东北地区太阳能供暖的经济和环境效益分析

2023年4月20日发(作者：新家装修好多长时间可以住)

东北地区太阳能供暖的经济和环境效益分析

王丙林，陈杨杨，于伟锋

【摘 要】摘要：针对当今雾霾影响范围广、持续时间长的问题，以哈尔滨、长

春和沈阳为例，采用综合能源价格法对太阳能供暖系统的经济性和环境性进行

了评价。计算结果表明：太阳能与集中供暖作为热源时的综合能源价格最低，

太阳能与电加热器作为热源的综合能源价格最高，都可有效减少CO2、SO2和

悬浮颗粒物的排放，改善空气质量。

【期刊名称】绿色科技

【年(卷),期】2016(000)008

【总页数】3

【关键词】太阳能；综合热价；经济效益；环境效益

1 引言

随着传统能源储量的不断减少和人们对环保要求的不断提高，新能源的高效清

洁应用越来越受到人们的重视。由于利用太阳能为建筑物供热供暖可以获得良

好的节能效益和环境效益。因此，利用太阳能作为区域供热热源已经开始变得

越来越具有投资价值。

国内外学者通过不同手段对太阳能供暖进行了分析比较。卢奇[1]利用CFD技

术对太阳能集热器、储热水箱、辅助热源等进行了合理选择与优化设计。穆志

军等[2]分析了所设计的太阳能发电和热水系统的最大量热水和最大电收益。何

梓年等[3]认为太阳能吸收式空调及供热综合系统具备夏季空调、冬季供暖、过

渡季节提供生活用热水的能力。刘洪杰等[4]等指出张家口地区采用太阳能低温

地板辐射供暖完全可行。朱敦智等[5]从经济上考虑，太阳能供暖适宜替代电或

油等能价比高的能源或适用于非供暖季节热水需求量大的场合；但替代天然气

或其它能价比低的能源，投资经济性较差，投资回报主要体现在社会效益和环

境效益方面。Shariah等[6]指出随着水箱容积与集热器面积配比值的增大，太

阳能保证率会快速增加，随后变化趋于缓慢。Alireza Hobbi等[7]模拟太阳能

热水系统在夏天和冬天的太阳能保证率分别为83%～97%和30%～62%。

中国的太阳能供热供暖工程应用仍处于起步阶段，而且发展不均衡。目前，在

山东、江苏、浙江、安徽、北京等地已有太阳能供热的试点和示范，而东北地

区的太阳能资源利用却相对较少。以哈尔滨、长春和沈阳为例，研究东北地区

太阳能供暖系统的经济效益和环境效益。计算结果表明：太阳能与集中供暖作

为热源时的综合能源价格最低，太阳能与电加热器作为热源的综合能源价格最

高，都可有效减少CO2、SO2和悬浮颗粒物的排放，改善空气质量，可为该地

区采用太阳能供暖发展提供参考依据。

2 太阳能集热器面积计算

为保证太阳能的充分利用，太阳能系统除在供暖期提供供暖热水外，在非供暖

期提供生活用水。选用建筑面积F为300 m2，采用间接式太阳能低温热水地

板辐射供暖。以长春市(供暖期天数为167 d)为例，其建筑设计热负荷指标qf

为52.04 W/m2，表1表明其月最低太阳辐射量H出现在12月，为5.94

MJ/(d.m2) 。由于太阳能不能保证24 h连续供暖，选取平均日照时间为8 h，

不足的热负荷由辅助热源提供。

供暖期建筑热负荷：

Q= qf×F=52.04×300=15612 W

每平方米集热器提供的热量：

Qt=5940000/8/3600=206.08 W/m2

所需集热器面积：

A=15612/206.08/0.52=145.69 m2

其中集热器的效率为52 %，最终取集热器面积为146 m2，符合建筑面积和集

热器面积1.3∶1的设计要求。

3 辅助热源和热水热耗量计算

辅助热源热负荷：

QF=QZ-QT

(1)

QF为辅助热源热负荷，MJ/d;

QZ为建筑物供暖热负荷，MJ/d;

QT为太阳能提供热负荷，MJ/d。

太阳能集热器面积为146 m2，在供暖期内，由太阳能所提供的日热量为：

QT=146×5.94×0.52=450.59 MJ/d

建筑物日热负荷：

QZ=52.04×300×24×3600=1348.88 MJ/d

辅助热源热负荷：

QF=1348.88-450.59=898.29 MJ/d

非供暖期建筑物热水供应系统的日耗热量公式：

Qd=qrcρ(tr-tL) m/86400

(2)

Qd为日耗热量，W；

qr为热水用水定额，L/(cap·d)；

c为水的比热容，c=4187 J/(kg·K)；

ρ为热水密度，kg/m3；

tr为热水温度，60 ℃；

tL为冷水温度，东北地区地下水温度为6～10 ℃，选取10℃；

m为用水人数。

该建筑物用水以5人计算，每人用水量为100 L，代入公式(2)得：

Qd=1211.52 W=104.675 MJ/d

在非供暖期太阳能集热器提供的最小日得热量为：

QT=866.96 MJ/d>Qd=106.475 MJ/d

即146 m2的太阳能集热器所得的太阳能的热量能够满足用户在非供暖期的生

活用水的热量。

4 经济效益分析

以文献[1]中综合能源价格法对该系统进行经济性分析。该系统费用包括两个方

面：①初投资：安装太阳能供热系统的各项材料费、人工费等；②运行费用：

在使用期间，用于系统运行和维护所耗费的费用。所谓综合能源价格，指的是

在系统使用年限内，费用总和与在此期间内系统所提供能量总和的比值。并将

系统各个时间段内的费用做净现值处理。

综合能源价格净现值表达式：

(3)

M为综合能源价格现值，RMB/MJ；

V为初投资；

n为系统有效使用年限，本文取15年；

Zn为第n年的运行费用RMB；

i为银行存款年利率，本文取3 %；

Et为第t年提供能量总计，MJ。

采用太阳能和辅助热源作为共同热源，假设除热源外的其他设备相同。并和热

源为单一天然气对比。热源的组成形式有以下6种方案：太阳能与天然气、太

阳能与电加热器、太阳能与集中供暖、太阳能与电锅炉、太阳能与生物质和天

然气。计算长春市各热源供暖和生活用水联合方案的综合能源价格表如表2所

示。 类比长春市，计算的哈尔滨市和沈阳市的各热源供暖和生活用水联合方案

的综合能源价格表如表3和4所示。

对于24 h供暖的建筑住宅在选用太阳能作为供暖热源时，由于在供暖期日照时

间的影响，其并不能够满足24 h连续供暖，因此添加辅助热源系统，并且能满

足非供暖期的生活热水所需要的热量。建筑面积为300 m2，以15a为系统的

使用年限来分析，从表2、3和4显示太阳能与集中供暖作为热源时综合能源

价格价最低，其次为太阳能与生物质、太阳能与天然气、太阳能与电加热器和

太阳能与电锅炉。与文献[8]中所计算的洛阳地区相比：当太阳能与天然气、太

阳能与电加热器和太阳能与集中供暖分别作为热源时，东北地区虽然在年运行

费用、初投资和总投资均高于洛阳地区，但上述3种方案的综合能源价格均低

于洛阳地区的综合能源价格，因此东北地区更加有利于发展太阳能供暖系统。

但以上几种方案的综合能源价格都稍高于天然气作为热源时的综合热价(相差不

大)，这主要是由于天然气系统的初投资和总投资远远低于其他五种方案，因此

太阳能供暖系统具有一定的经济性。

5 环境效益分析

由于太阳能供暖系统初投资很大，在采用太能能系统时，综合热价并不是最低

的，但是其作为一种清洁能源，由于大量吸收利用太阳能，从而可取代了大量

石化能源，可大量减少温室气体、有害气体的排放，因此，该系统具有较高的

节能减排价值和良好的环境效益。建筑面积为300 m2，以15年为有效期计算

CO2的减排量，按下式计算：

(4)

QCO2为系统预计使用年限内二氧化碳减排量，kg；

FCO2为碳排放因子，如表5所示；

Eff为设备热效率，取0.65；

ΔQsave为年总节约能量，MJ/年；

n为系统寿命，年；

W为标准煤热值，29.308 MJ/kg；

经计算长春市、哈尔滨市和沈阳市的减排二氧化碳量汇总表如表6所示。

从表6可以看出太阳能系统可有效减少CO2的排放，缓解全球气候变暖。由

于减少了化石燃料的消耗，因此同时可减少SO2和悬浮颗粒的排放，可有效降

低PM2.5的值，达到良好的环境效益。

6 结论

(1) 在东北地区太阳能供暖和热水联合系统具有一定的经济效益。当采用太阳能

和辅助热源共同体作为热源时，太阳能与集中供暖作为热源时综合能源价格价

最低，太阳能与电锅炉作为热源时综合能源价格价最高，其次为太阳能与生物

质、太阳能与天然气和太阳能与电加热器。

(2) 利用太阳能供暖和热水联合系统减少了不可再生能源消耗，可有效的降低

CO2、SO2和悬浮颗粒物的排放量，降低PM2.5的值，其环境效益显著。

参考文献：

[1]卢 奇. 太阳能低温地板辐射采暧系统的研究[D]. 南京：南京理工大学，

2013.

[2] 穆志君，刘晓婧，葛志松，等. 小型家用太阳能发电和热水系统的研究[J].

上海节能， 2013 (7): 32～37.

[3] 何梓年，朱 宁. 太阳能吸收式空调及供热系统的设计和性能[J]. 太阳能学

报， 2001， 22(1): 6～11.

[4] 刘洪杰, 刘俊峰, 李建平, 等. 太阳能供暖在张家口地区的应用[J]. 湖北农业科

学, 2013, 52(9): 2161～2163.

[5] 朱敦智，芦 潮，刘 君. 太阳能供暖技术及系统设计[J]. 建筑热能通风空

调，2007，26(2): 51～54.

[6] Shariah A M. The optimization of tank-volume-to-collector-area ratio

for a thermosyphon solar water heater[J]. Renewable Energy, 1996, 7(3):

289～300.

[7] Hobbi A, Siddiqui K. Optimal design of a forced circulation solar

water heating system for a residential unit in cold climate using

TRNSYS[J]. Solar Energy, 2009, 83(5): 700～714.

[8] 徐玉梅. 太阳能低温热水地板辐射供暖系统在别墅式建筑的应用研究[J]. 建

筑节能, 2008, 4: 64～66.

【文献来源】

/academic-journal-cn_journal-green-science-

technology_thesis/