《暖通空调》| 基于供暖应用的太阳能资源适宜性评价

摘要

项目前期，工程技术人员常通过分析项目所在地的太阳能资源丰富程度，初步判断采用太阳能供暖的可能性和合理性。但是传统太阳能资源评价方法忽视了不同纬度地区太阳能季节性波动的巨大差异，且未反映太阳能设备的实际使用时长，不能客观表征太阳能供暖设备投资收益，导致评价结论失真。提出以项目所在地供暖期的太阳辐照量指标为基础，通过计算太阳能设备的静态投资回收期，建立了太阳能供暖适宜性区划方法，为太阳能供暖工程前期决策提供了相对准确的评价依据。该指标综合反映了太阳能的能量密集程度（强度量）和可利用的时间长度（广延量），具有较好的适用性。

关键词

太阳能资源；太阳能供暖；评价；适宜性区划；太阳辐照度；太阳能贡献率

中国建筑西南设计研究院有限公司

石利军 戎向阳 司鹏飞 赵雨晗

0 引言

太阳能资源决定了太阳能技术应用的可行性，因此供暖项目初期，工程技术人员常根据太阳能资源分区,通过分析项目所在地的太阳能资源丰富程度，初步判断采用太阳能供暖的可能性。

但是，上述方法以全年太阳辐照量为依据，一方面忽视了不同纬度地区太阳能季节性波动的差异，另一方面不能客观反映太阳能设备的实际使用时长，导致评价结论存在偏颇。

1 现有评价方法

1.1 基于全年利用的适宜性评价

QX/T 89—2018《太阳能资源评估方法》以全年水平面太阳能总辐照量为指标，对太阳能的丰富程度进行评估，给出了我国年水平面总辐照量等级，如表1所示。工程技术人员常采用该分区方法，通过对太阳能资源丰富程度的评估，初步分析太阳能供暖技术应用的可能性和合理性。

但是，由于不同地区全年太阳能逐月的分布规律不同，采用全年评价的方法可能存在偏差。以低纬度的拉萨（纬度为29.65°）和高纬度的乌鲁木齐（纬度为43.82°）为例（如图1所示），乌鲁木齐夏季月平均总辐照量约是冬季的4.3倍，即高纬度地区冬季和夏季太阳辐照量存在巨大差异；而拉萨夏季月平均总辐照量约是冬季的1.5倍，即低纬度地区冬季和夏季太阳辐照量差异相对较小。可见，不同地区逐月太阳能资源变化差异很大，因此，以全年的太阳能资源作为供暖工程判断依据会造成评价结果失真。

1.2 基于太阳能保证率的适宜性评价

对于太阳能供暖工程，另一种适宜性评价方法是基于太阳能供暖保证率（太阳能供暖系统中由太阳能供给的热量占太阳能集热系统设计负荷的百分率）进行评价。该方法采用典型建筑模型，通过变化应用场景，分析太阳能集热量与建筑供暖耗热量之间的关系，计算出太阳能全年的保证率，基于不同的保证率数值对当地太阳能资源应用于供暖工程的适宜性进行区划。该方法从供暖使用效果的角度对太阳能应用适宜性进行评价，比采用太阳能资源分区进行评价更科学。

但是，工程应用中选择某个技术或系统往往会关注其投资收益情况，而基于太阳能供暖保证率的适宜性评价方法难以准确反映技术应用的经济性。以表2中给出的拉萨、丁青地区全年和供暖期太阳辐照量为例：拉萨属于太阳能资源分区的I区，丁青属于太阳能资源分区的Ⅱ区，即拉萨较丁青太阳能资源更丰富；而且拉萨属于寒冷地区，丁青属于严寒地区，在同样的建筑与相同的太阳能集热面积条件下，拉萨的年供暖耗热量小于丁青，太阳能保证率则高于丁青，若按基于太阳能供暖保证率的评价方法进行评价，即可认为拉萨比丁青更适宜利用太阳能供暖。但是，丁青供暖期比拉萨长74 d, 整个供暖期单位面积集热器接收的太阳辐照量比拉萨大28%左右，单位面积集热器实际收益（太阳能年供热量和节约的能耗费用）更多，相同太阳能供暖系统的投资回收期则更短。从经济角度看，丁青比拉萨更适宜太阳能供暖技术的应用。可见，基于太阳能供暖保证率的适宜性评价方法难以充分反映太阳能供暖系统应用的技术经济性。

2 评价指标的建立方法

供暖工程项目实施前期对太阳能资源评估的主要目的是判断项目所在地太阳能资源的丰富程度和可利用潜力，从而初步分析太阳能供暖技术应用的合理性和经济性。考虑到供暖期的水平面太阳总辐照量，既反映了太阳能资源的丰富程度，又蕴含了太阳能供暖设备年总的使用时间长度，一方面可反映太阳能的能量密集程度（强度量）,另一方面也能体现太阳能可利用的时间长度（广延量）,能更客观地判断一个地区是否适合利用太阳能供暖。

2.1 水平面总辐照量的统计原则

对于真空或平板集热系统，总辐照量为供暖期水平面上太阳总辐照量的累计值；对于聚光式太阳能集热系统，由于其只能利用太阳直射辐射，不能聚集散射辐射，因此总辐照量应为供暖期水平面上太阳直射辐照量的累计值。

2.2 考虑经济性的适宜性评价指标

结合太阳能集热器的平均集热效率、合理的安装方位角与倾角，通过计算全寿命周期内单位太阳能供暖设备的投入与产出，可得到太阳能供暖设备的回收期，以此作为分区依据。

由于太阳能供暖的节能低碳效益符合国家节能低碳政策要求，所以经济评价指标可不考虑资金的时间成本，以静态投资回收期作为区划指标。

考虑到太阳能供暖设备的理论寿命为20 a，利用静态投资回收期和其对比后，可得太阳能供暖应用的适宜性区划，如表3所示。

静态投资回收期按照式（1）进行计算：

式中 I为单位太阳能供暖设备（集热与蓄热设备）的增量投资，元；R为单位太阳能供暖设备供热量的年节约能耗费用，元/a；IA为单位太阳能集热设备的增量投资，元；IS为单位太阳能供暖蓄热设备的增量投资，元；η为太阳能集热器的平均集热效率；Im为供暖期的水平面累计太阳总辐照量（对于采用聚光型集热器的太阳能供暖项目，应为累计直射辐照量），kW·h/a；ω为单位太阳能供暖设备供热量的价格，元/（kW·h）。

根据对太阳能供暖设备的产品性能与市场价格调研，确定式（1）中各项基本参数，如表4所示。

3 分析与讨论

3.1 供暖期水平面总辐照量分布

根据JGJ/T 346—2014《建筑节能气象参数标准》提供的气象参数，对不同地区实际供暖期水平面上太阳总辐照量的累计值进行统计，利用ArcMap作图，可得到全国与西藏供暖期水平面上太阳总辐照量分布，如图2与图3所示。

3.2 供暖期水平面总直射辐照量分布

对于聚光式太阳能供暖系统，由于其只能利用太阳直射辐射部分，而各地直射和散射比例分布规律存在巨大差异，因此需依据当地气象参数剔除散射辐射部分，以供暖期的直射辐照量作为太阳能资源评估的依据，图4给出了我国供暖期水平面直射辐照量分布。

3.3 基于经济性的太阳能区划

对我国主要城市的太阳能供暖设备在全寿命周期内的节约能耗费用及回收期按式（1）进行计算，并按表3进行区划。图5为全国太阳能供暖适宜性区划图，图6为西藏地区太阳能供暖适宜性区划图。可以看出，基于供暖应用的我国太阳能资源I区主要集中在青藏高原，如那曲、定日、帕里、若尔盖等地。该类地区具有供暖期长、太阳辐照度大的特点，如若尔盖的供暖期为237 d，单位面积集热设备年节约能耗费用为126.1元/m2,回收期为9.3 a; 西藏定日县供暖期为202 d， 单位面积集热设备年节约能耗费用为153.6元/m2，回收期为7.7 a。

部分地区由于供暖期较短，太阳能供暖设备全年实际工作时间不足，导致不能充分发挥其节能效益，由传统太阳能资源区划的Ⅱ区变成了太阳能供暖适宜性区划的Ⅲ区或Ⅳ区，如四川省甘孜州的巴塘县（供暖期为60 d）。

3.4 高纬度地区的特殊性分析

部分高纬度地区，由于全年太阳能资源冬夏分布的差异巨大，按传统区划方法，多个地区年总辐照量>5 000 MJ/m2，属太阳能资源最丰富或很丰富地区。但按基于供暖应用的区划方法，大部分地区划分到了Ⅲ区或Ⅳ区，如新疆阿勒泰等地区。该地区年水平面太阳辐照量累计值为5 489 MJ/m2，按传统方法评估适宜利用太阳能供暖；但从图7中月太阳辐照量分布可以看出，该地区在需要供暖的冬季日照时间短且辐照度小，1月水平面太阳辐照量累计值仅为173 MJ/m2，反而在不需要供暖的夏季，月水平面太阳辐照量累计值达到了760 MJ/m2。

3.5 适宜性区划的资源要素分析

决定是否适宜采用太阳能供暖的太阳能资源要素有两方面：一方面为供暖期长短，即太阳能可利用的时间长度（广延量），在供暖期足够长的地区，如那曲、阿里等地，供暖期水平面太阳辐照量累计值会远大于辐照度相当、供暖期较短的拉萨地区，从而使得太阳能供暖设备使用率大大增加，回收期变短；另一方面为供暖期太阳能的能量密集程度（强度量），在供暖期相同时，水平面太阳辐照度越大，太阳能供暖设备回收期越短。两者的综合影响则可通过供暖期水平面上太阳总辐照量这一指标来反映。

4 结论

1）现有太阳能资源评价方法基于全年利用的角度进行评价，由于不同地区冬夏季太阳能资源变化较大，以全年的太阳能资源作为供暖工程判断依据会造成评价失真。

2）基于太阳能保证率的资源评价方法与供暖需求密切相关，供暖负荷越小，供暖保证率越高，难以充分反映太阳能供暖系统应用的技术经济性。

3）提出以供暖期的水平面太阳总辐照量累计值作为评价当地太阳能资源是否适宜供暖应用的关键指标。该指标一方面可反映太阳能的能量密集程度（强度量），另一方面也能体现太阳能可利用的时间长度（广延量）。以当地实际供暖期的水平面太阳总辐照量累计值为基础，将其代入经济性指标中，通过计算太阳能供暖设备的投资回收期，充分反映太阳能供暖设备的实际供热量和投入产出比，能更好地评判采用太阳能供暖的地域适宜性。

4）对于聚光式太阳能供暖系统，由于其只能利用太阳直射辐射部分，而各地直射和散射比例分布规律存在巨大差异，因此需依据当地气象参数剔除散射辐射部分，以供暖期的直射辐照量作为太阳能资源评估的基础计算参数。

5）随着太阳能供暖技术的持续发展，供暖成本进一步降低，太阳能供暖设备的投资回收期也会变短，资源区划有可能发生变化。