太阳能集中热水系统在西安应用的经济效益分析.doc

太阳能集中热水系统在西安应用的经济效益分析西安建筑科技大学 杨晓华 张大显 刘艳峰摘要 本文给出了集热器面积及其平均效率的计算公式，并以西安地区为例，结合当地全年的气象资料，分析认为该地区在利用太阳能集中热水系统上有着巨大的经济效益，这不仅有利于该系统在西安地区的推广及应用，也对该地区节约常规能源和提高环境质量有着深远的意义。关键词 太阳能集中热水系统 平均效率 经济效益An Analysis on Economic Benefit for Water Supply System with Solar Energy in xianYang Xiao-hua, Zhang Da-xian，Liu Yan-feng(Xian University of Architecture & Technology, 710055，Xian, China)Abstract This paper gives the calculation formula of solar-collector area and average efficiency. And taking xian area as an example, this paper analysis that water supply system with solar energy has a large economic benefit in xian, according local meteorological data. This conclusion not only helps the popularization and application of water supply system with solar energy in xian, but also has a profound significance for the conservation of conventional energy and the improvement of environmental quality.Key words water supply system with solar energy, average efficiency, economic benefit1 引言热水是建筑物中排在供暖、空调和照明之后的第四大能耗1。充分利用太阳能集中热水系统所产生的热水是降低建筑物能耗的有效手段之一。由于太阳能存在周期性和随机性的缺点，太阳能集中热水系统需要相应的辅助热源才能满足热水需求。辅助热源的选择不同，系统的初投资、运行费用以及回收年限不同。不同的辅助热源下，太阳能集中热水系统究竟给建筑节能带来多少经济效益，包括建筑设计人员和居民使用者在内还都没有一个明确概念。本文以西安地区为例，分析了太阳能集中热水系统在应用过程中所产生的经济效益，为该系统在西安地区的推广提供一定的参考价值。2 理论分析2.1 集热器面积集热器面积与太阳能辐射强度、集热器的效率、屋顶的有效铺设面积、太阳能保证率、管路损失及蓄热水箱损失有关，由文献2直接式太阳能热水系统的集热器面积： （1）式中，为直接式系统集热器总面积，m2；为日平均用热水量，由文献3可查得；为水的定压比热容，；为水的密度，；为贮水箱内的终止设计温度，；为水的初始温度，；为当地集热器采光面的月平均日太阳辐射量，；为太阳能保证率，%；根据系统使用期内的太阳辐射、系统经济性及客户的要求等因素有关，宜取30%-80%；为集热器的年或月的平均集热效率，%；为管路及水箱的热损失率，根据经验可以取0.2-0.3。2.2 集热器平均效率集热器平均效率为其有用能量收益与太阳入射总辐射量之比，由文献4可知： (2)式中，为集热器平均效率；为模块的有效长度，mm；为模块的总长度，mm；为投射到集热管选择性涂层上的太阳辐射强度,；为倾角上的太阳辐射强度,；为全玻璃真空管总热损失系数；为全玻璃真空管内管外表面温度,；为环境温度（空气温度）,。2.3生活热水所需的热量 生活热水所需的热量由下式确定： （3）式中，为生活热水所需的热量，KJ；为用水量，kg；为水的定压比热容，4.2；为热水温度，根据实际情况取45；为自来水温度，。3 实例计算表1 西安纬度倾角上的月平均日辐射总量和月平均气温本工程位于西安市，是用太阳能集中热水系统为招待所（100个标间）和住宅小区（280户）提供生活热水的改造项目。太阳能集热器安装在楼顶屋面，阴雨天或阳光不充足时，开启辅助热源，保证用户每天热水供应。本系统采用横插581800全玻璃真空太阳集热管，集热器屋顶铺设效果图见图1。图1 屋顶集热器效果图由文献5查得西安市当地纬度倾角上的月平均日辐射总量和月平均气温，见表1。因计算中采用无反射板，与之比简为0.904，根据公式（1）可以计算出屋顶铺设面积为665.6m2。铺设角度取当地纬度，由公式（2）得到集热器的平均效率，然后根据集热器平均效率的定义求得其有效得热量，见表2。根据调研，西安地区居住建筑每人每次洗浴需用45热水35kg,3口之家全天用水量随月份变化，通常10、11、12、1、2、3月份每天总用水量为70kg，4、5、6月份每天总用水量为95kg，7、8、9月份每天总用水量为110kg。招待所平均每天的入住率为0.55，一间客房用水定额为120kg天。取自来水温度15，根据公式（3）得该工程各月份生活热水所需热量，见表2。月份1月2月3月4月5月6月 月平均日辐射总量MJ/(m2.d)13.6715.5516.3118.1419.2317.99月平均气温()-1.02.18.114.119.125.2月份7月8月9月10月11月12月月平均日辐射总量MJ/(m2.d)15.8415.5615.5815.4711.911.19月平均气温()26.625.519.413.76.60.7表2 集热器有效得热量及生活热水所需热量月份1月2月3月4月5月6月有效得热量（MJ）23773.527886.5560013119516.5139483179954月所需热量(MJ)10233795734102337125496129679125496月份7月8月9月10月11月12月有效得热量（MJ）150436167270.811545990422.7757808.127720.5月所需热量(MJ)73042.273042.270686102337990351023374系统经济效益分析4.1 各辅助热源的运行费用由于西安地区太阳能集热器平均效率、月用水量以及用水温度不同，使得集热器月得热量和用户用热量缺盈不同。通常在太阳能不充足的情况下，我们可以通过电、柴油、标准煤、天然气、空气源热泵等能源做辅助，以便保证全年连续有热水。现取电锅炉热效率为0.95，燃油锅炉热效率为0.8，煤锅炉热效率为0.65，燃气锅炉热效率为0.85，空气源热泵的COP为4。西安各月具体的热量缺盈情况以及辅助热源费用详见表3。表3 西安各月热水的缺盈热量及辅助热源费用 月份1月2月3月4月5月6月缺盈热量/MJ-78563.5-67847.5-42324-5979.5980454458电所需费用/元2297219838.412375.4174800油所需费用/元1760615204.59484.7134000煤所需费用/元2886.82493.061555.222000天然气所需费用/元4478.13867.272412.5340.800热泵所需费用/元57434959.63093.8643800月份7月8月9月10月11月12月缺盈热量/MJ77393.894228.644773-11914.2-41226.9-74616.5电所需费用/元0003483.71205521818油所需费用/元00026709238.716721煤所需费用/元0004381514.882742天然气所需费用/元00068023504253热泵所需费用/元00087130135455注：辅助热源的价格都是按西安地区最近能源价格选取，即工业用电1元/KWh,标准煤价格为700元/t，油的价格为7.7元/kg,天然气价格为1.75元/m3。表4 太阳能集中热水系统投资回收年限估算 由表3可以看出，西安地区在5月、6月、7月、8月、9月出现盈余现象，而其余月份均需辅助热源补充。同时还可以看出，在各辅助热源的运行费用中，煤的运行费用最低，电、油的运行费用高出其约6-8倍，天然气高出约4-6倍，空气源热泵高出约3-4倍。但是燃煤燃油将对环境造成极大的破坏，其社会效益不理想。电互补的运行费用高，经济效益较差，然而其社会效益好。4.2初投资回收年限估算各辅助热源下，太阳能集中热水系统投资回收年限详见表4。由表3、表4可知，电和油做辅助热源，太阳能集中热水系统投资回收年限相对较短，但其运行的燃料费较高。煤和天然气做辅助热源，系统的投资回收年限较长，但其运行的燃料费低。空气源热泵做辅助热源弥补了电和煤的缺点，在使用时可以优先考虑该热源，但由于空气源热泵受到地域的限制，在冬季使用过程中，可能出现结霜现象，所以在选用时，应因地制宜。 辅助热源太阳能集中热水系统初投资/万元年节约运行费用/万元投资回收年限/a电10085.241.17油95701.36煤75184.2天然气9555.141.73热泵92.6956.641.64注：辅助热源的价格都是按西安地区最近能源价格选取，即工业用电1元/KWh,标准煤价格为700元/t，油的价格为7.7元/kg,天然气价格为1.75元/m3。未考虑电力增容费，其他运行费用均来自调研原单位。5 结语随着我国太阳能行业的发展和政府对可再生能源开发利用的大力支持，太阳能集中热水系统凭借其优越的经济社会效益，受到人们的广泛关注。近几年，西安地区晴朗天气的天数逐渐增加，这有利于太阳能集中热水系统在西安地区的应用和推广，从而有利于该地区常规能源的节约和环境质量的提高。参考文献1 张虎.太阳能热