东北地区太阳能供暖的经济和环境效益分析

王丙林 陈杨杨 于伟锋

摘要：針对当今雾霾影响范围广、持续时间长的问题，以哈尔滨、长春和沈阳为例，采用综合能源价格法对太阳能供暖系统的经济性和环境性进行了评价。计算结果表明：太阳能与集中供暖作为热源时的综合能源价格最低，太阳能与电加热器作为热源的综合能源价格最高，都可有效减少CO2、SO2和悬浮颗粒物的排放，改善空气质量。

关键词：太阳能；综合热价；经济效益；环境效益

中图分类号：TK51

文献标识码：A 文章编号：16749944（2016）08012602

1 引言

随着传统能源储量的不断减少和人们对环保要求的不断提高，新能源的高效清洁应用越来越受到人们的重视。由于利用太阳能为建筑物供热供暖可以获得良好的节能效益和环境效益。因此，利用太阳能作为区域供热热源已经开始变得越来越具有投资价值。

国内外学者通过不同手段对太阳能供暖进行了分析比较。卢奇[1]利用CFD技术对太阳能集热器、储热水箱、辅助热源等进行了合理选择与优化设计。穆志军等[2]分析了所设计的太阳能发电和热水系统的最大量热水和最大电收益。何梓年等[3]认为太阳能吸收式空调及供热综合系统具备夏季空调、冬季供暖、过渡季节提供生活用热水的能力。刘洪杰等[4]等指出张家口地区采用太阳能低温地板辐射供暖完全可行。朱敦智等[5]从经济上考虑，太阳能供暖适宜替代电或油等能价比高的能源或适用于非供暖季节热水需求量大的场合；但替代天然气或其它能价比低的能源，投资经济性较差，投资回报主要体现在社会效益和环境效益方面。Shariah等[6]指出随着水箱容积与集热器面积配比值的增大，太阳能保证率会快速增加，随后变化趋于缓慢。Alireza Hobbi等[7]模拟太阳能热水系统在夏天和冬天的太阳能保证率分别为83%～97%和30%～62%。

中国的太阳能供热供暖工程应用仍处于起步阶段，而且发展不均衡。目前，在山东、江苏、浙江、安徽、北京等地已有太阳能供热的试点和示范，而东北地区的太阳能资源利用却相对较少。以哈尔滨、长春和沈阳为例，研究东北地区太阳能供暖系统的经济效益和环境效益。计算结果表明：太阳能与集中供暖作为热源时的综合能源价格最低，太阳能与电加热器作为热源的综合能源价格最高，都可有效减少CO2、SO2和悬浮颗粒物的排放，改善空气质量，可为该地区采用太阳能供暖发展提供参考依据。

2 太阳能集热器面积计算

为保证太阳能的充分利用，太阳能系统除在供暖期提供供暖热水外，在非供暖期提供生活用水。选用建筑面积F为300 m2，采用间接式太阳能低温热水地板辐射供暖。以长春市（供暖期天数为167 d）为例，其建筑设计热负荷指标qf为52.04 W/m2，表1表明其月最低太阳辐射量H出现在12月，为5.94 MJ/（d.m2） 。由于太阳能不能保证24 h连续供暖，选取平均日照时间为8 h，不足的热负荷由辅助热源提供。

4 经济效益分析

以文献[1]中综合能源价格法对该系统进行经济性分析。该系统费用包括两个方面：①初投资：安装太阳能供热系统的各项材料费、人工费等；②运行费用：在使用期间，用于系统运行和维护所耗费的费用。所谓综合能源价格，指的是在系统使用年限内，费用总和与在此期间内系统所提供能量总和的比值。并将系统各个时间段内的费用做净现值处理。

对于24 h供暖的建筑住宅在选用太阳能作为供暖热源时，由于在供暖期日照时间的影响，其并不能够满足24 h连续供暖，因此添加辅助热源系统，并且能满足非供暖期的生活热水所需要的热量。建筑面积为300 m2，以15a为系统的使用年限来分析，从表2、3和4显示太阳能与集中供暖作为热源时综合能源价格价最低，其次为太阳能与生物质、太阳能与天然气、太阳能与电加热器和太阳能与电锅炉。与文献[8]中所计算的洛阳地区相比：当太阳能与天然气、太阳能与电加热器和太阳能与集中供暖分别作为热源时，东北地区虽然在年运行费用、初投资和总投资均高于洛阳地区，但上述3种方案的综合能源价格均低于洛阳地区的综合能源价格，因此东北地区更加有利于发展太阳能供暖系统。

但以上几种方案的综合能源价格都稍高于天然气作为热源时的综合热价（相差不大），这主要是由于天然气系统的初投资和总投资远远低于其他五种方案，因此太阳能供暖系统具有一定的经济性。

5 环境效益分析

从表6可以看出太阳能系统可有效减少CO2的排放，缓解全球气候变暖。由于减少了化石燃料的消耗，因此同时可减少SO2和悬浮颗粒的排放，可有效降低PM2.5的值，达到良好的环境效益。

6 结论

（1） 在东北地区太阳能供暖和热水联合系统具有一定的经济效益。当采用太阳能和辅助热源共同体作为热源时，太阳能与集中供暖作为热源时综合能源价格价最低，太阳能与电锅炉作为热源时综合能源价格价最高，其次为太阳能与生物质、太阳能与天然气和太阳能与电加热器。

（2） 利用太阳能供暖和热水联合系统减少了不可再生能源消耗，可有效的降低CO2、SO2和悬浮颗粒物的排放量，降低PM2.5的值，其环境效益显著。

参考文献：

[1]卢 奇. 太阳能低温地板辐射采暧系统的研究[D]. 南京：南京理工大学，2013.

[2]穆志君，刘晓婧，葛志松，等. 小型家用太阳能发电和热水系统的研究[J]. 上海节能， 2013 （7）： 32～37.

[3]何梓年，朱 宁. 太阳能吸收式空调及供热系统的设计和性能[J]. 太阳能学报， 2001， 22（1）： 6～11.

[4]刘洪杰， 刘俊峰， 李建平， 等. 太阳能供暖在张家口地区的应用[J]. 湖北农业科学， 2013， 52（9）： 2161～2163.

[5]朱敦智，芦 潮，刘 君. 太阳能供暖技术及系统设计[J]. 建筑热能通风空调，2007，26（2）： 51～54.

[6]Shariah A M. The optimization of tank-volume-to-collector-area ratio for a thermosyphon solar water heater[J]. Renewable Energy， 1996， 7（3）： 289～300.

[7]Hobbi A， Siddiqui K. Optimal design of a forced circulation solar water heating system for a residential unit in cold climate using TRNSYS[J]. Solar Energy， 2009， 83（5）： 700～714.

[8]徐玉梅. 太阳能低温热水地板辐射供暖系统在别墅式建筑的应用研究[J]. 建筑节能， 2008， 4： 64～66.