长春市独立式住宅太阳能供热可行性分析

韦新东，王誉洁

吉林建筑大学 市政与环境学院,长春 130118

1 概述

近年来,随着我国国民经济的快速发展与人民生活水平的显著提高,我国社会对环境保护与能源节约的意识日益提高,加之环境污染现状严峻,雾霾天气频发,保护环境势在必行,而清洁能源的使用对控制环境恶化有着不可替代的作用.我国是一个幅员辽阔、供暖区域较大的国家,北方供热地区的建筑供热能耗占全国建筑总能耗的40 %,是建筑能耗的重要组成部分[1].采暖期由于煤炭等传统化石燃料的燃烧会严重污染大气,例如SO2,NO2,CO2和颗粒物等[2].太阳能由于其零污染的特性而备受关注,若能够将其应用到城市供热工程中,必定对改善城市环境产生巨大的推动作用.东朝阳[3]在其研究中预测了2050年世界能源结构如表1所示,结果显示太阳能的能源占比例将高达50 %.

表1 2050年世界能源结构预测

目前,太阳能热水系统在建筑中的应用技术发展已较为成熟,但是太阳能供热技术尚未得到广泛应用.伦敦、东京等地均为世界上太阳能利用情况较好的地区,而我国,即使在太阳能资源相对贫乏的地区,年总辐射量也接近东京,高于伦敦[4],所以我国在太阳能的开发利用上具有巨大的发展潜力.

目前,在北京、山东和浙江等地均有太阳能供热的试点区域,而东北地区对太阳能资源利用却相对较少.杨雪等[5]人在我国东北地区利用太阳能的研究中对吉林省城乡人口分布做出预估,结果表明,截至2020年,非城市人口仍会达到吉林省总人口的50 %左右,所以农村住户数量较多,加之城市中存在一定数量的别墅群,可以认为吉林省独立式住宅保有量是非常可观的.

由于太阳能利用技术及太阳能自身存在的局限,太阳能的区域供热技术尚需进一步发展与完善[6],大规模的集中供热目前较难实现,故本文拟以吉林省长春市为例,选取供热面积相对较小的独立式住宅进行太阳能供热系统的可行性研究,以便为长春地区别墅或农村住宅利用太阳能供热提供参考.

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

在对长春市大多数独立式住宅建筑面积调研的基础上,本文选取建筑面积280 m2的独立住宅作为研究太阳能供热系统可行性的对象.

供热系统热源采用太阳能+辅助热源的形式,具体热源组合为太阳能+煤炭、太阳能+天然气、太阳能+电和太阳能+生物质等4种形式,并将上述4种热源组合形式与以煤炭为唯一热源的供热系统进行对比分析.

2.2 研究方法

为使太阳能资源物尽其用,本文所涉太阳能供热系统除采暖季供暖、供应热水外,还需在非采暖季供应日常生活用热水.长春市采暖期为169 d,节能居住建筑采暖热指标为45 W/m2.水平面月平均太阳辐照度见表2.

表2 长春市水平面月平均日太阳辐照度

长春市气象参数见表3.由表2～表3[7]可知,长春市月平均日太阳辐照度的最低值出现在12月份,因此,根据《太阳能供热采暖工程技术规范》(GB 50495-2009)[8],本文所涉计算均以12月份的月平均日太阳辐照度为依据,由于太阳能无法保证24 h持续供应,当太阳能供热系统无法满足供热需求时由加设的辅助热源予以补充.

根据相关研究结果[9-10],本文对太阳能集热器效率取值选取为40 %.下文将对所需的太阳能集热器集热总面积进行计算,以判断其是否符合并满足技术性要求.

表3 长春市气象参数

利用综合能源价格法对不同热源供热系统的经济性进行分析,其计算公式如下[11]:

(1)

式中,M为综合能源价格现值,人民币元/MJ;I为初投资,人民币元;n为系统有效使用年限,a;On为第n年的运行费用,人民币元;Ot为第t年提供的总能量,MJ;i为银行贷款年利率,%.

与以煤炭为唯一热源的供热系统相比,通过计算太阳能供热系统在有效使用年限内的CO2减排量来对其环保性进行分析,以直观地反映太阳能供热系统的环保意义与价值.按文献[12]本文所涉CO2排放量计算公式如下:

(2)

式中,QCO2为系统有效使用年限内CO2排放量,t;QA,d为辅助热源的日供热负荷,MJ/d;n为系统有效使用年限内的供暖天数,d,按有效使用年限n=15取值即15年×169采暖天数/年=2 535 d;FCO2为二氧化碳排放因子[12],kg CO2/kgce:煤FCO2=2.662，天然气FCO2=1.481，电FCO2=3.175，生物质FCO2=1.399;W为辅助热源标准煤热值,按29.31 MJ/kgce计;Eff为设备效率,燃煤锅炉效率按65 %计、天然气锅炉效率按85 %计、电锅炉效率按90 %计、生物质锅炉效率按85 %计.

3 结果与讨论

3.1 技术性分析

计算建筑采暖热负荷:

QR=qF×FR=45×280=12 600 W

式中,QR为采暖期建筑热负荷,W;qF为居住建筑热指标,W/m2;FR为建筑采暖面积,m2.

所需集热器集热总面积计算公式如下,所需参数取值均参照《太阳能供热采暖工程技术规范》(GB 50495-2009)[8]:

(3)

式中,Ac为集热器集热总面积,m2;QR为建筑采暖热负荷,W;JT为当地纬度倾角集热器采光面12月份的月平均日太阳辐照度,MJ/(m2·d),按表3取值为13.12 MJ/(m2·d);f为太阳能保证率,%,取值为25 %;ηcd为集热器平均集热效率,%,取值为40 %[13];ηL为管路及贮热装置热损失率,%,取值为15 %[14]。

由式(3)计算结果可得Ac=61.012 m2,最终集热器总面积选定为62 m2,建筑面积与集热器面积比例符合设计要求.

辅助热源热负荷:

QA,d=QR,d-QS,d

(4)

式中,QA,d为辅助热源日供热负荷,MJ/d;QR,d为建筑采暖日热负荷,MJ/d;QS,d为太阳能日供热负荷,MJ/d.

建筑采暖日热负荷:

太阳能日供热负荷:

QS,d=JT×Ac×ηcd×(1-ηL)=13.12×62×0.4×(1-0.15)=276.57 MJ/d

由式(4)可得辅助热源日供热负荷:

QA,d=1 088.64-276.57= 812.07 MJ/d

建筑热水供应系统的日耗热量计算公式如下[15]:

QW,d=qrMρc(th-tc)/1 000

(5)

式中,QW,d为热水供应系统日耗热量,MJ/d;qr为热水用水定额,L/(人·d),本文取值为100 L;M为用水人数,该住宅用水人数按5人计;c为热水比热,kJ/(kg·℃),按4.18 kJ/(kg·℃)计取;ρ为热水密度,取th温度下对应的密度,取值为0.983 3 kg/L[16];th为热水温度,60 ℃;tc为冷水温度,长春地区地下水温按10 ℃[17]计取.

将上述数值代入式(5)可得:QWd=100×5×4.18×0.983 3×(60-10)/1 000=102.75 MJ/d

由上述计算结果可知:QW,d

3.2 经济性分析

本文采用综合能源价格法[18]研究不同热源组合形式供热系统的经济性,该方法反映了供热系统在有效使用年限内的初投资(设备费、施工费等)和运行费用(燃料费、维修费等)的累计值与对应年限内所供总能量之间的比值,因此,可较好地体现其经济性.

计算分析比较中,假设除辅助热源设备外其他设备均相同,并忽略银行贷款年利率的变化且年贷款利率按i=2 %计取,锅炉的有效使用年限按n=15年[18]计取.经对长春市各类燃料进行多方调研与统计,其市场价格及热值如表4所示.

表4 长春地区燃料参数

由于本文假设除辅助热源设备外其他设备均相同,因此可以认为散热器及室内管线、附件等设备是相同的,根据工程经验可知,以上费用为25元/m2～35元/m2[1],按 30元/m2计取;据市场调研,太阳能集热器价格为350元/m2;目前供暖工程中的维修费率为2.5 %[1],维修费 = 固定资产原值×维修费率.确定各项费用并根据式(1)计算综合能源价格,结果如表5所示.

表5 不同系统经济效益计算

由表5可知,不同热源供热系统的经济性分析结果从优至劣的排序依次为煤炭、太阳能+煤炭、太阳能+生物质、太阳能+天然气和太阳能+电,与传统煤炭供热系统相比,太阳能+辅助热源供热系统在经济性方面并无优势.这是由于与煤炭供热系统相比,太阳能供热系统的设备费较高即初投资较大造成的.

3.3 环保性分析

长春市目前供热热源以煤炭为主,为比较采暖季与非采暖季室外大气的空气质量状况,本文对长春市2018年全年室外大气部分污染物浓度进行了连续监测,并应用IBM SPSS Statistics 24软件对所测污染物浓度数据进行了差异性分析,差异显著性P值越大,差异越不显著,差异显著性P值越小,差异越显著,而且仅当P<0.05时对差异显著性的分析才具有统计学意义.PM 2.5,SO2,NO2等3种污染物浓度测试数据的统计分析结果如表6～表8所示.

由表6～表8可见,采暖期内,3种污染物差异显著性的逐月变化规律大致相同即呈先增后减,其中采暖末期差异显著性最低,采暖中期差异显著性最高,采暖初期差异显著性居于上述二者之间.采暖月份与非采暖月份的P值显示,3种污染物均差异显著,相比之下NO2污染物较显著,这表明以煤炭为主要热源的供热形式会对大气产生显著的负面影响,因此有必要优化供热热源结构.

表6 采暖月份与非采暖月份之间PM 2.5浓度差异显著性P值

注：粗体数值<0.05表示差异显著,下同.

Note: Bold numerical values represent significant differences, the same as below.

表7 采暖月份与非采暖月份之间SO2浓度差异显著性P值

表8 采暖月份与非采暖月份之间NO2浓度差异显著性P值

此外,还可以从不同热源供热系统的CO2排放量及其减排量指标上去研究环保性.由式(2)计算不同热源供热系统在系统有效使用年限内的CO2排放量及其减排量,以说明环保效果.为便于比较分析,不同热源供热系统的CO2减排量均以煤炭供热系统为基准即CO2减排量等于煤炭供热系统的CO2排放量与不同热源供热系统的CO2排放量之差.计算结果如表9所示.

表9 不同热源供热系统CO2减排量

通过太阳能+辅助热源供热系统与煤炭供热系统的比较,可以看出太阳能用于供热系统可有效减少CO2的排放.由表9可见,减排效果从优至劣的排序依次为太阳能+生物质、太阳能+天然气、太阳能+电、太阳能+煤炭和煤炭,即无论选择何种热源作辅助热源,与传统煤炭供热系统相比,其CO2减排量均有不同程度的提高,环保效果得到一定改善,CO2减排量大小主要与太阳能供量、辅助热源性质及热设备效率有关.相关研究[19]表明,减少煤炭等化石燃料的使用同样可有效减少PM 2.5,SO2,NO2的排放量.这不仅可以缓解全球气候变暖压力,而且对整个大气环境的改善也有明显的积极作用.

3.4 能源性分析

利用模糊综合评价理论[20]对不同热源的能源性进行分析.首先,确定能源性评价指标集U={u1,u2,…,um},其中um表示不同热源供热系统能源性某个评价指标,m表示评价指标个数.参照相关研究成果[1,20],本文设定评价指标集U={u1,u2,u3,u4,u5}={能源的可再生性u1,能源的安全性u2,能源的可得性u3,能源的供给持续性u4,能源的能量密度u5}.根据实际分析案例,确定评价集Vjk={v1,v2,v3,..,vn},并利用评价集对不同热源供热系统的某个评价指标um进行评价赋分;参照相关研究成果[1,21],本文给定评价集Vjk={v1,v2,v3,v4,v5}={极好=9,较好=8,中等=7,一般=6,差=5},赋分结果见表10.

表10 不同热源供热系统能源性评价指标的评价值

按重要程度对能源性的评价指标进行排序并赋分,参照相应研究成果[1,22]并结合本文研究情况,排序结果假定为能源的可再生性,能源的安全性,能源的可得性,能源的供给持续性,能源的能量密度;可在满足评价指标重要性与赋分值大小成正比的条件下,由决策者自主赋分,因赋分的不同只会影响计算数值,而不会影响具体结果,故本文假定最大赋分值为9, 并据此以1.8为公差依次进行递减,即评价指标u1,u2,u3,u4,u5的重要性赋分值分别为9,7.2,5.4,3.6,1.8,进而可得到两两评价指标间的对比的相对重要性,见表11.

表11 不同热源供热系统能源性评价指标相对重要性

如将相对重要性量化,并用rij表示,则其含义是指评价指标ui的重要性赋分值与评价指标uj的重要性赋分值之间的比值.当rij<1时代表uj比ui重要,当rij=1时代表ui与uj同等重要,当rij>1时代表ui比uj重要.

由上采用两两评价指标对比倒数法建立如式(6)所示的5(m=5)阶矩阵:

(6)

经对比,重要性向量A=(α1,α2,α3,α4,α5)T与矩阵R每行的各元素之和成正比,即:

(7)

由此可得:

(8)

对式(8)中各元素进行归一化处理后得A=(0.333 4,0.266 6,0.200 0,0.133 4,0.066 6)T,则A为矩阵R的权向量.

最后,利用上述数据便可计算优度,具体公式如下:

(9)

式中,Mj为第j种热源能源性优度;Aj为第j种热源能源性综合评价值;Vjk为第j种供热形式第k个评价指标的评价值;αk为权向量A中对应的各权重分量赋值.

利用式(9)计算不同热源供热系统能源性的优度,其结果见表12.

表12 不同热源供热系统能源性优度分析

由表12可知,不同热源供热系统的能源性优度按降序的排序依次为太阳能+生物质、太阳能+电、太阳能+天然气、太阳能+煤炭和煤炭,所以在上述5种热源形式的供热系统中,太阳能+生物质供热系统的优度最高(最佳),煤炭供热系统的优度最低(最劣).

3.5 综合评价

综合技术性、经济性、环保性和能源性的分析结果,可以认为太阳能+辅助热源供热系统应用在长春市独立住宅中具有可行性,与传统煤炭供热系统相比,太阳能供热系统虽然在经济性方面无优势,但环保性和能源性分析结果均优于煤炭供热系统,且理论上技术可行,因此,可以认为太阳能供热系统在长春市独立式住宅中具有应用可行性.

4 结论

(1)按长春市纬度倾角平面太阳辐照度最低的12月份的月平均日太阳辐照度计算,该独立式住宅的太阳能供给可满足非采暖季该住宅的生活热水供应.

(2)技术性分析结果表明,太阳能供热系统理论上具有应用可行性;经济性分析结果表明,从优至劣的排序依次为煤炭、太阳能+煤炭、太阳能+生物质、太阳能+天然气和太阳能+电供热系统,太阳能供热系统在经济上无优势;环保性分析结果表明,从优至劣的排序依次为太阳能+生物质、太阳能+天然气、太阳能+电、太阳能+煤炭和煤炭供热系统;能源性分析结果表明,从优至劣的排序依次为太阳能+生物质、太阳能+电、太阳能+天然气、太阳能+煤炭和煤炭供热系统.

(3)综合评价结果表明,太阳能供热系统在长春市独立式住宅中的应用具有可行性.