分布式太陽能集熱系統(tǒng)對(duì)碳中和的影響研究

摘 要：中國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，以應(yīng)對(duì)全球氣候變暖。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，可再生能源應(yīng)用率將逐漸提高。太陽能因其豐富和環(huán)保的特性，成為眾多可再生能源中的佼佼者。本文通過綜合解剖分布式太陽能集熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制，采用GB/T 50801—2013中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行短期測(cè)試的方法獲取集熱系統(tǒng)效率，核算集熱系統(tǒng)集熱量和全生命周期內(nèi)減少二氧化碳排放量，為碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供太陽能熱利用貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：太陽能，集熱系統(tǒng)，測(cè)試，效率，碳中和

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2025.04.026

0 引 言

太陽能光熱資源因其節(jié)能與環(huán)保的雙重優(yōu)勢(shì)，在中國(guó)的開發(fā)利用規(guī)模正快速擴(kuò)大，相關(guān)技術(shù)日益成熟，被視為最有潛力的新能源發(fā)展方向之一。目前，使用太陽能來加熱低溫水（溫度低于90°C）的太陽能熱水系統(tǒng)已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)最為普及且具競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)化的應(yīng)用方式。本文通過具體工程實(shí)例，展示了分布式太陽能集熱系統(tǒng)在建筑物中的利用，并通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)效率，研究太陽能熱利用對(duì)碳中和的貢獻(xiàn)。

1 分布式太陽能集熱系統(tǒng)應(yīng)用

本太陽能集熱系統(tǒng)位于濟(jì)南市，處于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，位于北緯36.7度，東經(jīng)116.95度，年平均環(huán)境溫度為13. 8℃，年平均日照小時(shí)數(shù)為7. 0 h，年日照時(shí)數(shù)大多在2300～3000 h以上，冬季在130～150天，輻射量在5058至5300兆焦/平方米，屬于我國(guó)第I I I類太陽能輻照區(qū)。濟(jì)南市太陽水平面年總輻照量為4681.1 MJ/（m2·a），水平面年平均日輻照量為12.82 MJ/（m2·a），濟(jì)南市有關(guān)月度氣象參數(shù)見表1所示[1]。本工程應(yīng)用太陽能光熱為居室提供生活熱水，技術(shù)相對(duì)成熟、經(jīng)濟(jì)性較好。

1.1 集熱系統(tǒng)概述

濟(jì)南市東部某節(jié)能生態(tài)示范樓太陽能集熱工程系統(tǒng)由保溫儲(chǔ)熱水箱、全玻璃太陽能集熱器為主要部件，保溫循環(huán)管路、輔助加熱器以及開關(guān)閥門、水泵、控制器等輔助部件共同構(gòu)成，該系統(tǒng)主要用于客房的熱水供應(yīng)。系統(tǒng)主要由16組Φ58-18的全玻璃太陽集熱器（集熱面積100 m2）和一個(gè)4噸的儲(chǔ)熱水箱組成。主要管路采用管徑Φ32 mm的熱鍍鋅鋼管，保溫水箱外部用50 mm厚的聚氨酯發(fā)泡，裸露在室外的管路采用30 mm厚的彈性閉孔發(fā)泡保溫材料，輔助加熱采用熱泵加熱方案。綜合考慮本集熱系統(tǒng)與建筑一體化和太陽能利用最大化等各方面因素，太陽集熱器安裝傾角為35度（近濟(jì)南緯度）。

1.2 集熱系統(tǒng)運(yùn)行控制狀況

1.2.1 集熱循環(huán)控制

此太陽能收集設(shè)備采用了“溫差-恒溫”的熱量采集方式，具體操作如下：首次注入系統(tǒng)的冷水會(huì)立即被集熱器吸儲(chǔ)并加溫至預(yù)設(shè)值，然后由上水電磁閥控制，使已升溫的熱水從集熱器流向儲(chǔ)水箱直至其充滿，此時(shí)電磁閥自動(dòng)關(guān)閉以確保進(jìn)水的熱度。與此同時(shí)，啟用溫差循環(huán)機(jī)制。如果集熱器和儲(chǔ)水箱之間的溫差超過指定閾值，則循環(huán)泵開始工作；反之，若兩者間的溫差低于該閾值，循環(huán)泵便會(huì)暫停運(yùn)行。

1.2.2 集熱器上水設(shè)計(jì)

本集熱系統(tǒng)上水設(shè)計(jì)中采用了定溫上水、定時(shí)上水、強(qiáng)制補(bǔ)水和定位上水四種模式，可以根據(jù)不同的實(shí)際情況采用不同的上水模式。

1.2.3 輔助熱泵加熱設(shè)計(jì)

這個(gè)太陽能收集器測(cè)量?jī)?chǔ)水箱內(nèi)部水的溫度，然后依據(jù)實(shí)際使用需求（例如一天二十四小時(shí)的熱水供應(yīng)）來調(diào)整其工作模式：如果水溫下降到預(yù)定點(diǎn)以下，那么熱泵的輔助功能就會(huì)自動(dòng)激活以提供額外熱量；反之若用戶選擇的是定時(shí)的熱水供給方式，該設(shè)備會(huì)在洗澡之前檢查水溫狀況，一旦發(fā)現(xiàn)無法滿足洗澡所需的熱度要求，熱泵的輔助加熱功能也會(huì)隨之開啟，直到達(dá)到指定的水箱溫度才會(huì)停止。

1.2.4 系統(tǒng)防凍設(shè)計(jì)

為了保護(hù)管路在溫度較低的情況下不被凍壞，系統(tǒng)采取了一定的防凍措施?！胺纼鲅h(huán)管道溫度”的設(shè)置是為了防止管線監(jiān)控點(diǎn)的溫度過低而發(fā)生結(jié)冰的現(xiàn)象。一旦溫度低于此值，防凍循環(huán)泵就會(huì)開始工作以保持其正常運(yùn)行；反之亦然，如果超過這個(gè)閾值，防凍循環(huán)泵則會(huì)關(guān)閉。對(duì)于日常用的自來水系統(tǒng)，也采用了類似的方法，通過使用橡膠和塑料材料包裹管道外層并安裝伴熱帶的方式來預(yù)防自來水的冷凍現(xiàn)象。具體來說，當(dāng)冬天來臨且自來水系統(tǒng)的溫度下降到“防凍管道溫度下限”以下的時(shí)候，可以選擇定期打開伴熱帶加熱的功能，并且可以根據(jù)需要調(diào)整加熱的時(shí)間間隔。

2 分布式太陽能集熱系統(tǒng)效率檢測(cè)

2.1 檢測(cè)方法

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB / T 5 0 8 01—2 013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》4 . 2 . 3的規(guī)定，對(duì)于系統(tǒng)的短時(shí)間試驗(yàn)需要滿足以下要求：必須包含四天的試驗(yàn)周期并且這段時(shí)間內(nèi)要涵蓋不同類型的太陽光輻射情況，日太陽輻照量的分布范圍見表2 [3]。每天測(cè)試的時(shí)間從上午8時(shí)開始至達(dá)到所需要的太陽輻照量為止，立即采取遮擋集熱器并停止循環(huán)泵等措施，確保系統(tǒng)不再獲取太陽的熱。

集熱系統(tǒng)的檢測(cè)用儀器設(shè)備符合《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》4.2.4條要求，具體設(shè)備型號(hào)、編號(hào)、精度和檢定情況見表3。

2.2 太陽能集熱系統(tǒng)效率

每個(gè)工況下太陽能集熱系統(tǒng)效率應(yīng)按下式計(jì)算得出[3]：

式中： η為太陽能熱利用系統(tǒng)的集熱系統(tǒng)效率，%；QJ為太陽能熱利用系統(tǒng)的集熱系統(tǒng)的熱量，MJ；A為集熱系統(tǒng)的集熱器總面積，m2；H為太陽總輻照量，MJ/m2；

太陽能集熱系統(tǒng)的年效率應(yīng)按下式計(jì)算得出[4]：

式中： η年為太陽能熱利用系統(tǒng)的年集熱系統(tǒng)效率，%；x 1、x 2、x 3、x 4分別為一年中濟(jì)南按表2中日太陽輻照量分布，所涵蓋的4類不同日太陽輻照量的總計(jì)天數(shù)；η1、η2、η3、η4則是指各種光輻射強(qiáng)度下每天的熱量收集效能，以%來計(jì)算；

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定，太陽能熱水系統(tǒng)的集熱系統(tǒng)效率測(cè)試結(jié)果見表4。

3 分布式太陽能集熱系統(tǒng)集熱量與減碳分析

3.1 可用太陽輻射能資源

太陽能集熱系統(tǒng)的實(shí)際全年太陽輻射集熱量的獲取，應(yīng)在太陽能集熱器上按照相同角度布置太陽能輻射表采集。本次采用行業(yè)通用的方法是使用典型氣象年參數(shù)。典型氣象年數(shù)據(jù)庫提供的太陽輻射量均為水平面上的輻射值，而本集熱系統(tǒng)太陽能收集裝置以34度傾斜安裝，通過計(jì)算可得系統(tǒng)所在地太陽集熱器傾斜面上的年總太陽輻射量為4715.85 MJ/（m2·a）[2]。

3.2 太陽能集熱系統(tǒng)集熱量

本工程屋面集熱板面積為100 m2，集熱系統(tǒng)年均集熱效率為47.1%，集熱系統(tǒng)循環(huán)熱損失為15%，得熱量可由下式（3）[5]，得：

Q屋面=ACJTηcd（1-ηL）（3）

式中：Ac為集熱面積，m2；JT為集熱單位面積所接受的太陽輻射，MJ/m2；ηcd為集熱系統(tǒng)的集熱效率，%；ηL為集熱系統(tǒng)的平均熱損系數(shù)，取15%。

分別將上述數(shù)據(jù)代入上式（3），得：

Q屋面=188799 MJ

3.3 CO2的減排核算

太陽能作為綠色可再生能源，運(yùn)行起來可減排CO2等溫室氣體，其減排CO2的量是衡量生態(tài)文明建設(shè)、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要指標(biāo)。CO2減排量可由式（4）計(jì)算得[5]：

式中： 為系統(tǒng)壽命期內(nèi)二氧化碳減排量，kg；n為系統(tǒng)壽命，取15年；W為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，29.308MJ/kg；Eff 為燃煤鍋爐效率，60%； 為燃煤的二氧化碳排放因子，2.662。

通過計(jì)算得出，本太陽能集熱系統(tǒng)在15年的生命周期內(nèi)，可減排CO2 428噸。

4 結(jié) 語

在“雙碳”目標(biāo)的大環(huán)境下，太陽能等可再生能源的利用將逐漸加大。為了進(jìn)一步提升光能系統(tǒng)的生活用水加熱效果，需要根據(jù)所在地的具體數(shù)據(jù)與實(shí)際情況來選擇合適的設(shè)備類型并做精確的數(shù)據(jù)分析以決定其型號(hào)的選擇。此外還需要對(duì)用戶的需求做出正確的評(píng)估以便于合理地調(diào)整裝置的位置方向及其數(shù)量等因素，從而達(dá)到更高效的工作狀態(tài)并且降低能量損失的可能性。

據(jù)太陽能行業(yè)協(xié)會(huì)披露，2022年新增太陽能集熱系統(tǒng)總量2372.5萬m2，其中真空管型太陽能集熱系統(tǒng)銷量1796.8萬m2。通過對(duì)本太陽能集熱系統(tǒng)的應(yīng)用與測(cè)試，測(cè)算2022年新增太陽能利用系統(tǒng)在15年的生命周期內(nèi)可減排二氧化碳76億噸，充分展現(xiàn)太陽能的利用具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，降低碳排放以達(dá)到中國(guó)的碳達(dá)峰和零碳的目標(biāo)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，同時(shí)太陽能光熱系統(tǒng)的節(jié)能量、減排量測(cè)算也為國(guó)家溫室氣體自愿減排交易提供了理論和實(shí)施依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[4]李博佳，李博佳，黃祝連，等.太陽能生活熱水工程集熱效率測(cè)試及影響因素分析[J].建設(shè)科技，2016（16）：16-19.

[5]太陽能供熱采暖工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50495—2019[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2019.

作者簡(jiǎn)介

王帥，通信作者，本科，高級(jí)工程師，主要從事新能源產(chǎn)品的檢驗(yàn)檢測(cè)工作。

（責(zé)任編輯：袁文靜）