基于全生命周期的太阳能供暖系统经济性分析

方桂花 魏燕燕 虞启辉

摘 要：結合太阳能供暖系统在实际建筑供暖现场的应用特点和全生命周期成本的概念，分析了太阳能供暖系统的构成、能耗特点以及成本构成，建立了一种太阳能供暖系统的全生命周期成本分析模型；基于全生命周期成本模型，分析了建筑面积、系统投资成本以及回收期之间的关系。最终通过文章研究得到如下结论：（1）各种成本中，初投资成本占全生命周期成本最高，其比值达到80%左右。（2）分析投资回收期得出：太阳能供暖系统虽然初期投资较高，但增加的投资可以在系统节约的运行费用中很快的收回，投资回收期一般在5年以内。

关键词：太阳能供暖系统；经济性分析；全生命周期；节能

中图分类号：TU832.1+7 文献标志码：A 文章编号：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

近年来，由于常规能源的消耗，全球环境问题日益严重，使得可再生能源被大力开发利用。而可再生能源是我国重要的能源资源，在满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、促进发展等方面发挥了很大作用。在可再生能源中，太阳能以其储能丰富、普遍性、长久性、洁净安全性、经济性等优势在开发利用中占主导地位[1-3]。

我国作为太阳能资源十分丰富的国家，发展太阳能产业可有效地解决我国能源短缺且需求大的问题[4]。而我国能源消耗中建筑耗能占社会总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锅炉供暖、燃气供暖和电锅炉供暖，而采用太阳能供暖却极少，主要是因为太阳能供暖的前期投资大，而且人们对太阳能供暖系统的经济性了解的不够明确[5-8]。

为此，本文对太阳能供暖系全生命周期经济性进行分析，并以某办公大楼的太阳能供暖系统为例，利用全生命周期经济性分析方法对系统进行分析，并与燃气供暖的经济性作比较，从而得出太阳能供暖系统的经济性特点。为太阳能供暖系统选择应用提供参考依据。

1 太阳能供暖系统的全生命周期经济性分析

LCC（Life Cyele Cost）是基于产品全生命周期的一种成本研究方法，是指产品从开始酝酿，经过研究、设计、发展、生产、使用一直到最后报废的整个生命周期内所消耗的费用总和。简单来说就是产品“从摇篮到坟墓”的评价方法。

对于太阳能供暖系统全生命周期成本包括：（1）初投资成本，如购置成本、运输成本、安装成本等。（2）运行维护成本，如耗能部件的耗电费用和零部件的更换维护费用。（3）处置成本。

1.1 太阳能供暖系统的全生命周期成本模型的建立

太阳能供暖系统的总成本为初投资成本、运行维护成本、处置成本三部分总和。太阳能供暖系统总成本计算公式如下：

式中：Ct为太阳能供暖系统总成本；C1为系统初投资；C2（i）为系统第i年运行维护成本；C3为处置成本；n为使用年限。

1.1.1 初投资成本

太阳能供暖系统初投资成本主要包括太阳能集热器、贮水箱、循环管道、支架、控制系统、热交换器和水泵等设备和附件的购置费用、设备的运输费用和系统的安装调试费用。其中集热器和水箱价格占初投资的60%以上。而初投资的多少与供暖面积的大小有关。初投资计算公式如下：

式中：A为集热器面积；S为每平米集热器的价格；T为水箱价格；R为系统其它部件的价格；C11为运输安装费用。

其中集热器面积计算公式如下：

式中：QH為建筑物耗能量；f为太阳能保证率；Jt为当地集热器总面积上的年平均日或月平均日太阳辐照量；ηcd为集热器年或月平均集热效率；ηL为管路及贮水箱热损失率。

建筑物耗能量计算公式如下：

式中：qH为节能设计标准中建筑物耗能量；Ab为建筑物面积。

由式（2）（3）（4）得出初投资与建筑面积的关系如下式：

1.1.2 运行维护成本

太阳能供暖系统的运行维护成本计算公式如下：

式中C21（i）为系统第i年运行成本；C22（i）为系统第i年维护成本。

其中系统的运行成本主要是系统的泵和控制系统的耗电费用。则运行成本的计算公式如下：

式中P为系统泵的耗电量；D为控制系统的耗电量；M为电费。

维护成本包括各零部件的维修费用和更换费用。维修费用分为定期维护费用和非定期维护费用，对于非定期维护在一定的操作间隔之后会花费一个非固定成本，非定期维护费用是由零部件故障概率造成的。

下列方程总结了非定期维护成本估算的方法基于组件故障的概率：

式中：M（tj）为维护成本估算值；cont为用小数表示的百分数；DCF小数的贴现现金流；m为组件的总数量；f（tk ·j）为组件K的故障率；Ck为修理或更换部件的成本。

1.1.3 处置成本

太阳能供暖系统的处置成本为报废处置成本和材料回收成本的总和：

式中：Ch为系统的报废处置成本；Cr为系统回收材料成本（值为负，该收益将消减成本）。

1.2 投资回收期

投资回收期有两种算法：一种是静态回收期计算方法；一种是动态回收期计算方法。两种计算方法的差别在于静态回收期没有考虑资金折现系数的影响，但计算简单；而动态回收期年限考虑了折现系数的影响，更加准确[5]。

1.2.1 静态回收期的计算公式如下：

式中：Ys为太阳能供暖系统的简单投资回收期；Wa为太阳能供暖系统与常规供暖系统增加的初投资；Ws为太阳能供暖系统的简单年节能费用。

1.2.2 动态回收期计算方法

当太阳能供暖系统运行N年后节省的总资金与系统的增加初投资相等时，式（10）成立，即SAV=0。

则此时的总累积年份N定义为系统的动态回收期Ne。

式中：PI为折现系数；Cs为太阳能供暖系统节能费用；DJ为每年用于与太阳能供暖系统有关的维修费用，包括太阳集热器维护，集热系统管道维护和保温等费用占总增值投资的百分率。d为年市场折现率，可取银行贷款利率；e为年燃料价格上涨率。

2 参数影响分析

影响太阳能供暖系统总成本的主要参数有建筑面积的大小、建筑耗能量的多少、太阳能保证率。当建筑面积在100-400m2，楼层在≤3层时，地区分别选取四川、山东、北京和新疆，则建筑面积的大小、建筑耗能量的多少、太阳能保证率与总成本关系如图1。同样地区和建筑面积，楼层在≥14层时，它们的关系如图2。

上图中四个地区的建筑耗能量与太阳能保证率的值见表1和表2。

3 实例分析

以某办公大楼为例做太阳能供暖系统的全生命周期的经济性分析。该办公大楼建筑面积为7695m2，建筑高度为20.4m。太阳能集热器放置在楼顶顶部，为减少屋面因长时间承受压力，造成屋面损坏，太阳能集热器屋面摆放位置提前预置了水泥基础，将控制系统放置在一楼室内，水箱放置在室外。

这里的集热器面积为863m2，集热效率为0.45。为了充分利用太阳能，同时保证末端供水的安全性和稳定性，该太阳能供暖系统采用两个贮热器。太阳能供暖系统的原理图见图3。

3.1 初投资成本分析

对某办公大楼的太阳能供暖系统进行初投资成本分析，则初投资成本主要包括以下三个部分：

3.1.1 构件的购置费用

3.1.2 构件的运输费用

构件的运输费用为预制构件从工厂运输到施工现场的费用，与运输方式和运输距离有关。该系统构件的运输费用为1.9万元。

3.1.3 安装施工费用

安装施工费用包括设备安装的人工费、机械费和集热器水泥基础的施工费，费用分别是13.4万元、0.5万元、2.15万元，系统的安装施工费用共计16.05万元。

则太阳能供暖系统的初投资成本共计109.37万元。

3.2 运行维护成本分析

考虑到该系统为供暖系统，本文的年度运行费用仅考虑冬季采暖期内的运行能耗费用，该供暖系统的使用年限为15年。而该系统在采暖期内的运行费用只有泵和控制系统的耗电费用，而控制系统的耗电量是极少的，这里忽略不计。当地的供暖期为每年的10月15日至翌年的3月15日，约为 152天。系统每天的耗电量为58.8度，供暖周期内耗电量为8937.6度。

当地的电价施行阶梯式电价，根据用电量分为三个档次，计算公式如下式：

经计算每年的电费为0.63万元，则太阳能供暖系统在使用年限内的运行费用约为9.45万元。

系统在使用期内的维护成本包括各部件的维修费用和各部件的更换费用。根据各部件的使用年限和其故障概率，在使用期内该系统的维护成本约为10.9万元到14.56万元之间。其中泵的寿命一般在5-6年，这里按5年计算。则太阳能供暖系统的运行维护费用在20.35万元到24.01万元之间。

3.3 处置成本分析

太阳能供暖系统的处置成本包括系统的拆除费用和系统的报废回收费用。拆除费用需要的人工费用和机械费用约为 3万元，报废回收费用约为0.5万元，则太阳能供暖系统的处置成本为2.5万元。

3.4 太阳能供暖与燃气集中供暖的经济性比较

3.5 太阳能供暖系统的投资回收期

3.5.1 静态回收期

太阳能供暖系统与常规热水系统相比增加的初投资Wz即为太阳能集热系统的投资部分，要包括集热系统和控制系统两部分的投资。

（1）电热水器设备总价按照500000元计算，Wz=1010000-500000=510000元，Wj=316506 元。得出Yt=1.58年即与电热水器设备相比太阳能热水系统的投资回收期为1.58年。

（2）燃气锅炉设备总价按照600000元计算，Wz=1010000-600000=4100000元，Wj=97135元。得出Yt=4.12年即与燃气锅炉设备相比太阳能热水系统的投资回收期为4.12年（考虑设备投资、运行维护等综合投资情况下）。

3.5.2 动态回收期

当太阳能供暖系统运行N年后节省的总资金与系统的增加初投资相等时，则计算所得回收年限Ne=4.78年（这里采用与电加热做对比）。

4 結束语

通过对太阳能供暖系统的全生命周期经济性进行分析发现，太阳能供暖系统的回收成本占比很小，它的初投资占比全生命周期总成本的85%左右，运行维护成本占全生命周期总成本的15%左右。太阳能供暖系统的投资回收期一般在5年左右。

本文通过实例对太阳能供暖系统进行全生命周期的经济性分析，并与燃气集中供暖的全生命周期的经济性分析进行对比，得出太阳能供暖系统能够达到较好的性价比，经济上较为合算，节能效果也比较明显。

参考文献：

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[4]敖永安，许志鹏，郝亚芬，等.太阳能供暖系统在中国的发展分析[J].建筑技术，2015，46（11）：966-970.

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[6]李军.家用太阳热水器的经济性分析[J].太阳能学报，2002，23（5）：564-570.

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[8]贺金玉，陈洁，袁家普.太阳能热水工程[M].北京：清华大学出版社，2014.

[9]燃气锅炉小编.燃气锅炉初投资及运行费用成本分析[EB/OL].http：//www.paleishi.com/zixun/ranqiguolu2012-11-20-1535.html，2012-11-20.