小户住宅太阳能热泵供暖的技术经济分析

小户住宅太阳能热泵供暖的技术经济分析1太阳能热泵采暖简介住宅建筑的采暖和热水供应是我国的能源消耗的一个重要方面。化石能源的大量消耗，使我国的能源供应面临巨大的挑战，而且造成了严重的环境污染。因此研究使用清洁的可再生能源－太阳能进行供热具有重要意义。主动式太阳能采暖又可分为直接式和间接式。所谓直接式就是由太阳能集热器加热的热水或空气直接被用来供暖。所谓间接式就是集热器加热的热水或者空气温度通过热泵提高后再供暖。图1太阳能热泵采暖与热水供应原理图本文以一个单户住宅建筑为研究对象，假定为100平方米，其耗热量指标为50W/m2，采暖室内设计温度为20℃，温度低于8℃即进行采暖。热泵以集热器的集热水箱为低位热源，热泵的制热系数在3~4之间。集热器采用平板型，由于集热温度低，集热效率大大提高，大约在0.6~0.75之间，对集热器的要求也很低，造价大大降低，大约在300元~600元之间，使用寿命为15年以上。设置备用天然气锅炉。太阳能负责24小时的热负荷，集热器正南向放置，倾斜角等于当地纬度。该系统同时负责生活热水供应，每日240L。2分析方法2.1全年逐时模拟目前的太阳能利用系统的经济分析一般以月平均值进行分析，由于需求与供给之间的不匹配，太阳能未必转化为有用收益。比如，太阳能热水供应中，夏天收集的热量往往用不完，只能放掉。本文以典型气象年的逐时气象数据为基础，对太阳能利用系统进行工况模拟，在此基础上进行经济分析[1]。中国幅员辽阔，地区差异很大，本文只选择几个典型城市进行分析。2.2综合能源价格目前，评价太阳能利用系统的经济性大多采用净收益现值和投资回收年限两种方法，这两种方法均侧重于对太阳能利用系统本身投资、收益状况进行分析。而对太阳能利用系统进行经济分析的目的是，确定针对使用者而言最为经济合理的方案，即相对于获得所需能量、资金投入量少的方案。为此，本文采用综合能源价格法[2]。能源价格指的是购买一定种类能源的费用。它在一定意义上代表了或开采或生产这种能源并传送至使用终端的资金消耗。对于供热供冷的系统，在其有效使用期限内的资金投入主要用于：1）初投资：安装供热供冷系统；2）运行费用：在使用期间系统的运行和维护费用。综合能源价格的含义是在有效使用年限内初投资和使用费用的累计综合值与在此期间所提供能量总和的比值。它是一个将初投资考虑在内的全面反映经济分析对象相对于提供单位能量所需费用的参数。考虑到资金的动态特性，即不同时期支出货币的价值是不相等的，本文在经济分析过程中，将综合能源价格进行现值处理。即通过将不同时期投人的资金统一折现为初投资年现值的方法，使资金投入时间和数量各不相同的不同类型供热（冷）的综合能源价格，在同等价值条件下进行比较。式中：M——综合能源价格现值，RMB／MJ；V——初投资，RMB；t——计算年数；n——系统有效使用年限；Z——第t年使用费用，RMB；i——银行存款年利率；本文忽略通货膨胀对银行年利率的影响，i取常数。Et——第t年提供能量总计，MJ；3太阳能热泵采暖的经济性分析3.1基本情况分析模拟年限为15年，逐日模拟。系统运行方式为：采暖季节，太阳能热泵运行，热量不足时，由锅炉补充；其他季节，热泵停止运行，集热器供应热水，不足的热量由锅炉补充。模拟结果见表1。表1太阳能热泵采暖的经济性地点集热面积m2初投资元运行费元燃料量Nm3用电量kwh总投资元综合热价元/MJ北京29.52194229262106152872512040.064拉萨22.21899338377345157370629120.060上海28.3214661391139724199353770.071在北京和拉萨，太阳能热泵采暖可以和天然气锅炉竞争。在上海，仍处于劣势。3.2影响因素分析以北京为例，进行下面的分析（1）太阳能每日采暖小时数的影响一天中太阳能负责的小时数在8小时左右时，综合热价最低。但负担8小时和24小时的综合热价相差不多（10%左右），对于集热面积充足（比如3层以下的建筑），如果需要整日采暖，可由太阳能负责24小时。而对于需要整日采暖的多层或高层建筑，可由太阳能只负责白天的采暖，而让太阳能负责更多楼层的采暖，这样既提高了经济性，又充分利用了太阳能。对于主要在白天使用的建筑，如教学楼、办公楼等，用太阳能热泵采暖就更加合适。图2太阳能负责采暖小时数对综合热价的影响（2）辅助热源的影响运行费用在太阳能热泵采暖中占有一定的比例，如果使用电加热，整个采暖系统的经济性变差，总投资增加了17%。表2辅助能源对太阳能热泵经济性的影响热源初投资元运行费用元总投资元综合热价元/MJ太阳能热泵+电锅炉2194237688596300.0749太阳能热泵+天然气2194229262512040.064（3）生活热水用量的影响曲线存在一个最低点。当日热水用量为900L时，系统的经济性最好。900L的60℃热水的热量相当于该建筑的采暖用热量的45%。但一般家庭的每日用水量均小于900L，因此在实际用水范围内，热水用量越大，经济性越好。图3生活热水用量对太阳能热泵经济性的影响4太阳能热泵的节能与环境效益分析以北京为例，（1）附加能源的环保税后太阳能系统的经济性电价：0.85元/kwh，天然气：2.5元/Nm3表3增加环保税后的经济性热源初投资（元）运行费用（元）总投资（元）综合热价（元/MJ）太阳能热泵2194228645505870.0953天然气锅炉258537003395880.0746由于热泵需要消耗大量的电能，增加环保税以后，煤电的价格大升，太阳能热泵的经济性变差，比天然气锅炉高27.7%，失去竞争力。（2）节能性分析表3太阳能热泵的节能性热源电（kwh）天然气(Nm3)一次能源(kg标煤)节约一次能源（kg标煤）太阳能热泵35248707153135267天然气锅炉016511205800假定热电转换综合效率为0.3，折合成一次能源后，太阳能热泵比天然气锅炉大约节约25%的标煤，其节能性并没有想象的那么显著。（3）环境效益分析表4太阳能热泵环境效益分析热源粉尘（kg）SO2(kg)NOx(kg)CO2(kg)太阳能热泵28.54364.69729.82441387天然气锅炉0095.76433319较之天然气锅炉，太阳能热泵的SO2与NOx的排放总量与之大体持平，粉尘量多28.543kg，CO2排放量多12%，另外还可能有热泵中的CFCs。因此在以煤电为主的地区，太阳能热泵的环境效益不如天然气锅炉。5结论(1)太阳能热泵比天然气锅炉节能，其节能性并没有想象的那么显著。(2)在以煤电为主的地区，太阳能热泵的环境效益在本文的分析条件下不如天然气锅炉。(3)生活热水的用量，对整个系统的经济性有较大的影响。在实际用水范围内，热水用量越大，经济性越好。(4)不同地区，气象条件、能源价格有很大差异，系统的经济性、节能性和环境效益不同，应具体分析。参考文献：[1]于国清.建筑物太阳能供热与空调的技术经济分析.长沙：湖南大学，2003[2]李军.家用太阳能热水器的经济性分析.太阳能学报，2002，23(5)：564-570