环境效益和经济效益。也有利于能源投资的初期预算与分配。

其他地区的环境效益和经济效益指标可按照南京地区指标的计算方法计算得出。

3.2 指标影响因素

由计算公式(1)～(5) 可得，单位集热面积环境效益和经济效益指标影响因素为：日累计太阳辐照量、集热系统效率、传统能源种类和单价。

单位集热面积年得热量是环境效益指标与经济指标的直接影响因素，而单位集热面积年得热量受日累计太阳辐照量、集热系统效率的影响。利用固定变量法进行计算，见表5。

日累计太阳辐照量每个分段从最小到最高，年得热量变化量为153.30 MJ/m2，增加8.71%。集热系统效率从42%至65%，增加了23%，变化量为1045.95 MJ/m2，集热系统效率每增加1%，系统年得热量即增加2.59%。日累计太阳辐照量受天气及地区的影响较大，受人为影响较小。集热效率为太阳能集热系统的硬件指标，并且影响年得热量变化较大，因此在太阳能设计及施工时，应选取集热效率较高的集热器，并使其在额定的工作温度范围内运行。

表5 单位集热面积年得热量影响分析表

式(3)中常规能源的替代量受传统能源种类的影响较大，以电为传统能源的能源替代量约是以天然气为传统能源的2.71倍，说明以天然气为传统能源时比以电为传统能源时省62.96%常规能源。

式(3)～式(5)得出年节约费用指标。指标同样受传统能源种类的影响，以电为传统能源的年节约费用是以天然气为传统能源的3.36倍。说明以天然气为传统能源时比以电为传统能源时省70.24%的年节约费用。

4 结论

1)各地区都有对应的环境效益和经济效益指标，本文仅以南京为例进行计算，其他地区指标可按照南京地区指标的计算方法进行计算。

2)以环境效益和经济效益指标可估算出本地区总体或单个项目太阳能应用面积对应的环境效益和经济效益。只跟太阳能热水系统应用面积有关，也有利于能源投资的初期预算与分配。

3)年得热量直接影响环境效益和经济效益指标的大小，南京地区日累计太阳辐照量每个分段从最小到最高，系统年得热量增加8.71%。集热系统效率每增加1%，系统年得热量即增加2.59%。

4)计算环境效益指标时，以电为传统能源的能源替代量约是以天然气为传统能源的2.71倍。

5)计算经济效益指标时，以电为传统能源的年节约费用是以天然气为传统能源的3.36倍。

[1] 魏凤，吕晓华.关于太阳能热水器得热量测试方法的探讨[J].计量与测试技术, 2009, 36 (5): 24－25, 27.