公共建筑太陽能熱水系統(tǒng)運行效益考察及分析

聞豪，周文成

（1.南京郵電大學(xué) 基建處，江蘇 南京210023；2.南京郵電大學(xué) 管理學(xué)院，江蘇 南京210023）

太陽能具有可再生性、普遍性和清潔性等天然優(yōu)點，是一種可就地進行開發(fā)利用的綠色優(yōu)質(zhì)能源.隨著太陽能開發(fā)利用技術(shù)日益成熟，其環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢得到了廣泛認可.現(xiàn)階段我國太陽能利用的主導(dǎo)仍是熱水利用.熱水利用是通過太陽能集熱系統(tǒng)與熱水供應(yīng)系統(tǒng)為人們提供生產(chǎn)生活所需的熱水.該系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、導(dǎo)管、儲水箱、輔助能源與控制系統(tǒng)等.目前，我國公共建筑通常采用集中式太陽能熱水系統(tǒng)，集中式太陽能熱水系統(tǒng)可分為開式與閉式，最常見的是開式集熱太陽能熱水系統(tǒng).該系統(tǒng)的集熱板、儲熱水箱通常放在建筑物的表面，且有與大氣相通的通氣管［1－3］.將太陽能運用到建筑領(lǐng)域是建設(shè)綠色節(jié)能建筑的必然選擇.對于太陽能熱水系統(tǒng)的運行效益（包括經(jīng)濟效益、環(huán)境效益），國內(nèi)外已有不少實證研究.胡韞頻等［4］用綜合能源價格法研究武漢地區(qū)太陽能熱水工程的經(jīng)濟性，得出太陽能熱水系統(tǒng)＞燃氣熱水系統(tǒng)＞電熱水系統(tǒng).這一結(jié)論在全國廣大地區(qū)已得到驗證.文獻［5－6］分別通過計算污染物排放量、生命周期評價法（LCA）研究太陽能熱水系統(tǒng)的環(huán)境效益，結(jié)果表明：太陽能熱水系統(tǒng)清潔無污染，可減少大量的碳排放，對保護環(huán)境、清潔生產(chǎn)以及環(huán)境管理有著很好的指導(dǎo)作用.本文主要通過實測與調(diào)查，分析大型公建示范項目太陽能熱水系統(tǒng)的運行效益.

1 研究調(diào)查與結(jié)果描述

1.1 調(diào)查方法

江蘇省X 市是可再生能源示范城市.2014年開始，對其中10個采用太陽能熱水系統(tǒng)的示范項目開展了能效測評工作.研究分析太陽能熱水系統(tǒng)在該地區(qū)的運行效益.

1.2 調(diào)查對象

10個使用太陽能熱水系統(tǒng)的大型公共建筑示范項目：1）市中醫(yī)院；2）體育公園游泳館；3）博覽中心酒店；4）某區(qū)中醫(yī)院；5）某醫(yī)院急診病房綜合樓；6）某醫(yī)院病房綜合樓；7）工人文化宮重建工程；8）某醫(yī)院二期工程；9）市高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心；10）市環(huán)境監(jiān)控中心.

1.3 調(diào)查結(jié)果描述

1.3.1 太陽能系統(tǒng)的使用率 通過對118棟公共建筑可再生能源示范項目進行能效考察，將太陽能熱水系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、樓宇自控、冷凝熱回收、自然通風(fēng)等節(jié)能技術(shù)與節(jié)能措施進行統(tǒng)計分析，可明確該市節(jié)能技術(shù)與節(jié)能措施在公共建筑中的使用概況（部分項目采用多個節(jié)能措施）.結(jié)果顯示：太陽能熱水系統(tǒng)的使用率最高（64%，76棟），超過了其他節(jié)能技術(shù)的使用率總和（地源熱泵系統(tǒng)30棟、樓宇自控9棟、冷凝熱回收6棟、遮陽措施6棟、自然通風(fēng)4棟、自然采光4棟、能量回收3棟、其他節(jié)能措施3棟，共計使用率55%）.可見，太陽能作為可再生能源，在該地區(qū)公共建筑中的應(yīng)用廣泛，使用份額大.調(diào)查還發(fā)現(xiàn)：與其他節(jié)能技術(shù)相比，運用太陽能熱水系統(tǒng)的技術(shù)相對更為成熟，在公共建筑中的增長勢頭較好，在政策上也得到大力扶持.

1.3.2 系統(tǒng)運行描述 該市太陽能資源豐富，被調(diào)查的所有項目均為示范性項目，系統(tǒng)總體穩(wěn)定，運行良好，可解決全年70%以上的熱水需求.所有項目在白天日光充足的時候，熱水系統(tǒng)所需的能力均全部來自于太陽能；當(dāng)陰雨天無陽光時，可啟動輔助電加熱系統(tǒng).基本實現(xiàn)了電加熱由太陽能熱水控制系統(tǒng)進行自動啟停，方便快捷.

1.3.3 系統(tǒng)年節(jié)能量 系統(tǒng)獲得的年節(jié)約能量［7］為

式（1）中：ΔQsave為太陽能熱水系統(tǒng)的年節(jié)能量（MJ）；Ac為太陽集熱器面積（m2）；Jt為太陽能集熱器采光面獲得的年輻照量（MJ·m－2）；ηc 為集熱器的平均集熱效率（%）；ηcd為系統(tǒng)的熱損失率（%）.據(jù)實測，計算可得示范項目的系統(tǒng)年節(jié)能量，如表1所示.

表1 示范項目的年節(jié)能量Tab.1 Annual energy savings of demonstration projects

2 結(jié)果與分析

2.1 經(jīng)濟效益

經(jīng)濟效益是衡量太陽能熱水系統(tǒng)運行效益的重要指標.凈現(xiàn)值是指一項工程壽命期內(nèi)總效益減去總支出所得的差值.假設(shè)考察項目的壽命為60a，太陽能熱水系統(tǒng)的壽命為15a，則系統(tǒng)設(shè)備需要更換4次.采用動態(tài)分析法，可建立太陽能熱水系統(tǒng)的凈現(xiàn)值經(jīng)濟預(yù)估模型（Nsave）［8］為

式（2）中：m為系統(tǒng)設(shè)備的更換次數(shù)；n為系統(tǒng)設(shè)備的使用周期（a）；φm為第m次更換系統(tǒng)設(shè)備在該期初值折現(xiàn)值的系數(shù)；φm－n為第m次更換系統(tǒng)設(shè)備第n年終值折為該期期初值的系數(shù)；Cm－n為第m次更換系統(tǒng)設(shè)備第n年的運行費用；Km為第m次更換系統(tǒng)設(shè)備初始投；Fmx為第m次系統(tǒng)設(shè)備期末的殘值；φm－15為第m次系統(tǒng)設(shè)備第15年末終值折為該期期初值的系數(shù)；Fmy第m次系統(tǒng)設(shè)備期末的拆除等費用；Wm－n為第m次更換系統(tǒng)設(shè)備第n年的年節(jié)約費用［9］，表示為

式（3）中：ΔQm－n為第m次更換系統(tǒng)設(shè)備第n年的節(jié)能量；Pm－n為第m次更換系統(tǒng)設(shè)備第n年的常規(guī)能源熱價.

由于部分項目在建筑壽命期太陽能熱水系統(tǒng)的壽命可能不同，凈現(xiàn)值經(jīng)濟預(yù)估模型應(yīng)演變?yōu)?/p>

式（4）中：a，b，c，…分別為第一、二、三、…次更換太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)備的壽命周期（a）；φm－a，φm－b，φm－c為第m次更換系統(tǒng)設(shè)備期末終值折為本期期初值的現(xiàn)值系數(shù).

盡管建筑全壽命期凈現(xiàn)值預(yù)估模型能更準確地表達項目的經(jīng)濟效益，但是該模型需要考慮的因素涉及許多當(dāng)前難以量化因子.因此，采用最直觀的計算模型，根據(jù)年節(jié)能量計算年節(jié)約費用情況，即

由于X 市的公共建筑大多以電力加熱為主，PP（該地區(qū)當(dāng)年的常規(guī)能源熱價）為0.2元·MJ－1.由此可得項目年節(jié)約費用，如表2所示.由表2可知：10個項目年節(jié)約的費用較為可觀，年平均節(jié)約費用超過了20萬元，整體的運行效益良好.

表2 示范項目的年節(jié)約費用情況Tab.2 Annual cost savings of demonstration projects

2.2 投資回收期

投資回收期是衡量太陽能熱水系統(tǒng)運行效益的關(guān)鍵性指標.建筑全壽命期的動態(tài)回收期，即考慮系統(tǒng)設(shè)備的更新重置成本、不同年份的常規(guī)能源熱價、系統(tǒng)設(shè)備拆除費用等因素，太陽能熱水系統(tǒng)實際運行可節(jié)省的總費用與系統(tǒng)的總投資相等時所需要的年數(shù).以系統(tǒng)設(shè)備壽命15a為例，可構(gòu)建建筑全壽命期（60a）的動態(tài)回收期模型，即

慢性肺源性心臟病是慢性阻塞性肺疾病的主要繼發(fā)病，并逐漸導(dǎo)致右心衰竭，是影響中老年患者生活質(zhì)量，及導(dǎo)致死亡的主要因素之一[1] 。目前針對肺心病的治療，仍以吸氧、基礎(chǔ)疾病治療為主，部分合并心衰患者，增加強心利尿等傳統(tǒng)治療方式，具有一定效果，但是具體用藥方案，仍無統(tǒng)一的標準[2] 。同時，對于改善微循環(huán)、抑制氧自由基損傷、保護血管內(nèi)皮等方面，仍有不足。本研究中，在常規(guī)治療方案的基礎(chǔ)上，增加心脈隆注射液，取得較好效果，現(xiàn)做如下總結(jié)。

因為部分項目在建筑壽命期系統(tǒng)的壽命可能不同，所以太陽能熱水系統(tǒng)的動態(tài)回收期模型應(yīng)為

式（7）中：e，f，g，…分別為第一、二、三、…次建筑整體系統(tǒng)的壽命周期（年）；φm－e，φm－f，φm－g為第m次更換系統(tǒng)設(shè)備期末終值折為本期期初值的現(xiàn)值系數(shù).雖然該模型全面、準確，但存在許多當(dāng)前難以量化的因子，所以也只能作為預(yù)評價的方法.

系統(tǒng)全壽命期的靜態(tài)投資回收期是不考慮不同年份的常規(guī)能源熱價、系統(tǒng)設(shè)備拆除等因素影響，以單一系統(tǒng)全壽命期（15a）為一周期，投資項目收回初始投資現(xiàn)金流量所需要的時間，一定程度上反映了項目的資金回收能力.靜態(tài)投資回收期的計算式表示為

式（8）中：Wz為初投資.

示范項目的靜態(tài)投資回收期，如表3所示.由表3可知：被考察的10個項目的平均靜態(tài)投資回收期為3.5a，項目9回收期最短（1.93a），項目2回收期最長（4.97a）；所考察的10個項目的太陽能熱水系統(tǒng)靜態(tài)回收期均在5a內(nèi)，可見效益相當(dāng)可觀.

表3 示范項目的靜態(tài)投資回收期Tab.3 Static payback time of demonstration projects

2.3 環(huán)保效益

環(huán)保效益是太陽能熱水系統(tǒng)的不能忽視的重要社會效益.太陽能熱水系統(tǒng)因減少了對常規(guī)能源的使用，大大的減少了二氧化碳的排放，單一系統(tǒng)壽命期CO2減排量［10］為

式（9）中：n為系統(tǒng)壽命，取15a；標準煤熱值W＝29.308 MJ·kg－1；E為加熱裝置的效率值，取0.95；電能的碳排放因子FCO2＝0.866kg·kg－1碳標煤.

表4 示范項目壽命期CO2 減排量Tab.4 CO2emission reductions during the demonstration projects′life period

2.4 太陽能保證率

太陽能保證率也是影響太陽能供熱系統(tǒng)經(jīng)濟性能的重要指標.如果太陽能熱水系統(tǒng)的太陽能保證率高，那么該項目的常規(guī)能源替代量就較少，項目的整體節(jié)能、環(huán)保和社會效益也就可能較高.

示范項目的實測太陽能保證率，如表5 所示.由表5 可知：示范項目太陽能保證率平均值接近50%，所有示范項目均滿足國標要求（GB／T 50801－2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標準》，不應(yīng)小于40%）.

表5 實測太陽能保證率Tab.5 Measured solar assurance rate

3 結(jié)論

綜上分析可得出以下4點結(jié)論.1）太陽能熱水系統(tǒng)的使用率在所有項目中比率最高，超過了其他節(jié)能技術(shù)的使用率總和，應(yīng)用廣泛，使用份額大.這與政策的扶植力度、太陽能的能源優(yōu)勢等因素有一定關(guān)系.2）10個項目年平均節(jié)約費用為21.91萬元，平均靜態(tài)投資回收期為3.47a，經(jīng)濟效益良好.3）相對于使用化石燃料來生產(chǎn)熱水，用太陽能可大幅減少對環(huán)境的污染（主要是二氧化碳的排放），環(huán)保效益顯著.4）示范項目的太陽能保證率平均值接近50%，且均符合GB／T 50801－2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標準》中不應(yīng)小于40%的規(guī)定.太陽能保證率高，常規(guī)能源替代量就少，節(jié)能、環(huán)保和社會效益就高.

可見，在公共建筑中應(yīng)用太陽能熱水系統(tǒng)有著良好的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益，值得推廣.不過，仍有諸多需改進之處，發(fā)展空間巨大.

第一，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)進一步加強系統(tǒng)管理，實現(xiàn)節(jié)能減耗.1）針對部分項目系統(tǒng)控制上存在的問題，如反復(fù)啟停、供熱時段不集中等問題.建議控制工藝盡可能的根據(jù)實際情況制定，比如酒店、賓館主要是晚上用熱水，游泳館、服務(wù)中心則主要是白天用熱水.因而可根據(jù)不同建筑的具體需要，調(diào)整熱水產(chǎn)量，以實現(xiàn)節(jié)能減耗的目的.2）調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前多數(shù)項目輸送的熱水溫度較高，需要勾兌冷水降溫到40℃左右才能使用，而高水溫在儲存和輸送過程中熱量散失較多.若能適溫輸送，則可節(jié)約一定的能源.3）測評中還發(fā)現(xiàn)，直接系統(tǒng)比間接系統(tǒng)耗能要低很多，因而在保證水質(zhì)的情況下，應(yīng)根據(jù)具體情況盡量選擇采用直接系統(tǒng).

第二，推進技術(shù)革新是太陽能熱水系統(tǒng)安全、高效與規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵.1）盡管我國家用太陽能熱水系統(tǒng)的技術(shù)較為成熟，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展較快，但是在將太陽能熱水系統(tǒng)與公共建筑一體化發(fā)展的進程中，仍存在技術(shù)瓶頸.為公共建筑提供更高效、便利、安全的太陽能熱水系統(tǒng)，是各領(lǐng)域有待努力推進創(chuàng)新的重要課題.2）調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一些項目的太陽能熱水系統(tǒng)是后期安裝的，存在與建筑結(jié)合度不好，有安全隱患，不美觀等一系列問題.杜絕這類現(xiàn)象，需要地產(chǎn)商、設(shè)計院在建筑設(shè)計前期就考慮好這些問題，讓太陽能熱水系統(tǒng)與建筑完美結(jié)合，切實做到規(guī)劃、設(shè)計、安裝、管理一體化，推進太陽能熱水系統(tǒng)的高效化與規(guī)?；?1］.3）要獲得國際競爭力，就必須加快技術(shù)創(chuàng)新，加快國際化步伐.相關(guān)企業(yè)要多與國內(nèi)外科研機構(gòu)、高等院校合作，多參加國際交流會，多引進先進技術(shù)，以提升我國太陽能利用技術(shù)的整體水平.

第三，要加大太陽能熱利用的宣傳力度，并提供政策支持.1）太陽能熱水系統(tǒng)節(jié)能、環(huán)保，因而有關(guān)部門或行業(yè)協(xié)會要努力向社會各領(lǐng)域推介太陽能熱水系統(tǒng).2）各地方政府要根據(jù)實際，結(jié)合國家相關(guān)政策研究制定區(qū)域性太陽能熱利用的激勵措施.比如對安裝有太陽能熱水系統(tǒng)的公共建筑實施補貼、稅收優(yōu)惠等，對相關(guān)科研機構(gòu)給予經(jīng)費支持等［12］.3）要特別對酒店、賓館、醫(yī)院、游泳館等公共建筑推廣、應(yīng)用太陽能熱水系統(tǒng).這些單位原有熱水系統(tǒng)尚未使用太陽能熱水系統(tǒng)的，在更新改造時應(yīng)優(yōu)先采用太陽能熱水系統(tǒng)；新建的酒店、賓館、醫(yī)院、游泳館等公共建筑則應(yīng)盡可能的采用太陽能熱水系統(tǒng)［13］.

［1］黃飛，陶進慶.太陽能熱水器節(jié)能效益和環(huán)境效益淺析［J］.新能源，2000，11（2）：12－14.

［2］高甫生.霧霾天氣，環(huán)境與能源：暖通空調(diào)行業(yè)的對策［J］.暖通空調(diào)，2013，16（9）：33－47.

［3］CHYNG J P，LEE C P，HUANG B J.Performance analysis of a solar－assisted heat pump water heater［J］.Sol Energy，2003，74（1）：33－44.

［4］胡韞頻，萬晶，湯金才，等.武漢地區(qū)太陽能熱水工程經(jīng)濟性評價［J］.太陽能學(xué)報，2012，33（6）：916－921.

［5］于國清，李玉潔.家用太陽熱水系統(tǒng)的節(jié)能與環(huán)境效益分析［J］.節(jié)能技術(shù)，2007，25（143）：211－212.

［6］黃海耀.LCA 法比較太陽能熱水器和燃煤鍋爐系統(tǒng)的環(huán)境效益［D］.天津：天津大學(xué)，2004：32.

［7］張麗娜，張義智，田瑞，等.太陽能熱水系統(tǒng)的節(jié)能效益分析［J］.能源技術(shù)，2007，28（4）：232－236.

［8］胡鋼鋒，謝建，段良飛，等.太陽能集中供熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟評價［J］.可再生能源，2013，31（4）：24－26.

［9］顧亮杰.太陽能熱水系統(tǒng)在住宅建筑中應(yīng)用的經(jīng)濟效果評價及政策建議［J］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2014：41.

［10］黃超，馬秀琴，何思齊，等.天津市某住宅小區(qū)太陽能熱水系統(tǒng)工程的減排量研究［J］.智能建筑與城市信息，2013，67（7）：64－67.

［11］馮萃敏，付婉霞.集中熱水系統(tǒng)中無效冷水的實測分析與節(jié)水改造［J］.給水排水，2002，28（1）：73－76.

［12］韋雪松.太陽能集中熱水系統(tǒng)在酒店式公寓中的應(yīng)用［J］.住宅科技.2008，33（3）：20－22.

［13］鄭志.閩南地區(qū)集中式光熱技術(shù)與住宅一體化方案［J］.華僑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，29（2）：299－301.