韋新東，王譽潔

吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境學(xué)院,長春 130118

1 概述

近年來,隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展與人民生活水平的顯著提高,我國社會對環(huán)境保護與能源節(jié)約的意識日益提高,加之環(huán)境污染現(xiàn)狀嚴(yán)峻,霧霾天氣頻發(fā),保護環(huán)境勢在必行,而清潔能源的使用對控制環(huán)境惡化有著不可替代的作用.我國是一個幅員遼闊、供暖區(qū)域較大的國家,北方供熱地區(qū)的建筑供熱能耗占全國建筑總能耗的40 %,是建筑能耗的重要組成部分[1].采暖期由于煤炭等傳統(tǒng)化石燃料的燃燒會嚴(yán)重污染大氣,例如SO2,NO2,CO2和顆粒物等[2].太陽能由于其零污染的特性而備受關(guān)注,若能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到城市供熱工程中,必定對改善城市環(huán)境產(chǎn)生巨大的推動作用.東朝陽[3]在其研究中預(yù)測了2050年世界能源結(jié)構(gòu)如表1所示,結(jié)果顯示太陽能的能源占比例將高達(dá)50 %.

表1 2050年世界能源結(jié)構(gòu)預(yù)測

目前,太陽能熱水系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展已較為成熟,但是太陽能供熱技術(shù)尚未得到廣泛應(yīng)用.倫敦、東京等地均為世界上太陽能利用情況較好的地區(qū),而我國,即使在太陽能資源相對貧乏的地區(qū),年總輻射量也接近東京,高于倫敦[4],所以我國在太陽能的開發(fā)利用上具有巨大的發(fā)展?jié)摿?

目前,在北京、山東和浙江等地均有太陽能供熱的試點區(qū)域,而東北地區(qū)對太陽能資源利用卻相對較少.楊雪等[5]人在我國東北地區(qū)利用太陽能的研究中對吉林省城鄉(xiāng)人口分布做出預(yù)估,結(jié)果表明,截至2020年,非城市人口仍會達(dá)到吉林省總?cè)丝诘?0 %左右,所以農(nóng)村住戶數(shù)量較多,加之城市中存在一定數(shù)量的別墅群,可以認(rèn)為吉林省獨立式住宅保有量是非?？捎^的.

由于太陽能利用技術(shù)及太陽能自身存在的局限,太陽能的區(qū)域供熱技術(shù)尚需進一步發(fā)展與完善[6],大規(guī)模的集中供熱目前較難實現(xiàn),故本文擬以吉林省長春市為例,選取供熱面積相對較小的獨立式住宅進行太陽能供熱系統(tǒng)的可行性研究,以便為長春地區(qū)別墅或農(nóng)村住宅利用太陽能供熱提供參考.

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

在對長春市大多數(shù)獨立式住宅建筑面積調(diào)研的基礎(chǔ)上,本文選取建筑面積280 m2的獨立住宅作為研究太陽能供熱系統(tǒng)可行性的對象.

供熱系統(tǒng)熱源采用太陽能+輔助熱源的形式,具體熱源組合為太陽能+煤炭、太陽能+天然氣、太陽能+電和太陽能+生物質(zhì)等4種形式,并將上述4種熱源組合形式與以煤炭為唯一熱源的供熱系統(tǒng)進行對比分析.

2.2 研究方法

為使太陽能資源物盡其用,本文所涉太陽能供熱系統(tǒng)除采暖季供暖、供應(yīng)熱水外,還需在非采暖季供應(yīng)日常生活用熱水.長春市采暖期為169 d,節(jié)能居住建筑采暖熱指標(biāo)為45 W/m2.水平面月平均太陽輻照度見表2.

表2 長春市水平面月平均日太陽輻照度

長春市氣象參數(shù)見表3.由表2～表3[7]可知,長春市月平均日太陽輻照度的最低值出現(xiàn)在12月份,因此,根據(jù)《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50495-2009)[8],本文所涉計算均以12月份的月平均日太陽輻照度為依據(jù),由于太陽能無法保證24 h持續(xù)供應(yīng),當(dāng)太陽能供熱系統(tǒng)無法滿足供熱需求時由加設(shè)的輔助熱源予以補充.

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果[9-10],本文對太陽能集熱器效率取值選取為40 %.下文將對所需的太陽能集熱器集熱總面積進行計算,以判斷其是否符合并滿足技術(shù)性要求.

表3 長春市氣象參數(shù)

利用綜合能源價格法對不同熱源供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行分析,其計算公式如下[11]:

(1)

式中,M為綜合能源價格現(xiàn)值,人民幣元/MJ;I為初投資,人民幣元;n為系統(tǒng)有效使用年限,a;On為第n年的運行費用,人民幣元;Ot為第t年提供的總能量,MJ;i為銀行貸款年利率,%.

與以煤炭為唯一熱源的供熱系統(tǒng)相比,通過計算太陽能供熱系統(tǒng)在有效使用年限內(nèi)的CO2減排量來對其環(huán)保性進行分析,以直觀地反映太陽能供熱系統(tǒng)的環(huán)保意義與價值.按文獻[12]本文所涉CO2排放量計算公式如下:

(2)

式中,QCO2為系統(tǒng)有效使用年限內(nèi)CO2排放量,t;QA,d為輔助熱源的日供熱負(fù)荷,MJ/d;n為系統(tǒng)有效使用年限內(nèi)的供暖天數(shù),d,按有效使用年限n=15取值即15年×169采暖天數(shù)/年=2 535 d;FCO2為二氧化碳排放因子[12],kg CO2/kgce:煤FCO2=2.662，天然氣FCO2=1.481，電FCO2=3.175，生物質(zhì)FCO2=1.399;W為輔助熱源標(biāo)準(zhǔn)煤熱值,按29.31 MJ/kgce計;Eff為設(shè)備效率,燃煤鍋爐效率按65 %計、天然氣鍋爐效率按85 %計、電鍋爐效率按90 %計、生物質(zhì)鍋爐效率按85 %計.

3 結(jié)果與討論

3.1 技術(shù)性分析

計算建筑采暖熱負(fù)荷:

QR=qF×FR=45×280=12 600 W

式中,QR為采暖期建筑熱負(fù)荷,W;qF為居住建筑熱指標(biāo),W/m2;FR為建筑采暖面積,m2.

所需集熱器集熱總面積計算公式如下,所需參數(shù)取值均參照《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50495-2009)[8]:

(3)

式中,Ac為集熱器集熱總面積,m2;QR為建筑采暖熱負(fù)荷,W;JT為當(dāng)?shù)鼐暥葍A角集熱器采光面12月份的月平均日太陽輻照度,MJ/(m2·d),按表3取值為13.12 MJ/(m2·d);f為太陽能保證率,%,取值為25 %;ηcd為集熱器平均集熱效率,%,取值為40 %[13];ηL為管路及貯熱裝置熱損失率,%,取值為15 %[14]。

由式(3)計算結(jié)果可得Ac=61.012 m2,最終集熱器總面積選定為62 m2,建筑面積與集熱器面積比例符合設(shè)計要求.

輔助熱源熱負(fù)荷:

QA,d=QR,d-QS,d

(4)

式中,QA,d為輔助熱源日供熱負(fù)荷,MJ/d;QR,d為建筑采暖日熱負(fù)荷,MJ/d;QS,d為太陽能日供熱負(fù)荷,MJ/d.

建筑采暖日熱負(fù)荷:

太陽能日供熱負(fù)荷:

QS,d=JT×Ac×ηcd×(1-ηL)=13.12×62×0.4×(1-0.15)=276.57 MJ/d

由式(4)可得輔助熱源日供熱負(fù)荷:

QA,d=1 088.64-276.57= 812.07 MJ/d

建筑熱水供應(yīng)系統(tǒng)的日耗熱量計算公式如下[15]:

QW,d=qrMρc(th-tc)/1 000

(5)

式中,QW,d為熱水供應(yīng)系統(tǒng)日耗熱量,MJ/d;qr為熱水用水定額,L/(人·d),本文取值為100 L;M為用水人數(shù),該住宅用水人數(shù)按5人計;c為熱水比熱,kJ/(kg·℃),按4.18 kJ/(kg·℃)計取;ρ為熱水密度,取th溫度下對應(yīng)的密度,取值為0.983 3 kg/L[16];th為熱水溫度,60 ℃;tc為冷水溫度,長春地區(qū)地下水溫按10 ℃[17]計取.

將上述數(shù)值代入式(5)可得:QWd=100×5×4.18×0.983 3×(60-10)/1 000=102.75 MJ/d

由上述計算結(jié)果可知:QW,d

3.2 經(jīng)濟性分析

本文采用綜合能源價格法[18]研究不同熱源組合形式供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性,該方法反映了供熱系統(tǒng)在有效使用年限內(nèi)的初投資(設(shè)備費、施工費等)和運行費用(燃料費、維修費等)的累計值與對應(yīng)年限內(nèi)所供總能量之間的比值,因此,可較好地體現(xiàn)其經(jīng)濟性.

計算分析比較中,假設(shè)除輔助熱源設(shè)備外其他設(shè)備均相同,并忽略銀行貸款年利率的變化且年貸款利率按i=2 %計取,鍋爐的有效使用年限按n=15年[18]計取.經(jīng)對長春市各類燃料進行多方調(diào)研與統(tǒng)計,其市場價格及熱值如表4所示.

表4 長春地區(qū)燃料參數(shù)

由于本文假設(shè)除輔助熱源設(shè)備外其他設(shè)備均相同,因此可以認(rèn)為散熱器及室內(nèi)管線、附件等設(shè)備是相同的,根據(jù)工程經(jīng)驗可知,以上費用為25元/m2～35元/m2[1],按 30元/m2計取;據(jù)市場調(diào)研,太陽能集熱器價格為350元/m2;目前供暖工程中的維修費率為2.5 %[1],維修費 = 固定資產(chǎn)原值×維修費率.確定各項費用并根據(jù)式(1)計算綜合能源價格,結(jié)果如表5所示.

表5 不同系統(tǒng)經(jīng)濟效益計算

由表5可知,不同熱源供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析結(jié)果從優(yōu)至劣的排序依次為煤炭、太陽能+煤炭、太陽能+生物質(zhì)、太陽能+天然氣和太陽能+電,與傳統(tǒng)煤炭供熱系統(tǒng)相比,太陽能+輔助熱源供熱系統(tǒng)在經(jīng)濟性方面并無優(yōu)勢.這是由于與煤炭供熱系統(tǒng)相比,太陽能供熱系統(tǒng)的設(shè)備費較高即初投資較大造成的.

3.3 環(huán)保性分析

長春市目前供熱熱源以煤炭為主,為比較采暖季與非采暖季室外大氣的空氣質(zhì)量狀況,本文對長春市2018年全年室外大氣部分污染物濃度進行了連續(xù)監(jiān)測,并應(yīng)用IBM SPSS Statistics 24軟件對所測污染物濃度數(shù)據(jù)進行了差異性分析,差異顯著性P值越大,差異越不顯著,差異顯著性P值越小,差異越顯著,而且僅當(dāng)P<0.05時對差異顯著性的分析才具有統(tǒng)計學(xué)意義.PM 2.5,SO2,NO2等3種污染物濃度測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果如表6～表8所示.

由表6～表8可見,采暖期內(nèi),3種污染物差異顯著性的逐月變化規(guī)律大致相同即呈先增后減,其中采暖末期差異顯著性最低,采暖中期差異顯著性最高,采暖初期差異顯著性居于上述二者之間.采暖月份與非采暖月份的P值顯示,3種污染物均差異顯著,相比之下NO2污染物較顯著,這表明以煤炭為主要熱源的供熱形式會對大氣產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響,因此有必要優(yōu)化供熱熱源結(jié)構(gòu).

表6 采暖月份與非采暖月份之間PM 2.5濃度差異顯著性P值

注：粗體數(shù)值<0.05表示差異顯著,下同.

Note: Bold numerical values represent significant differences, the same as below.

表7 采暖月份與非采暖月份之間SO2濃度差異顯著性P值

表8 采暖月份與非采暖月份之間NO2濃度差異顯著性P值

此外,還可以從不同熱源供熱系統(tǒng)的CO2排放量及其減排量指標(biāo)上去研究環(huán)保性.由式(2)計算不同熱源供熱系統(tǒng)在系統(tǒng)有效使用年限內(nèi)的CO2排放量及其減排量,以說明環(huán)保效果.為便于比較分析,不同熱源供熱系統(tǒng)的CO2減排量均以煤炭供熱系統(tǒng)為基準(zhǔn)即CO2減排量等于煤炭供熱系統(tǒng)的CO2排放量與不同熱源供熱系統(tǒng)的CO2排放量之差.計算結(jié)果如表9所示.

表9 不同熱源供熱系統(tǒng)CO2減排量

通過太陽能+輔助熱源供熱系統(tǒng)與煤炭供熱系統(tǒng)的比較,可以看出太陽能用于供熱系統(tǒng)可有效減少CO2的排放.由表9可見,減排效果從優(yōu)至劣的排序依次為太陽能+生物質(zhì)、太陽能+天然氣、太陽能+電、太陽能+煤炭和煤炭,即無論選擇何種熱源作輔助熱源,與傳統(tǒng)煤炭供熱系統(tǒng)相比,其CO2減排量均有不同程度的提高,環(huán)保效果得到一定改善,CO2減排量大小主要與太陽能供量、輔助熱源性質(zhì)及熱設(shè)備效率有關(guān).相關(guān)研究[19]表明,減少煤炭等化石燃料的使用同樣可有效減少PM 2.5,SO2,NO2的排放量.這不僅可以緩解全球氣候變暖壓力,而且對整個大氣環(huán)境的改善也有明顯的積極作用.

3.4 能源性分析

利用模糊綜合評價理論[20]對不同熱源的能源性進行分析.首先,確定能源性評價指標(biāo)集U={u1,u2,…,um},其中um表示不同熱源供熱系統(tǒng)能源性某個評價指標(biāo),m表示評價指標(biāo)個數(shù).參照相關(guān)研究成果[1,20],本文設(shè)定評價指標(biāo)集U={u1,u2,u3,u4,u5}={能源的可再生性u1,能源的安全性u2,能源的可得性u3,能源的供給持續(xù)性u4,能源的能量密度u5}.根據(jù)實際分析案例,確定評價集Vjk={v1,v2,v3,..,vn},并利用評價集對不同熱源供熱系統(tǒng)的某個評價指標(biāo)um進行評價賦分;參照相關(guān)研究成果[1,21],本文給定評價集Vjk={v1,v2,v3,v4,v5}={極好=9,較好=8,中等=7,一般=6,差=5},賦分結(jié)果見表10.

表10 不同熱源供熱系統(tǒng)能源性評價指標(biāo)的評價值

按重要程度對能源性的評價指標(biāo)進行排序并賦分,參照相應(yīng)研究成果[1,22]并結(jié)合本文研究情況,排序結(jié)果假定為能源的可再生性,能源的安全性,能源的可得性,能源的供給持續(xù)性,能源的能量密度;可在滿足評價指標(biāo)重要性與賦分值大小成正比的條件下,由決策者自主賦分,因賦分的不同只會影響計算數(shù)值,而不會影響具體結(jié)果,故本文假定最大賦分值為9, 并據(jù)此以1.8為公差依次進行遞減,即評價指標(biāo)u1,u2,u3,u4,u5的重要性賦分值分別為9,7.2,5.4,3.6,1.8,進而可得到兩兩評價指標(biāo)間的對比的相對重要性,見表11.

表11 不同熱源供熱系統(tǒng)能源性評價指標(biāo)相對重要性

如將相對重要性量化,并用rij表示,則其含義是指評價指標(biāo)ui的重要性賦分值與評價指標(biāo)uj的重要性賦分值之間的比值.當(dāng)rij<1時代表uj比ui重要,當(dāng)rij=1時代表ui與uj同等重要,當(dāng)rij>1時代表ui比uj重要.

由上采用兩兩評價指標(biāo)對比倒數(shù)法建立如式(6)所示的5(m=5)階矩陣:

(6)

經(jīng)對比,重要性向量A=(α1,α2,α3,α4,α5)T與矩陣R每行的各元素之和成正比,即:

(7)

由此可得:

(8)

對式(8)中各元素進行歸一化處理后得A=(0.333 4,0.266 6,0.200 0,0.133 4,0.066 6)T,則A為矩陣R的權(quán)向量.

最后,利用上述數(shù)據(jù)便可計算優(yōu)度,具體公式如下:

(9)

式中,Mj為第j種熱源能源性優(yōu)度;Aj為第j種熱源能源性綜合評價值;Vjk為第j種供熱形式第k個評價指標(biāo)的評價值;αk為權(quán)向量A中對應(yīng)的各權(quán)重分量賦值.

利用式(9)計算不同熱源供熱系統(tǒng)能源性的優(yōu)度,其結(jié)果見表12.

表12 不同熱源供熱系統(tǒng)能源性優(yōu)度分析

由表12可知,不同熱源供熱系統(tǒng)的能源性優(yōu)度按降序的排序依次為太陽能+生物質(zhì)、太陽能+電、太陽能+天然氣、太陽能+煤炭和煤炭,所以在上述5種熱源形式的供熱系統(tǒng)中,太陽能+生物質(zhì)供熱系統(tǒng)的優(yōu)度最高(最佳),煤炭供熱系統(tǒng)的優(yōu)度最低(最劣).

3.5 綜合評價

綜合技術(shù)性、經(jīng)濟性、環(huán)保性和能源性的分析結(jié)果,可以認(rèn)為太陽能+輔助熱源供熱系統(tǒng)應(yīng)用在長春市獨立住宅中具有可行性,與傳統(tǒng)煤炭供熱系統(tǒng)相比,太陽能供熱系統(tǒng)雖然在經(jīng)濟性方面無優(yōu)勢,但環(huán)保性和能源性分析結(jié)果均優(yōu)于煤炭供熱系統(tǒng),且理論上技術(shù)可行,因此,可以認(rèn)為太陽能供熱系統(tǒng)在長春市獨立式住宅中具有應(yīng)用可行性.

4 結(jié)論

(1)按長春市緯度傾角平面太陽輻照度最低的12月份的月平均日太陽輻照度計算,該獨立式住宅的太陽能供給可滿足非采暖季該住宅的生活熱水供應(yīng).

(2)技術(shù)性分析結(jié)果表明,太陽能供熱系統(tǒng)理論上具有應(yīng)用可行性;經(jīng)濟性分析結(jié)果表明,從優(yōu)至劣的排序依次為煤炭、太陽能+煤炭、太陽能+生物質(zhì)、太陽能+天然氣和太陽能+電供熱系統(tǒng),太陽能供熱系統(tǒng)在經(jīng)濟上無優(yōu)勢;環(huán)保性分析結(jié)果表明,從優(yōu)至劣的排序依次為太陽能+生物質(zhì)、太陽能+天然氣、太陽能+電、太陽能+煤炭和煤炭供熱系統(tǒng);能源性分析結(jié)果表明,從優(yōu)至劣的排序依次為太陽能+生物質(zhì)、太陽能+電、太陽能+天然氣、太陽能+煤炭和煤炭供熱系統(tǒng).

(3)綜合評價結(jié)果表明,太陽能供熱系統(tǒng)在長春市獨立式住宅中的應(yīng)用具有可行性.