太阳能热泵供热系统的应用及经济性分析

李耿华 师红涛 李 娟

随着世界能源危机的进一步严峻化,如何开发利用可再生能源已引起了世界各国的重视,而房屋建设中的节能技术则成为了人们关注的重点。我国房屋建设的节能问题已经成为社会的全局问题,太阳能建筑作为一项有效的节能措施在我国逐渐受到社会各界的广泛关注[1]。在太阳能热利用系统中,太阳能供热系统(包括太阳能供热水系统和太阳能供暖系统)最先实用化。太阳能热泵供热系统自20世纪50年代由Jordan和Threlkeld提出后,国内外学者进行了大量的研究工作,并开发出多种形式的太阳能热泵系统,并已投入工程应用[2-4]。

1 太阳能热泵供热系统

将在低温时集热效率较高的太阳能集热器和蒸发温度较高时系统效率较高的热泵系统相结合,采用太阳能加热系统来作为热泵系统的热源,这种太阳能与热泵联合运行的系统被称为太阳能热泵系统(如图1所示)。太阳能热泵供热系统的优点[7]使得它受到了广泛的关注,文献[6]以哈尔滨地区为评价地区对太阳能热泵的经济性进行了分析,得出太阳能热泵供热值得大力推广和应用。现以青岛市为评价地区进行经济性分析,来考察太阳能热泵供热系统在青岛市的可行性。

2 四种供热系统的技术经济评价

2.1 初期投资比较

2.1.1 太阳能热泵供热系统

根据青岛市的气象资料,平均太阳辐射功率为:

其中,H为青岛市年太阳辐射总量,取 H=4.7×109kJ/(m2◦年);T为青岛市年总日照时间,取 T=2 541.2 h/年;Pb为平均太阳能集热器吸热功率,W/m2;βγ为太阳辐射的利用系数,取βγ=0.85;ηγ为太阳能热泵集热器的热效率,取ηγ=0.70。

热泵供热系统平均单位面积集热器当量吸热功率为:

其中,COP为太阳能热泵的平均供热系数,取COP=3.5。

要满足供热功率0.7 MW,需要的集热器面积为:

单位面积集热器费用按550元计算(其中包括压缩机机组的费用、工质费用、管路费用、安装费用、调试费用、辅助件费用等),设备和控制室的费用与锅炉房的费用相当,按50 000元计算,则太阳能热泵系统的初期投资费用为:

其中,Msb为太阳能热泵供热系统设备和控制室的费用,取Msb=50 000元;Rb为单位面积集热器价格,取 Rb=550元/m2。

2.1.2 燃油、燃气和电加热锅炉供热系统

燃油、燃气和电加热锅炉初期投资费用相当。按目前的市场价格,一台0.7 MW 的锅炉及相关附件为100 000元,锅炉房设备费用 50 000元和安装、调试费用5 000元,则燃油、燃气和电加热锅炉供热系统的初期投资为:

从上面的分析计算结果看,太阳能热泵供热系统的初期投资费用约为其他三种供热系统的5倍～6倍。

2.2 年运行费用的比较

工作人员工资按12 000元/年计算,设备的维护、维修费按初期投资的1%计算,各系统的年运行费用计算如下。

2.2.1 太阳能热泵供热系统

太阳能热泵系统运行费用主要是压缩机耗费的电能,对于供热功率为0.7×106W、供热性能系数为3.5的太阳能热泵系统,压缩机的耗电功率为:

其中,Dy为年计算时间,取Dy=365 d;Mm为工作人员年管理工资费用,取 Mm=12 000元/年;Mcr为太阳能热泵初期投资,取 Mcr=847 775元;Wz为维护折算系数,取 Wz=1%。

2.2.2 燃油锅炉供热系统

燃油锅炉的系统运行费用主要集中在燃油费用上,此处不计其耗电费用。燃油锅炉效率按85%计算,热功率为0.7×106W时,每小时耗油量为:

其中,qy为柴油热值,取 qy=42 700 kJ/kg;ηy为燃油锅炉效率,取 ηy=85%。

2.2.3 燃气锅炉供热系统

燃气锅炉的系统运行费用主要集中在燃气费用上,此处不计其耗电费用。燃气锅炉效率按85%计算,热功率为0.7×106W时,每小时耗气量为:

其中,qq为天然气热值,取 qq=34 000 kJ/kg;ηq为燃气锅炉效率,取 ηq=85%。

燃气锅炉每天燃气费用为:

燃气锅炉每年的运行费用为:

其中,Mcq为燃气锅炉初期投资,取 Mcq=155 000元。

2.2.4 电加热锅炉供热系统

电加热锅炉供热系统的运行费用全部为耗电费用,其每天运行的耗电费用为:

其中,Mcd为电加热锅炉初期投资,取Mcd=155 000元。

通过计算结果表明:在供热功率相同的条件下,电加热锅炉的年运行费用最高,其次是燃油锅炉与燃气锅炉,太阳能热泵系统最低。

2.3 综合评价

假设电加热锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、太阳能热泵供热系统的寿命期都为15年[7],系统残值为10%,以电加热锅炉为基准,上述供热系统按静态分析比较的结果见表1。

表1 各种供热系统静态经济性比较(相对电加热锅炉)

则寿命期满后,太阳能热泵总费用最小,其次是燃气锅炉,再次是燃油锅炉,电锅炉费用最高。

利用动态的年计算费用法进行比较,其计算公式[8]为 :

其中,Z为按动态法计算的年计算费用,元/年;K为投资额,元;i为利率,%,取 i=5.94%;m为使用年限,按 m=15计算;C为年运行费用,元/(m2◦年)。

按上式计算所得数值最小的方案是最优方案。其计算结果如表2所示。

表2 动态的年计算费用 元/年

由表2可知:太阳能热泵系统最优,其次是燃气锅炉,再次是燃油锅炉,最后是电加热锅炉。

从静态或动态的初期投资和运行费用综合方面比较来看,在目前的燃料价格和银行利率条件下,当供热功率相等时,上述四种供热系统,以太阳能热泵供热系统最经济。

3 结语

本文以青岛市0.7 MW 供热功率为对象,对太阳能热泵、燃油锅炉、燃气锅炉和电加热锅炉四种供热系统进行了初期投资、运行费用等影响因素的综合技术经济分析和比较,得出以下结论:

1)太阳能热泵供热系统的初期投资较大,为 847 775元,而用锅炉供热系统的初期投资均为155 000元。

2)在四种供热系统中,太阳能热泵的年运行费用最低,为299 943.65元/年;电加热锅炉最高,为 991 680.65元/年。通过静态和动态技术经济分析比较,太阳能热泵系统在寿命期内的经济性最优,其次是燃气锅炉,再次是燃油锅炉,最后是电加热锅炉。

[1] 仲继寿.太阳能建筑发展的中国之路[J].太阳能,2008(12):34-37.

[2] 旷玉辉,王如竹.太阳能热泵供暖系统的实验研究[J].太阳能学报,2002,23(4):408-413.

[3] 韩宗伟,郑茂余,刘 威,等.严寒地区太阳能—土壤源热泵相变蓄热供暖系统[J].太阳能学报,2006,27(12):1214-1218.

[4] 陈林根,孙丰瑞,陈文振.太阳能动力装置集热器最佳工作温度[J].太阳能学报,1991,12(2):191-195.

[5] 韩宗伟,郑茂余,李忠建,等.太阳能热泵供热系统的热经济性分析[J].太阳能学报,2008,29(10):1242-1246.

[6] 白永峰,胡永峰.太阳能热泵供热系统经济性分析[J].煤炭工程,2007(10):31-34.

[7] 郑瑞澄.《太阳能供热采暖工程技术规范》编制要点[J].建筑节能,2008(11):49-53.

[8] 石久胜,韩 晶.太阳能开水器的经济性分析[J].节能技术,2005,23(132):372-374.