趙 翔，徐 偉

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭 014017)

近幾十年期間，太陽能得到了大量研究者的關(guān)注和研究，光伏和太陽能集熱器是將太陽能轉(zhuǎn)化為供人類使用的清潔能源主要研究領(lǐng)域。相比于光伏，太陽能集熱器具有更低的碳排放和更高的能源效率，但是能源利用范圍單一。光伏則應(yīng)用范圍廣，不僅可以自發(fā)自用，還可以余電上網(wǎng)，獲得更多的外部收益。相比較于光伏，太陽能集熱器需要更多的屋頂可安裝面積來容納水箱等設(shè)備，且屋頂設(shè)計(jì)荷載必須支持住水箱的荷載，因此集熱器相比與光伏的應(yīng)用范圍受到限制。所以在住宅屋頂上安裝光伏，還是太陽能集熱器備受爭議。

光伏、集熱器系統(tǒng)、光伏與集熱器耦合系統(tǒng)從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等單一角度評(píng)價(jià)不能充分說明該系統(tǒng)的價(jià)值潛力大小，而是需要綜合多方面因素共同考慮。張小蓮等[1]通過模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)多站融合能源互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到了最佳開發(fā)多能源互補(bǔ)系統(tǒng)的選址。徐偉等[2]利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)光伏建筑進(jìn)行了技術(shù)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益進(jìn)行了評(píng)價(jià)，最終得到該項(xiàng)目綜合效益為優(yōu)；趙泰等[3]從5個(gè)角度構(gòu)建了某綠色建筑的模糊度綜合評(píng)價(jià)模型，得到該評(píng)價(jià)建筑綠色效果為深綠，該模型具有較大的實(shí)用性。

本文將從太陽能集熱器和光伏的對(duì)比研究出發(fā)，分別從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和利用率角度分析光伏和集熱器系統(tǒng)價(jià)值潛力，并利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)3個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)估，以期可為太陽能集熱器和光伏投資建設(shè)投資者和低碳節(jié)能相關(guān)研究研究提供參考。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古包頭市，研究生公寓樓共17層，每層每戶住4人。集熱器采用PMH200型平板集熱器，水平安裝，集熱器面積為2 m2，共54組，安裝傾角為12°，日太陽能輻射量為18.29 MJ/m2，屋頂集熱器平面位置布置如圖1所示。水箱容積為9 000 L，水溫加熱到60 ℃時(shí)，溫度控制系統(tǒng)將控制集熱器不再對(duì)水箱進(jìn)行加熱。當(dāng)太陽能熱水不充足時(shí)，由高溫鍋爐進(jìn)行輔熱。設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量11 340.01 L/h，設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量為2 334 145.31 kJ/h，陽光充足時(shí)每天可以生產(chǎn)6 t的熱水。

圖1 內(nèi)蒙古科技大學(xué)27研究生公寓樓屋頂集熱器平面布置概況 mm

2 技術(shù)潛力

2.1 公寓樓熱水需求量估算

在實(shí)際使用過程中，當(dāng)水箱溫度達(dá)到60 ℃時(shí)集熱器就不再工作，所以根據(jù)公寓樓用水需求特征計(jì)算出實(shí)際熱水量。由于公寓樓熱水淋浴系統(tǒng)還未投入使用，所以根據(jù)人均用水量計(jì)算出需求熱水量。根據(jù)采訪調(diào)查結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，大部分學(xué)生在天冷的冬季每周洗澡兩次，夏季大部分每天都洗，涼爽的春秋大部分學(xué)生每周洗澡3次，假設(shè)按大部分同學(xué)每周洗澡次數(shù)統(tǒng)計(jì)，去除掉寒暑假，假設(shè)全年洗澡次數(shù)為120次/人，每次用水約30 L，公寓樓能容納住戶2 304人，假設(shè)熱水全部由集熱器供應(yīng),則太陽能年實(shí)際產(chǎn)熱水量為8.2 944×106L,將其從10 ℃加熱到60 ℃需要熱量1 706 913 285 kJ，對(duì)應(yīng)的節(jié)電量為499 097.4 518 kWh，需要集熱器面積為844 m2。如果全部由光伏發(fā)電供應(yīng)，需要410 W的光伏板面積為1 478 m2。

Qactual-sun-water=Lactual-sun-water×ρwater×CW×(t1-t0)

(1)

式中：Qactual-sun-water為熱水供應(yīng)系統(tǒng)年產(chǎn)熱水量對(duì)應(yīng)的產(chǎn)熱量，kJ；Lactual-sun-water為集熱器年實(shí)際產(chǎn)熱水量，L；ρwater為水溫60 ℃時(shí)水的密度，983 kg /m3；CW為水的定壓比熱容，4.187 kJ/(kg·℃)。

2.2 太陽能集熱器的技術(shù)潛力

太陽能集熱器通過吸收太陽光，將光能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存在水中，假設(shè)集熱器一直處于工作狀態(tài)，通過式(2)和(3)[4]計(jì)算出集熱器理論生產(chǎn)的熱水量和對(duì)應(yīng)的節(jié)電量。太陽能豐富度、吸熱涂層、表面污染物都會(huì)影響集熱器熱水的效率[5]，公寓樓屋頂采用的是平板型集熱器，平板集熱器相比較于傳統(tǒng)集熱器具有效率高、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[6]。利用PVsyst軟件模擬光伏和集熱器一年內(nèi)不同月份表面所接收的平均日太陽能輻射量，如表1所示。

表1 集熱器、光伏板日接收太陽輻射量

Qhot-water=HD×AS×η0×(1-η1)×f

(2)

(3)

式中：Lsun-water為太陽能日產(chǎn)熱水量，L；HD為集熱器采光面日太陽能輻射量，kWh/m2/d；η0為集熱器轉(zhuǎn)化效率，取50%；η1為儲(chǔ)水箱和管路的熱損失率，取20%；f為太陽能保證率，取80%；Qhot-water為集熱器日產(chǎn)熱水量對(duì)應(yīng)的產(chǎn)熱量，kJ；Esun-water為集熱器的節(jié)電量，(kW·h)；η2為作為基準(zhǔn)的常規(guī)能源的能效比，取95%。

太陽能集熱器在寒暑假不工作，理論年產(chǎn)熱水量為835 866.4 243 L，不能滿足公寓樓年總熱水需求量。在4～6月份日產(chǎn)熱水量在全年日熱水量最多，約日產(chǎn)4 000 L熱水，在太陽輻射量低的月份日熱水量在2 000 L左右，最低出現(xiàn)在12月份，日產(chǎn)熱水量僅為1 681 L，太陽能集熱器均不能夠滿足公寓樓用水的需求，不能滿足的部分由高溫鍋爐補(bǔ)償。根據(jù)公式(3)，將太陽能集熱器產(chǎn)生的熱水消耗的熱量換算成電氣消耗的所需要電量為50 296.44 126 kW·h。由于集熱器在學(xué)生放寒暑假期間不運(yùn)行，相對(duì)應(yīng)的浪費(fèi)電量與對(duì)應(yīng)的理論節(jié)電量之比為能源浪費(fèi)率，數(shù)值為21.3%。

(4)

式中：μ為能源浪費(fèi)率；EA為相對(duì)應(yīng)的浪費(fèi)節(jié)電量，kW·h；ET為對(duì)應(yīng)的年理論節(jié)電量，kW·h。

2.3 光伏的技術(shù)潛力

由于在學(xué)校公寓樓安裝太陽能集熱器只能給公寓樓供應(yīng)洗澡熱水，加上寒暑假學(xué)生放假，造成經(jīng)濟(jì)收益受到限制。如果在公寓樓安裝光伏，光伏不僅可以為公寓樓提供熱水，還可以為公寓樓供電，在熱水充足的情況下，剩余的電量可以上網(wǎng)和自發(fā)自用獲取收益，在理想的情況下能源浪費(fèi)率為0。

光伏最佳傾角安裝能使光伏板接收到更多的太陽輻射[7]，增加光伏的全年發(fā)電量。光伏板表面上附著的灰塵如果不及時(shí)處理，灰塵堆積會(huì)影響光伏的發(fā)電量[8]。在緯度越高的地區(qū)，為了減少光伏陣列間陰影的影響必須擴(kuò)大陣列間的間距，從而減小了光伏裝機(jī)容量[9]。假設(shè)光伏板最佳傾斜角度安裝，方位角朝南，采用戶棚式安裝。根據(jù)屋頂表面情況，光伏板尺寸為2 m×1 m，單片峰值功率為410 W，18塊光伏板組成一單元，單元之間間距為1.2 m作為人工通道，共有6個(gè)光伏單元，光伏裝機(jī)容量為44 280 W，系統(tǒng)效率取86%，光伏的年發(fā)電量為72 919 kWh。

3 經(jīng)濟(jì)與環(huán)境潛力

3.1 公寓樓熱水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收益

經(jīng)濟(jì)效益不僅受太陽能輻射量和晴陰天的影響，還會(huì)受到學(xué)生洗澡次數(shù)和洗澡時(shí)長的影響。按照每人每年洗澡次數(shù)共120次和每次用水30 L，每升熱水0.1元計(jì)算，則經(jīng)濟(jì)收益為每人每年360元，按照2 304人計(jì)算，則每年收益為82.944萬元。

產(chǎn)生的熱水主要供應(yīng)對(duì)象是學(xué)生，集熱器的經(jīng)濟(jì)收益只能來自沐浴熱水費(fèi)，經(jīng)濟(jì)收益單一。假設(shè)集熱器生產(chǎn)的熱水全部由學(xué)生消納，集熱器每年生產(chǎn)熱水835 866.4243 L，則來自集熱器部分每年經(jīng)濟(jì)收益為83 586.6元。

光伏的經(jīng)濟(jì)收益可以來自熱水和余電上網(wǎng)收益，上網(wǎng)電價(jià)為0.2 829元/(kW·h)，光伏生產(chǎn)的熱水量為995 224 L，上網(wǎng)電量為16 028 kW·h，則來自光伏的經(jīng)濟(jì)收益為104 056 元。

3.2 環(huán)境效益

根據(jù)集熱器碳足跡制程地圖和相關(guān)文獻(xiàn)分析[10-11]，生產(chǎn)集熱器需要用到玻璃、鍍鋅角鋼、鋁合金、不銹鋼、銅、聚氨酯泡沫、橡膠泡沫以及水和電力，如表2所示，各產(chǎn)品碳排放系數(shù)來自于中國產(chǎn)品全壽命周期溫室氣體排放系數(shù)庫。

表2 集熱器從搖籃到大門產(chǎn)生的碳足跡

單晶硅碳排放高于多晶硅碳排放,光伏的碳排放受生產(chǎn)材料的獲取方式、運(yùn)輸距離等因素影響[12-15],多晶硅光伏碳排放系數(shù)在0.7～1.7 kgCO2e/W，本文選取來自英國一建筑屋頂4 kW單晶硅光伏系統(tǒng)，碳排放系數(shù)為2.97 kgCO2e/W。

內(nèi)蒙古電網(wǎng)的電力主要來自火電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電、核電和水電，以及其它電網(wǎng)調(diào)過來的電。很多研究者直接使用煤電的碳排放因子測(cè)算碳減排效益，這對(duì)測(cè)算結(jié)果造成極大不準(zhǔn)確性。本文使用來自中國產(chǎn)品全壽命周期溫室氣體排放系數(shù)庫中2020年內(nèi)蒙古電網(wǎng)排放因子1.054 tCO2e/MWh。經(jīng)過計(jì)算，集熱器的全年節(jié)電量為67 325 kWh，碳排放回收期需45 d，光伏全年發(fā)電量為72 919 kWh，光伏的碳排放回收期為1.7 a。

4 模糊綜合評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)集熱器、光伏和光伏與集熱器耦合系統(tǒng)，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)模型，使用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)3個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。利用隸屬度將子標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，利用數(shù)學(xué)的方法使研究結(jié)果更加令人信服。

4.1 模糊綜合評(píng)價(jià)思路

1)確定評(píng)價(jià)對(duì)象因素集和權(quán)重向量，評(píng)價(jià)對(duì)象因素指標(biāo)集U={熱水產(chǎn)量，節(jié)電量，經(jīng)濟(jì)收益，碳回收期，能源利用率}；2)確定評(píng)價(jià)對(duì)象評(píng)語集，V={差、一般、良好、優(yōu)秀}；3)確立模糊關(guān)系綜合評(píng)價(jià)隸屬度矩陣；4)將隸屬矩陣與指標(biāo)權(quán)重模糊合成；5)根據(jù)隸屬度最大原則或者加權(quán)平均法確定最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

4.2 權(quán)重的確定

利用熵值法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，利用3個(gè)系統(tǒng)計(jì)算得到的5個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行歸一化處理，得到無量綱的矩陣P，再將無量綱矩陣處理成變異矩陣Pij，下一步計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的熵值，最后計(jì)算出每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重W，最終得到的權(quán)重大小分別為熱水產(chǎn)量0.2 047、節(jié)電量0.2 047、經(jīng)濟(jì)收益0.2 047、碳回收期0.1 951、能源浪費(fèi)率0.1 908。

4.3 模糊隸屬度函數(shù)

隸屬度的計(jì)算方式主要有兩種方法：1)模糊統(tǒng)計(jì)法。該方法是制定大量的問卷打分表，然后計(jì)算隸屬等級(jí)所占的比，該方法計(jì)算出的隸屬度相對(duì)主觀；2)通過隸屬度函數(shù)計(jì)算，隸屬度A(x)函數(shù)值域?yàn)閇0，1]，隸屬度A(x)越接近于1，則表明x屬于A的程度越高，隸屬度等于1為完全隸屬于A，隸屬度A(x)越接近于0，則x越不隸屬于A，隸屬度等于0為完全不屬于。目前大部分研究者使用的是指派型隸屬度函數(shù)中的梯形隸屬度函數(shù)，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的特點(diǎn)選取相對(duì)應(yīng)的梯形隸屬度函數(shù)。梯形隸屬度函數(shù)模型有線性上升型、線性下降型、三角形和梯形[16]，依據(jù)x的特點(diǎn)來選取合適的隸屬度函數(shù)模型，本文主要使用的是線性上升型和線性下降型。

線性上升型：

(5)

線性下降型：

(6)

隸屬度評(píng)價(jià)指標(biāo)邊界的確定能影響對(duì)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果。該項(xiàng)目公寓樓年總熱水需求量高達(dá)829萬升，而3個(gè)設(shè)計(jì)的能源系統(tǒng)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用水需求，都需要依靠高溫鍋爐補(bǔ)償。集熱器系統(tǒng)有更高的熱水效率，能節(jié)約更多的用來燒熱水的電量。由于光伏可以余電上網(wǎng)，且可以在集熱器系統(tǒng)不工作時(shí)間段仍可發(fā)電上網(wǎng)，獲取更多的經(jīng)濟(jì)收益。集熱器具有更低的碳排放，而光伏的全生命周期碳排放相對(duì)較高。集熱器的能源浪費(fèi)率比光伏高。評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)語等級(jí)邊界如表3所示.

表3 各指標(biāo)評(píng)語等級(jí)

4.4 模糊合成算子

模糊合成算子分為4種，大部分研究者使用的是M(·，⊕)[17]，該模糊合成算子能相比較于其他3種算子能充分利用隸屬度矩陣R，能更明顯的體現(xiàn)權(quán)數(shù)的作用。

(7)

式中：ai為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量子集；rij為隸屬度向量子集。

4.5 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

由于得到的隸屬度向量離散度太小，隸屬度最大原則不適用，所以利用線性加權(quán)的方法得到最終評(píng)價(jià)結(jié)果。設(shè)置邊界50為差、65一般、80良好、95為優(yōu)秀，最終得到的結(jié)果是集熱器系統(tǒng)得分最高為74.3，評(píng)價(jià)結(jié)果為良好，隸屬度為0.622。光伏和集熱器耦合系統(tǒng)得分較高為71.4，評(píng)價(jià)結(jié)果為一般，隸屬度為0.574。光伏系統(tǒng)得分最低為63.4，評(píng)價(jià)結(jié)果為一般，隸屬度為0.841，評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示。

表4 隸屬度評(píng)價(jià)結(jié)果

5 節(jié)能系統(tǒng)分析

無論是從減排力度還是經(jīng)濟(jì)收益角度看，相同安裝面積的集熱器都優(yōu)于光伏。由于寒暑假，集熱器的能量損耗比光伏嚴(yán)重，如果安裝光伏，可以通過余電上網(wǎng)的模式降低能量損耗。基于此，對(duì)集熱器系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)和集熱器和光伏耦合系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析，3個(gè)系統(tǒng)安裝面積分別為108、216和216 m2，其中光伏集熱器耦合系統(tǒng)是光伏和集熱器各占屋頂可利用面積一半，分別計(jì)算了3個(gè)節(jié)能系統(tǒng)熱水產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)收益、節(jié)電量和能源浪費(fèi)率，結(jié)果如圖2所示。

1—熱水產(chǎn)量(萬L)；2—經(jīng)濟(jì)收費(fèi)(萬元)；3—節(jié)電量(萬kW·h)；4—能源浪費(fèi)率(%)。

集熱器和光伏耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和碳減排效益優(yōu)于光伏系統(tǒng)，耦合系統(tǒng)年產(chǎn)熱水量1.33×106L，節(jié)約電量8.68×104kW·h，經(jīng)濟(jì)收益為每年13.562萬元。如果屋頂全部安裝太陽能集熱器，則年產(chǎn)熱水量達(dá)1.67×106L，節(jié)電量為1.01×105kW·h，運(yùn)營期經(jīng)濟(jì)收益16.72萬元，但是寒暑假期間會(huì)造成能源浪費(fèi)現(xiàn)象，但是碳回收期僅需45 d，而耦合系統(tǒng)碳回收期需要287 d，能源浪費(fèi)率降低到13.5%。

熱水量的多少受到初始水溫的影響，夏季水溫較高，能通過更少的能量產(chǎn)生更多的熱水，集熱器的轉(zhuǎn)化效率比光伏高，所以在夏季優(yōu)先考慮使用集熱器。

集熱器由于附帶體積較大的水箱，減小屋頂可安裝面積，且對(duì)屋頂環(huán)境要求較高，而光伏對(duì)屋頂要求低且具有更多的安裝面積。

集熱器的系統(tǒng)效率不僅取決于轉(zhuǎn)化效率還取決于水箱保溫?fù)p失率，環(huán)境溫度越低，水箱熱損失率越高。

內(nèi)蒙古地區(qū)在2018年擁有建筑屋頂面積1.74×109m2,若全部安裝集熱器和光伏耦合系統(tǒng),可利用面積系數(shù)取0.5,則內(nèi)蒙古地區(qū)建筑屋頂可節(jié)電約3.491×1011kW·h，碳減排量約為3.679×108t，2021年內(nèi)蒙古地區(qū)碳排放總量為843.398 873 4 MtCO2[18]，為內(nèi)蒙古地區(qū)減碳力度約貢獻(xiàn)0.044%。

只考慮熱水量、節(jié)電量、碳回收期和經(jīng)濟(jì)收益，集熱器系統(tǒng)最優(yōu)。盡管集熱器能源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，但是綜合熱水產(chǎn)量、節(jié)電量、經(jīng)濟(jì)收益、碳回收期和能源浪費(fèi)率5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，集熱器系統(tǒng)仍是得分最高。

6 結(jié) 論

太陽能集熱器相比于光伏具有更好的碳減排效益和經(jīng)濟(jì)收益，但是能源使用用途單一，而光伏與集熱器耦合系統(tǒng)可以應(yīng)用到電力和熱力領(lǐng)域，使用用途廣，但是減排力度和經(jīng)濟(jì)效益低于集熱器熱水系統(tǒng)。該項(xiàng)目集熱器系統(tǒng)相比較于其它兩個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)，評(píng)價(jià)結(jié)果為良好，隸屬度為0.622。對(duì)于建筑屋頂安裝集熱器還是光伏，本文給出建議如下。

(1)在電力需求量大的地區(qū)，建議安裝光伏和集熱器耦合系統(tǒng)，因?yàn)榧療崞鞯男时裙夥?，在滿足基本熱水需求的情況下，剩余屋頂面積安裝光伏。

(2)在碳排放強(qiáng)度大的地區(qū)優(yōu)先考慮安裝集熱器來降低該地區(qū)碳排放，促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

(3)在學(xué)校、賓館、酒店等具有熱水需求量變化較大的地區(qū)，避免能源浪費(fèi)，應(yīng)優(yōu)先考慮安裝光伏和集熱器耦合系統(tǒng)，在熱水需求量小的情況下通過光伏發(fā)電上網(wǎng)能獲得更多經(jīng)濟(jì)收益。

(4)對(duì)于家庭住宅建筑建議安裝集水器和光伏耦合系統(tǒng)，住宅建筑熱水需求量相對(duì)穩(wěn)定，且用能多元化，所以在滿足基本生活熱水下，剩余屋頂安裝光伏，該系統(tǒng)已在國外有成功案例。

(5)對(duì)于工商業(yè)建筑屋頂，由于用電量大且電費(fèi)相比較于居民用電貴，建議安裝光伏來獲取更多的經(jīng)濟(jì)收益。

(6)對(duì)于屋頂面積較小且荷載不能滿足要求的情況下，考慮安裝光伏，例如農(nóng)村瓦房、彩鋼瓦、年代較久遠(yuǎn)的建筑屋頂。

(7)對(duì)于溫度較低的北方地區(qū)建議安裝光伏，溫度較溫和的地區(qū)建議安裝集熱器。