北方采暖区应用太阳墙系统采暖的可行性研究

河南化工职业学院 ■ 谢宜燕

郑州大学化工与能源学院 ■ 龚咪咪 孟祥睿 马新灵 魏新利

一 引言

随着社会和科技的进步，全球变暖所产生的影响不仅是气候和全球环境领域的问题，更是一个涉及到人类社会生产、消费、生活方式以及生存空间等社会和经济发展领域的重大问题。据统计，建筑能耗在我国能源总消费中所占的比例已达到27.6%，其中近60%为采暖能耗，是同等条件下发达国家住宅单位面积采暖能耗的2～3倍[1]。高能耗不仅造成资源的浪费，还加剧了城市的大气污染。因此，降低能耗、推行建筑节能工作刻不容缓。利用太阳能供暖是建筑节能的有效途径之一，太阳能取之不尽、用之不竭，成本低廉，洁净，安全，对供暖这种低品位热量需求时具有很大的优势。太阳能采暖是一种以太阳辐射为热源，补偿建筑物的耗热损失，维持室温达到一定标准的新型采暖方式，既节约了常规能源，又减少了环境污染。

近年来一种叫做太阳墙(SOLAR WALL)的新技术正在欧美一些国家悄然兴起，并迅速推广。太阳墙系统是太阳房的一种，用来为建筑提供保温和通风。它解决了目前建筑采暖中普遍存在的空气品质、外墙热损失和较高燃料成本三大问题，同时很好地解决了太阳能建筑设计一体化的问题，实现了技术与艺术的有机结合[2]。本文主要利用RETScreen软件对我国采暖区主要城市应用太阳墙系统的可行性进行分析和研究。

二 太阳墙系统简介

太阳墙系统原则上属于被动式太阳能采暖系统，由集热和气流输送两部分组成。集热系统包括垂直墙板、遮雨板和支撑框架；气流输送系统包括风机和管道。太阳墙系统核心组件是太阳墙板。太阳墙板是在钢板或铝板表面镀上一层热转换效率达80%[3]以上的高科技涂层，并在板上开有许多微小孔缝，经过特殊设计和加工处理制成的，能最大限度地将太阳能转换成热能。太阳墙板组成太阳墙系统的外壳，覆于建筑外墙的外侧，太阳墙板材与墙体的间距一般在200mm左右，形成的空腔与建筑内部通风系统的管道相连，管道中设置风机，用于抽取空腔内的空气(见图1)。太阳墙板有多种色彩选择，易于融入建筑整体风格。

太阳墙系统的工作原理：冬季室外空气通过小孔进入空腔，在流动过程中获得板材吸收的太阳辐射热，受热压作用上升，进入建筑物的通风系统，然后由管道分配输送到各层空间；同时，墙体向外散失的热量被空腔内的空气吸收，在风扇运转的情况下被重新带回室内。这样既保持了新风量又补充了热量，使墙体起到了热交换器的作用。夏季，当室外气温足够高(一般为18℃)，不需要对空气进行加热时，温度感应和控制器可以感应室外温度并控制建筑外部的节气阀打开，新鲜的通风空气直接进入建筑进行通风降温。

太阳墙理想的安装方位是南向及南偏东西20°以内，也可考虑在东西墙面上安装。坡屋顶也是设置太阳墙的理想位置，它可方便地与屋顶的送风系统联系起来。太阳墙系统可分为墙面型太阳墙系统和屋顶型太阳墙系统，其中墙面型太阳墙系统如图1所示。

图1 墙面型太阳墙系统示意图

因为太阳墙设计方便，作为外墙，美观耐用，所以应用范围广泛，可用于任何需要辅助采暖、通风或补充新鲜空气的建筑，建筑类型包括工业、商业、居住、办公、学校、军用建筑及仓库等，还可以用来烘干农产品，避免其在室外晾晒时因雨水或虫害而损失。另外，该系统安装简便，可安在任何不燃墙体的外侧及墙体现有开口的周围，便于旧建筑改造。

三 我国北方采暖区主要城市太阳辐射量

表1 我国北方采暖区主要城市的日均太阳辐射量

根据采暖度日数和空调度冷数不同，我国分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ(严寒、寒冷、夏热、冬冷、温和)5个不同的气候大区，10个不同的气候小区。其中严寒、寒冷地区冬季寒冷，即通常所说的北方采暖地区，这部分区域面积占我国国土面积的70%，主要包括北京、天津、河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、山东、河南、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆15个省(自治区、直辖市)[5]。本文以北京、天津、石家庄、济南、郑州、太原、西安、呼和浩特、沈阳、长春、哈尔滨、兰州、银川、西宁、乌鲁木齐共15个城市为研究对象，根据RETScreen软件中的气象数据库(由美国国家航天航空局NASA提供)可得各个城市每年的日均太阳辐射量，如表1所示。

从表1中可以看出，所选的这15个城市位于我国太阳能资源分布区的二、三类地区，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区[6]，每年的日均太阳辐射量在3.34～4.46kWh/(m2·d)，具有利用太阳能的良好条件。因此这些地区有利用太阳墙系统用于采暖通风的潜力。

四 RETScreen软件计算结果及分析

RETScreen软件是借助于众多来自政府、工业、学术界专家的帮助而开发的独特决策支持工具。它可在全球范围内使用，用以评估各种能效、可再生能源技术(RETs)的能源生产量、寿命周期成本、减排量和财务风险。目前已在全球222个国家和区域有超过25万个用户[7]。该软件的开始界面如图2所示。本文以某一在供暖季需供暖的教室为例，应用RETScreen软件建立该教室的能量模型，对其安装太阳墙系统的可行性做供热量、温室气体减排、经济性等方面的研究。已知该教室的建筑面积为70m2，可容纳60位学生上课，教室朝向南，南向外墙安装太阳墙板的面积为24m2，其成本(包括安装等费用)是2920美元[8]。利用RETScreen软件计算分析时的主要参数及其数值见表2。

图2 RETScreen软件开始界面

表2 RETScreen软件计算分析时的关键参数

1 年供热量分析

年供热量是指安装的太阳墙系统每年收集的太阳辐射量。RETScreen软件具有月资源计算的年度分析功能，可首先建立能量模型计算太阳墙板每月可利用的太阳能，然后计算太阳墙集热板的效率和太阳能利用系数，最后得到该系统每年收集的太阳辐射量。计算公式为：

其中：Gcoll,i为太阳墙板某月可以利用的太阳能，i为月份；Gtilt,i为太阳墙的日平均太阳能值；fop,i为太阳能空气加热系统的运行时间；η为太阳墙集热板的效率；α为集热板的吸收率；ρ为空气密度；Cp为空气的比热容；v′wind为集热板表面的月平均风速；Q·coll为通过集热板的气流速率；futil,i为利用系数；△Tact为集热板实际平均温度升高值；△Tavl为可获得的温度升高值；Qsol为集热板每年实际收集到的太阳能总量。

根据RETScreen软件的计算结果可知，15个城市每年收集的太阳辐射量如图3所示。从图3可以看出，年供热量最大的城市是太原，可以达到5.7MWh，这是因为太原的太阳能资源丰富，由表1可知其日均太阳辐射量为4.46kWh/(m2·d)，是15个城市中最大的；其他几个年供热量较大的城市分别是呼和浩特、西宁、银川和哈尔滨，年供热量都在4.5MWh以上。而年供热量最小的城市是西安，因为西安的太阳能资源较少，所以太阳墙每年收集的太阳辐射量只有2.2MWh。

图3 不同城市太阳墙系统年收集的太阳辐射量

2 年温室气体减排量分析

RETScreen温室气体减排分析模型是由加拿大自然资源部(NRCan)，联合国环保署(UNEP)及其能源、气象和可持续发展中心(RIS¯ URC)和世界银行温室气体减排基金(PCF)共同开发的标准方法，并经过政府和工业界专家小组的验证。在本案例中，RETScreen软件计算太阳墙系统的温室气体(GHG)年减排量，单位是CO2t/a，同时根据温室效应，将CH4及N2O等其他气体排放量转换成等量的CO2排放量，其计算结果见表3。从表中可见年温室气体减排量最多的城市是太原，为5.6t/a；而年温室气体减排量最少的城市是西安，为2.3t/a。虽然，这些减排量看起来很少，但是这只是24m2太阳墙板的年温室气体减排量，如果一个城市的住宅、工厂、学校等都安装了太阳墙系统，那么每年的温室气体减排量将达上千万t，可大大减少对环境的污染。

表3 不同城市的温室气体年减排量

3 经济性分析

RETScreen软件通过一些重要的经济指标如简单回收期、净现值、内部收益率和资金回报率等对项目进行详细的经济性分析，从而全面评估太阳墙系统的经济效益。

图4 不同城市太阳墙系统的内部收益率和资金回报率

图5 不同城市太阳墙系统的净现值

简单回收期(SP)是指用每年的节省值来抵消成本投入所需的年数，简单回收期越短说明项目收回成本的年数越短，项目的可行性越大。15个城市太阳墙系统的简单回收期如图6所示。由图6可知，当项目寿命期是30年时，简单回收期最短的是太原，是5.6年，说明在太原安装太阳墙系统只需5.6年即可收回成本；而简单回收期最长的是西安，为13.6年。另外，北京、济南和郑州的回收期也较长，简单回收期都在10年以上，而其他城市的简单回收期则在10年以内。

收益－成本(B-C)比率是指项目收益和成本的比率，当其值大于1时表示该项目有利可图。本例中15个城市太阳墙系统的收益－成本比率如图7所示。从图7可以看出，15个城市太阳墙系统的收益－成本比率都大于1，说明这15个城市安装太阳墙系统都是有经济效益的，即在经济上都是可行的。其中太原的收益－成本比率最大，为2.49，说明收益大于成本，经济性较好；而西安的收益成本比率最小，只有1.03，说明收益和成本基本相当，收益稍大于成本。

通过上面的计算和分析可知，这15个城市安装太阳墙系统在经济上都是可行的，其中太原因当地太阳能资源丰富，简单回收期只有5.6年，净现值可达4365美元，收益－成本比率为2.49，在该地区安装太阳墙系统的经济利益非常可观，在经济上具有较大的吸引力和竞争性。相比之下，西安安装太阳墙系统的净现值只有93美元，简单回收期长达13.6年，收益－成本比率只有1.03，经济利益较小，吸引力和竞争性不强。

五 结论

通过对我国北方采暖区15个主要城市安装太阳墙系统的可行性进行分析和研究，得出以下结论：

(1)我国北方采暖区主要城市的太阳能资源丰富或较丰富，具有利用太阳能的良好条件，对于所选的墙板面积为24m2、吸收率为0.95的太阳墙系统来说，每年收集的太阳辐射量范围是2.2～5.7MWh，其中西安收集的太阳辐射量最小，太原收集的太阳辐射量最大。

(2)对于一块墙板面积为24m2、吸收率为0.95的太阳墙系统来说，我国北方采暖区这15个城市的年温室气体减排量分别是2.3～5.6 CO2t/a，大大减少了对环境的污染。

(3)我国北方采暖区的这15个城市及相关区域安装太阳墙系统在经济上都是可行的，以所选的墙板面积为24m2、吸收率为0.95的太阳墙系统为例，其内部收益率和资金回报率的最大值是21.2%，净现值最大为4365美元，简单回收期最短是5.6年(项目寿命期为30年)，收益－成本比率最大可达2.49，经济利益可观、具有较强的吸引力和竞争性的城市是太原。

综上可知，我国北方采暖区所有地区都适合安装太阳墙系统，且部分地区的经济利益可观，具有利用太阳墙系统进行供暖的巨大潜力和良好前景。

[1]徐伟, 郑瑞澄， 路宾.中国太阳能建筑应用发展研究报告[M].北京: 中国建筑工业出版社,2009.

[2]王崇杰, 何文晶, 薛一冰.欧美建筑设计中太阳墙的应用[J]. 建筑学报, 2004, 8:76－78.

[3]卫欣.一种公共建筑上的太阳墙系统[J]. 太阳能, 2007, 1: 28－29.

[4]徐冬. 多孔太阳墙系统传热与流动的数值模拟[D]. 华中科技大学, 2007.

[5]胥小龙. 北方采暖地区供热计量及节能改造政策[J]. 建设科技, 2008, 7:1－33.

[6]罗运俊, 何梓年, 王长贵. 太阳能利用技术[M]. 北京: 化学工业出版社,2005.

[7]RETScreen International. Empowering Cleaner Energy Decisions[EB/OL]. http://www.retscreen. net/ang/home.php.

[8]RETScreen International.Clean Energy Project Analysis Software:Case studies and Templates[EB/OL]. http://www.retscreen.net/ang/case_studies_classroom_canada.php.