李耿華 師紅濤 李 娟

隨著世界能源危機的進一步嚴峻化,如何開發(fā)利用可再生能源已引起了世界各國的重視,而房屋建設(shè)中的節(jié)能技術(shù)則成為了人們關(guān)注的重點。我國房屋建設(shè)的節(jié)能問題已經(jīng)成為社會的全局問題,太陽能建筑作為一項有效的節(jié)能措施在我國逐漸受到社會各界的廣泛關(guān)注[1]。在太陽能熱利用系統(tǒng)中,太陽能供熱系統(tǒng)(包括太陽能供熱水系統(tǒng)和太陽能供暖系統(tǒng))最先實用化。太陽能熱泵供熱系統(tǒng)自20世紀50年代由Jordan和Threlkeld提出后,國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究工作,并開發(fā)出多種形式的太陽能熱泵系統(tǒng),并已投入工程應(yīng)用[2-4]。

1 太陽能熱泵供熱系統(tǒng)

將在低溫時集熱效率較高的太陽能集熱器和蒸發(fā)溫度較高時系統(tǒng)效率較高的熱泵系統(tǒng)相結(jié)合,采用太陽能加熱系統(tǒng)來作為熱泵系統(tǒng)的熱源,這種太陽能與熱泵聯(lián)合運行的系統(tǒng)被稱為太陽能熱泵系統(tǒng)(如圖1所示)。太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的優(yōu)點[7]使得它受到了廣泛的關(guān)注,文獻[6]以哈爾濱地區(qū)為評價地區(qū)對太陽能熱泵的經(jīng)濟性進行了分析,得出太陽能熱泵供熱值得大力推廣和應(yīng)用?，F(xiàn)以青島市為評價地區(qū)進行經(jīng)濟性分析,來考察太陽能熱泵供熱系統(tǒng)在青島市的可行性。

2 四種供熱系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟評價

2.1 初期投資比較

2.1.1 太陽能熱泵供熱系統(tǒng)

根據(jù)青島市的氣象資料,平均太陽輻射功率為:

其中,H為青島市年太陽輻射總量,取 H=4.7×109kJ/(m2?年);T為青島市年總?cè)照諘r間,取 T=2 541.2 h/年;Pb為平均太陽能集熱器吸熱功率,W/m2;βγ為太陽輻射的利用系數(shù),取βγ=0.85;ηγ為太陽能熱泵集熱器的熱效率,取ηγ=0.70。

熱泵供熱系統(tǒng)平均單位面積集熱器當(dāng)量吸熱功率為:

其中,COP為太陽能熱泵的平均供熱系數(shù),取COP=3.5。

要滿足供熱功率0.7 MW,需要的集熱器面積為:

單位面積集熱器費用按550元計算(其中包括壓縮機機組的費用、工質(zhì)費用、管路費用、安裝費用、調(diào)試費用、輔助件費用等),設(shè)備和控制室的費用與鍋爐房的費用相當(dāng),按50 000元計算,則太陽能熱泵系統(tǒng)的初期投資費用為:

其中,Msb為太陽能熱泵供熱系統(tǒng)設(shè)備和控制室的費用,取Msb=50 000元;Rb為單位面積集熱器價格,取 Rb=550元/m2。

2.1.2 燃油、燃氣和電加熱鍋爐供熱系統(tǒng)

燃油、燃氣和電加熱鍋爐初期投資費用相當(dāng)。按目前的市場價格,一臺0.7 MW 的鍋爐及相關(guān)附件為100 000元,鍋爐房設(shè)備費用 50 000元和安裝、調(diào)試費用5 000元,則燃油、燃氣和電加熱鍋爐供熱系統(tǒng)的初期投資為:

從上面的分析計算結(jié)果看,太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的初期投資費用約為其他三種供熱系統(tǒng)的5倍～6倍。

2.2 年運行費用的比較

工作人員工資按12 000元/年計算,設(shè)備的維護、維修費按初期投資的1%計算,各系統(tǒng)的年運行費用計算如下。

2.2.1 太陽能熱泵供熱系統(tǒng)

太陽能熱泵系統(tǒng)運行費用主要是壓縮機耗費的電能,對于供熱功率為0.7×106W、供熱性能系數(shù)為3.5的太陽能熱泵系統(tǒng),壓縮機的耗電功率為:

其中,Dy為年計算時間,取Dy=365 d;Mm為工作人員年管理工資費用,取 Mm=12 000元/年;Mcr為太陽能熱泵初期投資,取 Mcr=847 775元;Wz為維護折算系數(shù),取 Wz=1%。

2.2.2 燃油鍋爐供熱系統(tǒng)

燃油鍋爐的系統(tǒng)運行費用主要集中在燃油費用上,此處不計其耗電費用。燃油鍋爐效率按85%計算,熱功率為0.7×106W時,每小時耗油量為:

其中,qy為柴油熱值,取 qy=42 700 kJ/kg;ηy為燃油鍋爐效率,取 ηy=85%。

2.2.3 燃氣鍋爐供熱系統(tǒng)

燃氣鍋爐的系統(tǒng)運行費用主要集中在燃氣費用上,此處不計其耗電費用。燃氣鍋爐效率按85%計算,熱功率為0.7×106W時,每小時耗氣量為:

其中,qq為天然氣熱值,取 qq=34 000 kJ/kg;ηq為燃氣鍋爐效率,取 ηq=85%。

燃氣鍋爐每天燃氣費用為:

燃氣鍋爐每年的運行費用為:

其中,Mcq為燃氣鍋爐初期投資,取 Mcq=155 000元。

2.2.4 電加熱鍋爐供熱系統(tǒng)

電加熱鍋爐供熱系統(tǒng)的運行費用全部為耗電費用,其每天運行的耗電費用為:

其中,Mcd為電加熱鍋爐初期投資,取Mcd=155 000元。

通過計算結(jié)果表明:在供熱功率相同的條件下,電加熱鍋爐的年運行費用最高,其次是燃油鍋爐與燃氣鍋爐,太陽能熱泵系統(tǒng)最低。

2.3 綜合評價

假設(shè)電加熱鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐、太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的壽命期都為15年[7],系統(tǒng)殘值為10%,以電加熱鍋爐為基準,上述供熱系統(tǒng)按靜態(tài)分析比較的結(jié)果見表1。

表1 各種供熱系統(tǒng)靜態(tài)經(jīng)濟性比較(相對電加熱鍋爐)

則壽命期滿后,太陽能熱泵總費用最小,其次是燃氣鍋爐,再次是燃油鍋爐,電鍋爐費用最高。

利用動態(tài)的年計算費用法進行比較,其計算公式[8]為 :

其中,Z為按動態(tài)法計算的年計算費用,元/年;K為投資額,元;i為利率,%,取 i=5.94%;m為使用年限,按 m=15計算;C為年運行費用,元/(m2?年)。

按上式計算所得數(shù)值最小的方案是最優(yōu)方案。其計算結(jié)果如表2所示。

表2 動態(tài)的年計算費用 元/年

由表2可知:太陽能熱泵系統(tǒng)最優(yōu),其次是燃氣鍋爐,再次是燃油鍋爐,最后是電加熱鍋爐。

從靜態(tài)或動態(tài)的初期投資和運行費用綜合方面比較來看,在目前的燃料價格和銀行利率條件下,當(dāng)供熱功率相等時,上述四種供熱系統(tǒng),以太陽能熱泵供熱系統(tǒng)最經(jīng)濟。

3 結(jié)語

本文以青島市0.7 MW 供熱功率為對象,對太陽能熱泵、燃油鍋爐、燃氣鍋爐和電加熱鍋爐四種供熱系統(tǒng)進行了初期投資、運行費用等影響因素的綜合技術(shù)經(jīng)濟分析和比較,得出以下結(jié)論:

1)太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的初期投資較大,為 847 775元,而用鍋爐供熱系統(tǒng)的初期投資均為155 000元。

2)在四種供熱系統(tǒng)中,太陽能熱泵的年運行費用最低,為299 943.65元/年;電加熱鍋爐最高,為 991 680.65元/年。通過靜態(tài)和動態(tài)技術(shù)經(jīng)濟分析比較,太陽能熱泵系統(tǒng)在壽命期內(nèi)的經(jīng)濟性最優(yōu),其次是燃氣鍋爐,再次是燃油鍋爐,最后是電加熱鍋爐。

[1] 仲繼壽.太陽能建筑發(fā)展的中國之路[J].太陽能,2008(12):34-37.

[2] 曠玉輝,王如竹.太陽能熱泵供暖系統(tǒng)的實驗研究[J].太陽能學(xué)報,2002,23(4):408-413.

[3] 韓宗偉,鄭茂余,劉 威,等.嚴寒地區(qū)太陽能—土壤源熱泵相變蓄熱供暖系統(tǒng)[J].太陽能學(xué)報,2006,27(12):1214-1218.

[4] 陳林根,孫豐瑞,陳文振.太陽能動力裝置集熱器最佳工作溫度[J].太陽能學(xué)報,1991,12(2):191-195.

[5] 韓宗偉,鄭茂余,李忠建,等.太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性分析[J].太陽能學(xué)報,2008,29(10):1242-1246.

[6] 白永峰,胡永峰.太陽能熱泵供熱系統(tǒng)經(jīng)濟性分析[J].煤炭工程,2007(10):31-34.

[7] 鄭瑞澄.《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》編制要點[J].建筑節(jié)能,2008(11):49-53.

[8] 石久勝,韓 晶.太陽能開水器的經(jīng)濟性分析[J].節(jié)能技術(shù),2005,23(132):372-374.