河南化工職業(yè)學(xué)院 ■ 謝宜燕

鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院 ■ 龔咪咪 孟祥睿 馬新靈 魏新利

一 引言

隨著社會(huì)和科技的進(jìn)步，全球變暖所產(chǎn)生的影響不僅是氣候和全球環(huán)境領(lǐng)域的問題，更是一個(gè)涉及到人類社會(huì)生產(chǎn)、消費(fèi)、生活方式以及生存空間等社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域的重大問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗在我國能源總消費(fèi)中所占的比例已達(dá)到27.6%，其中近60%為采暖能耗，是同等條件下發(fā)達(dá)國家住宅單位面積采暖能耗的2～3倍[1]。高能耗不僅造成資源的浪費(fèi)，還加劇了城市的大氣污染。因此，降低能耗、推行建筑節(jié)能工作刻不容緩。利用太陽能供暖是建筑節(jié)能的有效途徑之一，太陽能取之不盡、用之不竭，成本低廉，潔凈，安全，對(duì)供暖這種低品位熱量需求時(shí)具有很大的優(yōu)勢(shì)。太陽能采暖是一種以太陽輻射為熱源，補(bǔ)償建筑物的耗熱損失，維持室溫達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的新型采暖方式，既節(jié)約了常規(guī)能源，又減少了環(huán)境污染。

近年來一種叫做太陽墻(SOLAR WALL)的新技術(shù)正在歐美一些國家悄然興起，并迅速推廣。太陽墻系統(tǒng)是太陽房的一種，用來為建筑提供保溫和通風(fēng)。它解決了目前建筑采暖中普遍存在的空氣品質(zhì)、外墻熱損失和較高燃料成本三大問題，同時(shí)很好地解決了太陽能建筑設(shè)計(jì)一體化的問題，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)與藝術(shù)的有機(jī)結(jié)合[2]。本文主要利用RETScreen軟件對(duì)我國采暖區(qū)主要城市應(yīng)用太陽墻系統(tǒng)的可行性進(jìn)行分析和研究。

二 太陽墻系統(tǒng)簡介

太陽墻系統(tǒng)原則上屬于被動(dòng)式太陽能采暖系統(tǒng)，由集熱和氣流輸送兩部分組成。集熱系統(tǒng)包括垂直墻板、遮雨板和支撐框架；氣流輸送系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)和管道。太陽墻系統(tǒng)核心組件是太陽墻板。太陽墻板是在鋼板或鋁板表面鍍上一層熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)80%[3]以上的高科技涂層，并在板上開有許多微小孔縫，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)和加工處理制成的，能最大限度地將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能。太陽墻板組成太陽墻系統(tǒng)的外殼，覆于建筑外墻的外側(cè)，太陽墻板材與墻體的間距一般在200mm左右，形成的空腔與建筑內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)的管道相連，管道中設(shè)置風(fēng)機(jī)，用于抽取空腔內(nèi)的空氣(見圖1)。太陽墻板有多種色彩選擇，易于融入建筑整體風(fēng)格。

太陽墻系統(tǒng)的工作原理：冬季室外空氣通過小孔進(jìn)入空腔，在流動(dòng)過程中獲得板材吸收的太陽輻射熱，受熱壓作用上升，進(jìn)入建筑物的通風(fēng)系統(tǒng)，然后由管道分配輸送到各層空間；同時(shí)，墻體向外散失的熱量被空腔內(nèi)的空氣吸收，在風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下被重新帶回室內(nèi)。這樣既保持了新風(fēng)量又補(bǔ)充了熱量，使墻體起到了熱交換器的作用。夏季，當(dāng)室外氣溫足夠高(一般為18℃)，不需要對(duì)空氣進(jìn)行加熱時(shí)，溫度感應(yīng)和控制器可以感應(yīng)室外溫度并控制建筑外部的節(jié)氣閥打開，新鮮的通風(fēng)空氣直接進(jìn)入建筑進(jìn)行通風(fēng)降溫。

太陽墻理想的安裝方位是南向及南偏東西20°以內(nèi)，也可考慮在東西墻面上安裝。坡屋頂也是設(shè)置太陽墻的理想位置，它可方便地與屋頂?shù)乃惋L(fēng)系統(tǒng)聯(lián)系起來。太陽墻系統(tǒng)可分為墻面型太陽墻系統(tǒng)和屋頂型太陽墻系統(tǒng)，其中墻面型太陽墻系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 墻面型太陽墻系統(tǒng)示意圖

因?yàn)樘枆υO(shè)計(jì)方便，作為外墻，美觀耐用，所以應(yīng)用范圍廣泛，可用于任何需要輔助采暖、通風(fēng)或補(bǔ)充新鮮空氣的建筑，建筑類型包括工業(yè)、商業(yè)、居住、辦公、學(xué)校、軍用建筑及倉庫等，還可以用來烘干農(nóng)產(chǎn)品，避免其在室外晾曬時(shí)因雨水或蟲害而損失。另外，該系統(tǒng)安裝簡便，可安在任何不燃?jí)w的外側(cè)及墻體現(xiàn)有開口的周圍，便于舊建筑改造。

三 我國北方采暖區(qū)主要城市太陽輻射量

表1 我國北方采暖區(qū)主要城市的日均太陽輻射量

根據(jù)采暖度日數(shù)和空調(diào)度冷數(shù)不同，我國分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ(嚴(yán)寒、寒冷、夏熱、冬冷、溫和)5個(gè)不同的氣候大區(qū)，10個(gè)不同的氣候小區(qū)。其中嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)冬季寒冷，即通常所說的北方采暖地區(qū)，這部分區(qū)域面積占我國國土面積的70%，主要包括北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、山東、河南、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆15個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)[5]。本文以北京、天津、石家莊、濟(jì)南、鄭州、太原、西安、呼和浩特、沈陽、長春、哈爾濱、蘭州、銀川、西寧、烏魯木齊共15個(gè)城市為研究對(duì)象，根據(jù)RETScreen軟件中的氣象數(shù)據(jù)庫(由美國國家航天航空局NASA提供)可得各個(gè)城市每年的日均太陽輻射量，如表1所示。

從表1中可以看出，所選的這15個(gè)城市位于我國太陽能資源分布區(qū)的二、三類地區(qū)，是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)[6]，每年的日均太陽輻射量在3.34～4.46kWh/(m2·d)，具有利用太陽能的良好條件。因此這些地區(qū)有利用太陽墻系統(tǒng)用于采暖通風(fēng)的潛力。

四 RETScreen軟件計(jì)算結(jié)果及分析

RETScreen軟件是借助于眾多來自政府、工業(yè)、學(xué)術(shù)界專家的幫助而開發(fā)的獨(dú)特決策支持工具。它可在全球范圍內(nèi)使用，用以評(píng)估各種能效、可再生能源技術(shù)(RETs)的能源生產(chǎn)量、壽命周期成本、減排量和財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。目前已在全球222個(gè)國家和區(qū)域有超過25萬個(gè)用戶[7]。該軟件的開始界面如圖2所示。本文以某一在供暖季需供暖的教室為例，應(yīng)用RETScreen軟件建立該教室的能量模型，對(duì)其安裝太陽墻系統(tǒng)的可行性做供熱量、溫室氣體減排、經(jīng)濟(jì)性等方面的研究。已知該教室的建筑面積為70m2，可容納60位學(xué)生上課，教室朝向南，南向外墻安裝太陽墻板的面積為24m2，其成本(包括安裝等費(fèi)用)是2920美元[8]。利用RETScreen軟件計(jì)算分析時(shí)的主要參數(shù)及其數(shù)值見表2。

圖2 RETScreen軟件開始界面

表2 RETScreen軟件計(jì)算分析時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)

1 年供熱量分析

年供熱量是指安裝的太陽墻系統(tǒng)每年收集的太陽輻射量。RETScreen軟件具有月資源計(jì)算的年度分析功能，可首先建立能量模型計(jì)算太陽墻板每月可利用的太陽能，然后計(jì)算太陽墻集熱板的效率和太陽能利用系數(shù)，最后得到該系統(tǒng)每年收集的太陽輻射量。計(jì)算公式為：

其中：Gcoll,i為太陽墻板某月可以利用的太陽能，i為月份；Gtilt,i為太陽墻的日平均太陽能值；fop,i為太陽能空氣加熱系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間；η為太陽墻集熱板的效率；α為集熱板的吸收率；ρ為空氣密度；Cp為空氣的比熱容；v′wind為集熱板表面的月平均風(fēng)速；Q·coll為通過集熱板的氣流速率；futil,i為利用系數(shù)；△Tact為集熱板實(shí)際平均溫度升高值；△Tavl為可獲得的溫度升高值；Qsol為集熱板每年實(shí)際收集到的太陽能總量。

根據(jù)RETScreen軟件的計(jì)算結(jié)果可知，15個(gè)城市每年收集的太陽輻射量如圖3所示。從圖3可以看出，年供熱量最大的城市是太原，可以達(dá)到5.7MWh，這是因?yàn)樘奶柲苜Y源豐富，由表1可知其日均太陽輻射量為4.46kWh/(m2·d)，是15個(gè)城市中最大的；其他幾個(gè)年供熱量較大的城市分別是呼和浩特、西寧、銀川和哈爾濱，年供熱量都在4.5MWh以上。而年供熱量最小的城市是西安，因?yàn)槲靼驳奶柲苜Y源較少，所以太陽墻每年收集的太陽輻射量只有2.2MWh。

圖3 不同城市太陽墻系統(tǒng)年收集的太陽輻射量

2 年溫室氣體減排量分析

RETScreen溫室氣體減排分析模型是由加拿大自然資源部(NRCan)，聯(lián)合國環(huán)保署(UNEP)及其能源、氣象和可持續(xù)發(fā)展中心(RISˉ URC)和世界銀行溫室氣體減排基金(PCF)共同開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)方法，并經(jīng)過政府和工業(yè)界專家小組的驗(yàn)證。在本案例中，RETScreen軟件計(jì)算太陽墻系統(tǒng)的溫室氣體(GHG)年減排量，單位是CO2t/a，同時(shí)根據(jù)溫室效應(yīng)，將CH4及N2O等其他氣體排放量轉(zhuǎn)換成等量的CO2排放量，其計(jì)算結(jié)果見表3。從表中可見年溫室氣體減排量最多的城市是太原，為5.6t/a；而年溫室氣體減排量最少的城市是西安，為2.3t/a。雖然，這些減排量看起來很少，但是這只是24m2太陽墻板的年溫室氣體減排量，如果一個(gè)城市的住宅、工廠、學(xué)校等都安裝了太陽墻系統(tǒng)，那么每年的溫室氣體減排量將達(dá)上千萬t，可大大減少對(duì)環(huán)境的污染。

表3 不同城市的溫室氣體年減排量

3 經(jīng)濟(jì)性分析

RETScreen軟件通過一些重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如簡單回收期、凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率和資金回報(bào)率等對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)性分析，從而全面評(píng)估太陽墻系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 不同城市太陽墻系統(tǒng)的內(nèi)部收益率和資金回報(bào)率

圖5 不同城市太陽墻系統(tǒng)的凈現(xiàn)值

簡單回收期(SP)是指用每年的節(jié)省值來抵消成本投入所需的年數(shù)，簡單回收期越短說明項(xiàng)目收回成本的年數(shù)越短，項(xiàng)目的可行性越大。15個(gè)城市太陽墻系統(tǒng)的簡單回收期如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)項(xiàng)目壽命期是30年時(shí)，簡單回收期最短的是太原，是5.6年，說明在太原安裝太陽墻系統(tǒng)只需5.6年即可收回成本；而簡單回收期最長的是西安，為13.6年。另外，北京、濟(jì)南和鄭州的回收期也較長，簡單回收期都在10年以上，而其他城市的簡單回收期則在10年以內(nèi)。

收益－成本(B-C)比率是指項(xiàng)目收益和成本的比率，當(dāng)其值大于1時(shí)表示該項(xiàng)目有利可圖。本例中15個(gè)城市太陽墻系統(tǒng)的收益－成本比率如圖7所示。從圖7可以看出，15個(gè)城市太陽墻系統(tǒng)的收益－成本比率都大于1，說明這15個(gè)城市安裝太陽墻系統(tǒng)都是有經(jīng)濟(jì)效益的，即在經(jīng)濟(jì)上都是可行的。其中太原的收益－成本比率最大，為2.49，說明收益大于成本，經(jīng)濟(jì)性較好；而西安的收益成本比率最小，只有1.03，說明收益和成本基本相當(dāng)，收益稍大于成本。

通過上面的計(jì)算和分析可知，這15個(gè)城市安裝太陽墻系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上都是可行的，其中太原因當(dāng)?shù)靥柲苜Y源豐富，簡單回收期只有5.6年，凈現(xiàn)值可達(dá)4365美元，收益－成本比率為2.49，在該地區(qū)安裝太陽墻系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)利益非?？捎^，在經(jīng)濟(jì)上具有較大的吸引力和競(jìng)爭性。相比之下，西安安裝太陽墻系統(tǒng)的凈現(xiàn)值只有93美元，簡單回收期長達(dá)13.6年，收益－成本比率只有1.03，經(jīng)濟(jì)利益較小，吸引力和競(jìng)爭性不強(qiáng)。

五 結(jié)論

通過對(duì)我國北方采暖區(qū)15個(gè)主要城市安裝太陽墻系統(tǒng)的可行性進(jìn)行分析和研究，得出以下結(jié)論：

(1)我國北方采暖區(qū)主要城市的太陽能資源豐富或較豐富，具有利用太陽能的良好條件，對(duì)于所選的墻板面積為24m2、吸收率為0.95的太陽墻系統(tǒng)來說，每年收集的太陽輻射量范圍是2.2～5.7MWh，其中西安收集的太陽輻射量最小，太原收集的太陽輻射量最大。

(2)對(duì)于一塊墻板面積為24m2、吸收率為0.95的太陽墻系統(tǒng)來說，我國北方采暖區(qū)這15個(gè)城市的年溫室氣體減排量分別是2.3～5.6 CO2t/a，大大減少了對(duì)環(huán)境的污染。

(3)我國北方采暖區(qū)的這15個(gè)城市及相關(guān)區(qū)域安裝太陽墻系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上都是可行的，以所選的墻板面積為24m2、吸收率為0.95的太陽墻系統(tǒng)為例，其內(nèi)部收益率和資金回報(bào)率的最大值是21.2%，凈現(xiàn)值最大為4365美元，簡單回收期最短是5.6年(項(xiàng)目壽命期為30年)，收益－成本比率最大可達(dá)2.49，經(jīng)濟(jì)利益可觀、具有較強(qiáng)的吸引力和競(jìng)爭性的城市是太原。

綜上可知，我國北方采暖區(qū)所有地區(qū)都適合安裝太陽墻系統(tǒng)，且部分地區(qū)的經(jīng)濟(jì)利益可觀，具有利用太陽墻系統(tǒng)進(jìn)行供暖的巨大潛力和良好前景。

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[5]胥小龍. 北方采暖地區(qū)供熱計(jì)量及節(jié)能改造政策[J]. 建設(shè)科技, 2008, 7:1－33.

[6]羅運(yùn)俊, 何梓年, 王長貴. 太陽能利用技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[7]RETScreen International. Empowering Cleaner Energy Decisions[EB/OL]. http://www.retscreen. net/ang/home.php.

[8]RETScreen International.Clean Energy Project Analysis Software:Case studies and Templates[EB/OL]. http://www.retscreen.net/ang/case_studies_classroom_canada.php.