攀枝花地区太阳能资源的建筑应用潜力分析

封士杰，李顺美(.江苏城市规划研究设计院，江苏南京 0000； .四川卡森科技有限公司，四川成都 60000)

攀枝花地区太阳能资源的建筑应用潜力分析

封士杰1，李顺美2
(1.江苏城市规划研究设计院，江苏南京 210000； 2.四川卡森科技有限公司，四川成都 610000)

以攀枝花地区的气象资料为基础，从太阳能总辐射、日照时数和日照百分率、晴天数和透射系数等方面，对太阳能资源的分布特点及潜力进行了分析。结果表明:攀枝花地区太阳能资源具有明显的季节性；全年太阳能热水可满足标准要求；在建筑上安装太阳能光伏系统，折算成单位废气减排量为14.20 kg/WP，产生的环境效益约为1.72元/ WP，能带来良好的环境效益。

太阳能资源；太阳能热水系统；遮阳采光；太阳能光伏系统；潜力分析

由于人类对能源的需求量越来越大，而化石能源一天天减少，且使用化石燃料已经对环境产生了巨大的破坏。节能减排已成为当前全球共同面临的重大课题。我国自从20世纪60年代利用太阳能资源以来，目前西藏、宁夏、甘肃等地区的太阳能资源已被广泛应用在发电照明、取暖制冷、烧水做饭等领域，并建成了一批太阳能示范工程，取得了较高的社会效益、经济效益和环境效益[1]。我国于2009年先后实施了“太阳能屋顶计划”和“金太阳”示范工程等，以加大政策扶持和补贴力度，加快太阳能技术在我国建筑领域的推广应用[2]。

攀枝花以“太阳城”著称，有丰富的太阳能资源。在攀枝花地区广泛应用的是太阳能热水系统，而其他的太阳能技术没有得到广泛的研究和利用。目前，攀枝花市资源环境的约束日益显现，高度依赖煤炭的能源结构、粗放型的能源生产和消费方式危及环境安全。因此，针对攀枝花地区的地理、气候特征等特点，合理利用太阳能技术，挖掘太阳能资源的应用潜能，对于缓解能源问题、减少向大气中排放CO2、保护生态环境都将具有重大而深远的意义。

1 攀枝花地区太阳能资源的概述

攀枝花地区位于北纬26°07′～ 27°35′，东经101°14′～ 102°24′，最高海拔4 195.5 m，最低海拔937 m，全市总面积7 440 km2。攀枝花属于以南亚热带为基带的季风气候，无霜期达300 d以上，年平均气温20.3 ℃左右，冬季平均最低温为15.3 ℃左右，夏季平均最高温为27.7 ℃左右，最高温为42.3 ℃[3]。

根据我国太阳能资源分区(表1)，攀枝花地区太阳能属于第三类地区——太阳能资源一般地区。比东京、巴黎、伦敦、汉堡和莫斯科等这些世界上太阳能利用较好的城市，太阳能辐射总量比它们多。可见，资源量在资源的可用性上起到一定决定的作用，但合理技术措施也可以使有限的资源得以充分应用。目前，太阳能技术的应用主要有光热利用、光电利用、光化利用和光生物利用，而攀枝花地区应用比较广泛的是太阳能热水系统，其他方面的应用很少涉及。可见，攀枝花地区太阳能的巨大潜力还没有完全发挥出来，本文就太阳能资源的分布情况，对太阳能利用的多种形式开展对比研究。

表1 太阳能资源分区

2 攀枝花地区太阳能资源分析

通过整理《中国建筑热环境分析专用气象数据集》和中国气象局网站的相关气象资料[5]，并按文献[6]的计算方法，计算太阳能的总辐射，分析太阳能辐射时空分布。对日照时长、日照百分率、晴天日数和投射系数等参数进行分析。

2.1 太阳能辐射量的分布

攀枝花太阳能总辐射计算方法选择普雷索特改进后的经验公式：

Q=Q0( a + bS)

式中：Q为总辐射；Q0为天文辐射量；S为日照百分率；a、b为经验系数，分别取值为0.100 334、0.726 224。

通过计算可以得出攀枝花各县(区)的太阳总辐射(图1)。从图1中可以看出，全市全年总辐射为5 600～6 300 MJ/m2，南部地区多于北部地区，如：南部仁和总辐射达6 298 MJ/m2，而西部渔门为5 672 MJ/m2。月辐射变化大，最多月份和最少月份之差在270 MJ/m2以上，变化呈单峰型，其中3～5月总辐射最强，基本都在600 MJ/m2以上，11月份和12月份，月总辐射为一年中最少的月份，但一般也在360 MJ/m2。

图1 各月太阳总辐射量

由图2可见，攀枝花炳草岗在春季，太阳能辐射所占比列最大，此时太阳能辐射量为1 843 MJ/m2，占全年的30.97 %，夏季次之，占27.36 %，秋季和冬季都较小，秋季占20.95 %，冬季约占20.72 %。由此可见，攀枝花地区太阳能资源四季分布不均匀，但辐射强度都比较大，且冬季平均最低温为15.3 ℃左右，有利于太阳能资源的利用。

图2 太阳能辐射量季节分布

2.2 日照时长和日照百分率

由图3可知，攀枝花地区日照充足，年日照时数为2 300～2 700 h，平均每天达6.3 h以上。空间分布上，各地日照时数差异不大，总体上有南多北少，如炳草岗为2 628 h，渔门2 328 h。但时间分布上较为不均匀，年内月日照时数变化曲线呈单谷型，3～5月各月多在250 h以上，3月全年最多月，在255～278 h之间，平均每天日照8 h以上；九月(飞机场为七月)为全年的最少月，在114～156 h之间，平均日照时数在4 h左右。

图3 日照时数

由图4可见，攀枝花地区的年日照百分率年内分布雨季小，干季大，其年内月分布呈单谷型。其中6～9月较小，基本在50 %以下；1～3月较大，大多在70 %以上。1月或2月最大，7月或9月最小。

图4 月日照百分率

2.3 攀枝花晴天日数及气候学透射系数

一个地区实际到达地面的太阳总辐射量，既取决于天文总辐射，又受该地区大气透明状况、天空遮蔽程度的影响。根据气象观测资料统计得出的晴天日数、日照时数能较好地反映各地大气透明状况，攀枝花全年平均气候学透射系数为48 %～53 %。按日平均低云量<2.0为晴天进行统计,攀枝花全年晴天日数为106～152 d。

攀枝花的日照和气候学透射系数具有明显的季节变化，春、冬(干季)季节透射系数和日照百分率比夏、秋 (雨季)季节高得多。夏、秋两季受热带海洋气团控制，在高温高湿的西南季风影响下，空气潮湿云雨较多，故晴天少，阴天较多、气候学透射系数较低；春、冬两季在热带大陆气团控制下，气候干燥云雨稀少，因此晴天多、日照丰富、气候学透射系数较高。

3 攀枝花太阳能利用现状及太阳能资源在建筑上的利用潜能

3.1 攀枝花太阳能利用现状

太阳能利用主要有光热、光电、光化和光生物4种利用方式。目前，攀枝花地区的太阳能热水系统利用比较普遍，其它很少。通过上面的分析可知，攀枝花地区太阳能资源丰富，利用潜能大，如果将这些太阳能有效的利用，对缓解能源问题和保护生态环境将具有重大而深远的意义。

攀枝花的太阳能利用研究开始于20世纪70年代，重点研发项目有平板式太阳能集热器、太阳灶、太阳能利用自动跟踪装置、太阳能沼气灶等，但由于成本高及环保意识薄弱等并未发展成产业。近年来，攀枝花市政府高度重视新能源开发及环境保护，出台了《建筑节能设计文件审查要点试行》规定等。同时在太阳能发电方面也在不断的进行尝试，并取得了一定的成果。2007年，在攀枝花钒钛产业园区安装了6.7 km长的太阳能路灯照明系统，这是全国第三的太阳能路灯照明系统。

3.2 太阳能在建筑上的利用潜能分析

3.2.1 太阳能光热利用

太阳能热水系统技术作为目前最成熟、光热转化效率最高、应用最广泛、产业化发展最迅速的太阳利用技术，主要用于为人们提供淋浴热水和生活热水。由于攀枝花独特的气候条件，使太阳能热水系统在攀枝花地区得到了广泛的应用。通过计算分析可知，对于集热面积为3 m2的紧凑式热水器(设集热器的年平均集热效率为0.5，安装倾角θ=31°～41°，储水箱和管路的热损失率为0.25)，太阳能保证率为40 %，如果将初始温度为15 ℃的水加热到60 ℃，在春季，太阳能每月月辐射在585～675 MJ/m2之间，则可产生的60 ℃热水每天量维持在72.4～79.6 L/人；在夏季，太阳能每月月辐射在480～595 MJ/m2之间，则可产生的60 ℃热水每天量维持在66.3～73.5 L/人；在秋季，太阳能每月月辐射在360～510 MJ/m2之间，则可产生的60 ℃热水每天量维持在62.1～68.8 L/人；在冬季，太阳能每月月辐射在350～520 MJ/m2之间，则可产生的60 ℃热水每天量维持在61.1～69.8 L/人。由此可见，对于攀枝花地区来说，全年都可以满足文献[7]中最高日热水用水定额(40～80 L/人)，不需要采用辅助加热装置，而攀枝花冬季无结冰期，不需要添加防冻剂。

在攀枝花地区采用太阳能热水器提供日常生活用水，能获得很好的经济效益和环境效益。在经济方面，太阳能热水器的初期投资和电或燃气热水器基本相同，且太阳能热水器在运行其间基本不产生费用。太阳能热水器的使用寿命一般在15 a，而电热水器一般在12 a，燃气热水器一般在8 a，通过计算发现，如果按每天提供50 L/人的热水，则太阳能热水器的费用是电热水器的23.5 %，是燃气热水器的43.5 %。可见，太阳能热水器要比电热水器和燃气热水经济很多。在环境方面，太阳能热水器每年可节约用电1 600～1 800 kWh/m2，节约标准煤1 100 kg，且无烟尘、SO2、NOx和CO2废气排放，减少了对环境的污染。太阳能热水器一般是安装在建筑物上，可以合理利用建筑物外表空间，不占用多余用地。攀枝花地区丰富的独特的气候特点，为太阳能热水器的应用提供了良好的条件，在攀枝花地区应该更进一步扩大太阳能热水系统的应用规模，这不仅能获得良好的经济效益，而且有助于缓解环境压力。

3.2.2 太阳能光伏技术

攀枝花地区太阳能资源丰富，月最少总辐射为360 MJ/m2，日照时数长，为太阳能光伏技术的利用和发展提供条件。其中，建筑光伏发电系统是利用太阳能发电的一种新概念，它利用铺设在建筑围护结构上的太阳能电池板产生电力。它的优点是不仅有效利用建筑外围护表面，不占用宝贵的土地资源，而且能分担建筑自身的用电负荷和降低建筑夏季冷负荷，改善室内热环境。

对一个并网BIPV(光伏建筑一体化系统)进行经济性、能量回收期和环境效益进行分析，研究对象是位于攀枝花炳草岗的并网光伏屋顶发电系统，安装功率为9 180 Wp，占用屋顶面积为100 m2(图5)。光伏组件发出的直流电经逆变器变交流电后上网，系统不设蓄电池储能设备，光伏组件的尺寸为158 cm×81 cm，电池转换效率为16.5 %，光伏组件寿命取25 a[16]。攀枝花地区的年年平均总辐射通过月总辐射进行逐月相加得到为5 951 MJ/m2，由年太阳能辐射总量、电池总面积、光电转化效率和并网系统的修正系数可计算出实际年平均发电量为8 930 kWh。经计算系统初期投资为3.75×105元，系统总的成本折现值为4.25×105元，单位供电成本1.9元/kWh，投资回收期为11 a。

图5 BIPV 光伏系统安装示意

光伏系统的寿命可划分为制造和安装、运行、退役3个阶段。在光伏系统在运行期内基本无污染排放，产生的绿电可减轻燃煤发电对环境造成的压力。设备安装和退役阶段的能耗较难量化，计算时忽略安装和退役阶段的能量耗费。在制造阶段，带铝框单晶硅光伏组件消耗的能量约为47 MJ/WP，BIPV支承元件分别约为900 MJ /m2，逆变器和电缆约为1 MJ /W。据此可计算出初能量的投入量，将所需的最初能量值乘以35 %( 燃煤电厂的平均发电效率) 折算为所需的电能，系统初能量(电能) 为49 278 kWh 和能量回收期(初能量投入量/年发电量)为6 a。

现阶段我国电力生产结构以燃煤发电为主，燃煤发电产生大量的烟尘、SO2、NOx和CO2等污染物，给环境保护带来了巨大压力，利用太阳能耐光伏发电减少传统的燃煤发电具有非常重要的环保价值。本文以燃煤发电为参照，分析光伏发电系统的环境效益。按照我国现阶段平均供电耗煤345 g/kWh，系统在整个寿命期可节约48.76 t标准煤。表2为每燃烧1 t标准煤所排放的污染物以及每单位污染物排放所对应的环境成本。表3为系统污染物减排量以及环境效益，即污染物排放量降低所导致的环境成本减少。从表3可看出，与煤电发电相比，系统在整个寿命其中减少132.19 t的污染排放量，折算成单位减排量为14.20 kg/WP，因此产生的环境效益约为1.72元/ WP。

表2 单位减排系数和环境成本

表3 污染物减排量及环境效益

4 结论及展望

(1)通过上述分析，攀枝花地区太阳能资源丰富，太阳能最少的月份的辐射在360 MJ/m2左右，全年都可利用，在建筑上有巨大的利用潜能。

(2)攀枝花地区太阳能资源丰富，辐射强度大，在利用太阳能资源上，有巨大的优势。通过对太阳能热水系统的分析可知，太阳能集热器安装倾角宜在31～41°之间，全年完全可以满足标准要求的生活热水量，并且能带来良好的经济效益和环境效益。由此，应倡导居民使用太阳能热水系统，不仅经济，而且还环保。

(3)由于攀枝花地区太阳能辐射强度大，宜在建筑设计中设置遮阳设施。遮阳实施在夏季可以遮阳隔热，降低空调负荷；而在冬季，可以通过南窗得热，提高室温、降低供暖能耗，同时也可以调节室内自然采光，减少人工照明。

(4)由于攀枝花地区全年太阳能辐射都较强，为太阳能光伏技术的利用提供了良好的条件。以一个9 180 Wp的光伏系统为例，投资回收期为11 a，能量回收期为6 a，在整个寿命期能节约48.76 t标准煤，减少132.19 t的污染排放量。可见，天阳能光伏技术在建筑上的利用潜能是巨大的，应加大对太阳能光伏利用的推广。

在攀枝花的环境问题日益突出和不可再生能源枯竭，太阳能资源作为一种可再生的清洁能源越来越受到重视。太阳能在建筑上的利用作为太阳能应用的一种重要趋势，其前景是十分广阔，随着太阳能利用技术的日益成熟，相信在不久的将来，对太阳的应用随处可见。

[1] 由世俊，孙贺江，马德刚，等．中国的太阳能资源及应用潜力[J]．城市环境与城市生态，2002，15(2)：57-59.

[2] 李一平，杜成勋，陈永琼，等.攀枝花太阳能资源评价[J].高原山地气象研究，2009,29(1)：44-50.

[3] 中翔.BIPV新技术在住宅建筑中的应用[J].住宅产业，2010(9).

[4] 李启东，孙显辰.大面积非晶体硅太阳能光伏发电屋面系统与建筑的一体化施工[J].建筑技术，2011(1).

[5] 宜晓东.太阳能光伏建筑与建筑一体化应用初探[D].合肥.合肥工业大学，2007.

[6] 许洪华.太阳能光伏发展形势报告(2011-2012)[R].2012.

[7] 赫国强，瞿维佳.光伏建筑一体化设计研究[J].上海电力，2009(1).

封士杰(1990～)，男，助理工程师，从事结构设计工作。

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[定稿日期]2016-10-29