太阳能热水系统生命周期评价及回收期分析

周志华，刘俊伟，王 媛，张 吉，王辰冬，黄 欣

(1. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2. 天津富力房地产开发有限公司，天津300072)

太阳能热水作为太阳能应用最成熟的技术，已经得到广泛认可.2017年全球太阳能热水装机容量为472GWth，中国占全球总量的68.75%[1].多层或高层建筑屋顶面积小，无法每户安装独立太阳能热水器，所以多采用集中集热式太阳能热水系统.

太阳能热水系统根据集热器的不同，可以分为真空管式和平板式 2种.我国的太阳能热水器中全玻璃真空管式集热器(ETC)占85%～90%，而在欧美市场平板式集热器(FPC)占比为 90%左右[2].为什么会有如此大的差别？这需要从其性能、系统经济性和生命周期对环境影响进行综合考虑.

性能方面，FPC结构简单、耐压性能好、易与建筑结合、平均寿命在 20a以上[3]，但运行过程中热损较大，在70℃以上集热效率低.ETC结构复杂、故障率高、耐压性能差、平均寿命在 15a左右[4]，但 ETC保温性能好、70℃以上集热效率高[5].

经济性方面，不同国家和地区，初投资相差很大.研究认为：真空管式太阳能热水器的投资回收期为 3～6a，平均 4.5a；而平板式则为 5～15a，平均10a左右.对于集中式太阳能热水系统，水箱容量为8t时，平板式太阳能热水系统(FPSHWS)初投资为17.7万元，回收期为 2.4a；真空管式太阳能热水系统(ETSHWS)初投资为 12.09万元，回收期为 1.7a[6].独立式热水器和集中式热水系统真空管式集热器均比平板式有优势.

生命周期影响方面，瑞士和英国的生命周期环境影响研究表明，使用太阳能热水器(SWH)一次能源消耗量分别减少 84%[7]和 83%[8].Hang等[2]对比分析了美国 3个不同地区的平板和真空管式太阳能热水器的环境影响，研究发现，平板式 SWH的全寿命期环境效益最佳，仅为真空管 SWH的一半，且地域差异不会改变这一结果.

1 方 法

1.1 生命周期环境影响评价方法

生命周期评价(LCA)是用来评估某一产品从获得原材料阶段开始，到加工制造、使用直至废弃的整个过程环境影响的方法[9].生命周期评估研究常分为4个阶段：目标及范围确定、清单分析、影响评估和解释.

本文生命周期范围包括原材料获取阶段、生产阶段、运输阶段、使用阶段和回收阶段.其中集热器、支架、水泵、储热水箱及配套管路包含在清单分析中.辅助加热设备以及水箱到用户的管路和设备不在本文研究范围内.在使用阶段，将 2种太阳能热水系统的热能供给和电能消耗考虑在内，分别分析其对生命周期环境影响的贡献.而对于回收阶段，本文尽量采用回收再利用的方式来处理所有材料.

本文确定的生命周期范围如图1所示.

图1 太阳能热水系统全生命周期范围Fig.1 Boundary of life cycle of SHWS

产品的使用年限和寿命对系统生命周期环境影响有着直接关系.ETC一般合格产品的寿命在15a，寿命的限定关键因素是真空管.而 FPC的使用寿命超过 15a[3,10]，目前 FPC的 LCA研究所选用的使用寿命多数为 20a[4,7-8].为了比较方便，本文 ETSHWS和FPSHWS 2种集热器集热面积统一确定为150m2.

利用 GaBi软件进行建模和生命周期影响评估，采用CML2001进行影响分析[11].环境影响类型如表1所示.

表1 环境影响类型Tab.1 Different types of environmental impact

1.2 集热量正面环境影响评价方法

FPSHWS和ETSHWS生命周期集热量不仅能反映两系统的性能，而且可以反映出对环境所带来的正面影响的大小.一般情况下生活热水使用的电力和燃气在生命周期消耗的能源会对环境产生负面影响.而太阳能热水系统除了水泵和补充加热设施外主要利用太阳辐射热.相对电力和燃气热水器而言，太阳能集热器获得的热量相当于正面环境影响.

集热量正面环境影响评价采用GaBi软件建立模型，如果太阳能热水系统生命周期提供的总热量全部由燃气热水器和电加热器提供，将燃气加热和电加热量输入评估模型，即可得到环境影响值，即为太阳能热水系统生命周期使用阶段对环境产生的正面影响[2,12].

1.3 能源-环境影响-初投资回收期

1) 能源回收期

能源回收期(EPP)是可再生能源系统节省与该系统生产阶段、使用阶段和回收阶段的能耗相同数量的一次能源所需的时间[12]，其公式为

式中：Ea为太阳能热水系统原材料获取、生产阶段、使用阶段和回收阶段消耗的一次能源量，GJ；Eb为太阳能热水系统每年节省的一次能源量，GJ；EPP为能源回收期，月.

2) 环境影响回收期

环境影响回收期(EIPP)是太阳能热水系统集热量正面环境影响达到该系统生命周期总体环境影响的时间[13]，其公式为

式中：Fa为太阳能热水系统生命周期环境影响；Fb为每年太阳能热水系统集热量正面环境影响；EIPP为环境影响回收期，a.

3) 初投资回收期

初投资回收期(IPP)为太阳能热水系统初投资与该系统每年产热节约资金的比值[14]，即

式中：Wa为太阳能热水系统初投资，元；Wb为每年产热节约资金，元；IPP为初投资回收期，a.

2 清单分析

2.1 太阳能热水系统

本文选择 2种集中式太阳能热水系统，分别为39个住宅用户供生活热水，日用水定额为 120L/户，冷水温度为 15℃，设计供水温度为 60℃；集热器总面积为 150m2，水箱容积 8000L.集热器吸收太阳能，将热量转移至热水中，热水经过储热水箱后采用机械循环的方式供给用户.

图2 太阳能热水系统示意Fig.2 Schematic diagram of the SHWS

选择ETSHWS和FPSHWS 2种系统进行对比研究，2种系统集热器面积均为 150m2，水箱尺寸均为2m×2m×2m，水泵为 1台，水管直径均为 DN40，长度为 238m.所不同的是 ETC内径、外径、长度分别为 47mm、58mm、1800mm，数量为 1400支，支架 504kg.FPC每块集热器尺寸为 2000mm×1000mm×80mm，共75块，支架质量385kg.

2.2 原材料获取阶段、生产阶段及运输阶段

根据国内文献[15-16]，2种太阳能热水系统的原材料获取阶段、生产阶段的材料清单如表2所示.

表2 ETSHWS和FPSHWS原材料清单Tab.2 List of the materials in the ETSHWS and FPSHWS

从表 2中可知，对于原材料获取和生产阶段，2种太阳能热水系统的主要区别在于ETC玻璃用量要多于FPC，而FPC使用了铜作为吸热体的原料，在铝合金和聚氨酯泡沫的使用上 FPC也要多于 ETC.在能耗方面，ETSHWS远超 FPSHWS，这是因为 ETC的加工过程涉及高能耗生产工艺，主要消耗水、电、天然气.

运输阶段，将原材料、半成品和成品的运输过程统一进行考虑.本文选用的ETSHWS和FPSHWS半成品和成品生产厂家分布在天津周边省市，结合厂家所给出原材料来源以及前人研究给出的运输距离选取方法[15,17]，计算出公路和铁路运输距离分别为65km和645km.材料总质量为5t，则公路和铁路运输的货运量分别为325t·km和3225t·km.

2.3 使用阶段

采用TRNSYS模拟2种系统的全年累积集热量和系统耗电量.

2.3.1 太阳能热水TRNSYS模型

搭建太阳能热水 TRNSYS模型，如图 3所示.模型中包括的模块有：气象参数、控制系统、输出模块、太阳能集热器、水箱、循环泵等.

图3 太阳能热水TRNSYS模型Fig.3 TRNSYS model of the SHWS

TRNSYS模型参数设置：模拟步长为 5min；冷水温度为 15℃；水箱初温为 35℃；水箱容积8000L；集热器总面积为 150m2；用户用热负荷设为1778MJ/d；采用温差控制集热循环，集热器出水温度为 t1，水箱均温为 t2，当 t1-t2≥7℃时，开启水泵集热，当t1-t2≤2℃时，关闭集热水泵.

集热效率计算式为

式中：η为集热效率；a为集热效率截距；b为集热效率斜率，W/(m2·K)；tin为进水温度，℃；ta为环境温度，℃；G为太阳辐照量，W/m2.

对于 ETC，a取 0.52，b取 1.56；对于 FPC，a取0.72，b取 4.58[16].

2.3.2 太阳能热水系统实际运行

本文以真空管式和平板式 2个太阳能热水系统为研究对象进行实测研究.工程位于天津市郊区，该地区太阳能资源丰富，拥有 2600～2800h/a年日照小时数，5400～6700MJ/(m2·a)的年太阳辐照量，此外，该地区年平均室外温度为13℃.2个工程均安装了完善的数据采集-传输-存储系统.

2.3.3 TRNSYS模型验证

导入 2017年 8月某天的气象数据，采用上述TRNSYS模型进行模拟，得出水箱平均温度和集热器进、出口温度，并采集该日 FPSHWS 和 ETSHWS两系统的运行数据，与模拟数值进行比较来验证搭建的TRNSYS模型.ETSHWS和FPSHWS水箱平均温度和集热器进、出口温度模拟和实测值如图4和图5所示。

由图4和图5可知，水箱均温和集热器进、出口温度的实测值和模拟值变化趋势一致.而图 4中在08:00—12:00阶段，实测值均高于模拟值，因为实测值是连续运行的系统数据，前一天的剩余热量会影响测试数据，以致 12:00点之前实测值略高于模拟值；而12:00之后实测值低于模拟值，这是因为此段时间系统内水温较高，部分热量与系统外环境产生了热交换.图5中集热器进出口温度有相似规律.综合来看图 4中，集热器进口温度、出口温度和水箱温度的实测值和模拟值相对误差分别在2.1%、3.9%和2.4%之内；图 5中，水箱均温和集热器进、出口温度的模拟值和实测值相对误差分别在 2.1%、2.5%和 4.2%之内，验证了搭建的TRNSYS模型的准确性.

2.3.4 全年模拟

采用上述TRNSYS模型对FPSHWS和ETSHWS分别进行全年模拟，集热量、集热效率和水泵耗电量等模拟结果见表3.

图4 ETSWHS模拟结果与实测值比较Fig.4 Comparison of the ETSHWS simulation results with the measured values

图5 FPSWHS模拟结果与实测值比较Fig.5Comparison of the FPSHWS simulation results with the measured values

表3 ETSHWS和FPSHWS全年模拟结果Tab.3 Annual simulation results of ETSHWS and FPSHWS

由表 3中数据可看出，全年太阳辐照量为5605.0MJ/m2，FPSHWS的平均集热效率达到了47.1%，高于ETSHWS的42.9%.FPSHWS的全年累积集热量达到了 398.45GJ，高于 ETSHWS的378.19GJ，与实验室运行结果一致；而国内 FPSHWS保温较差，因此，造成国内外 FPSHWS和 ETSHWS年运行效率的差异.而且在水泵耗电量方面，FPSHWS高于ETSHWS，这是由于FPSHWS累积集热量高，水泵运行时间和次数比ETSHWS多.

以上模拟没有考虑平板式系统中水与外界换热导致的系统内温度降低，结果表明 FPSHWS运行效果比真空管式好.然而由于目前国内 FPSHWS保温性能较差[18]，实际运行结果需要对 FPSHWS模拟结果按当地每月平均气温进行修正[19]，修正方法为

式中：c为集热量修正系数；Qs为每月模拟集热量，GJ；Qh为通过热传导和热对流损失的热量，GJ；k为平板式集热器与外界空气的传热系数，W/(m2·K)；F为换热面积m2；t3为平板集热器内水温，℃；t4为室外空气温度，℃；t为换热时间，s.

修正后的结果如表4所示，可知修正后FPSHWS全年集热量由修正前的398.45GJ变为265.91GJ.

表4 FPSHWS每月修正系数及修正集热量Tab.4Monthly correction factor and corrected heat collection of the FPSHWS

2.3.5 使用阶段清单

在使用阶段，统计生命周期清单如表 5所示，总耗电量主要来源于集热水泵.

表5 ETSHWS和FPSHWS使用阶段清单Tab.5 List of ETSHWS and FPSHWS in the usage phase

2.4 回收阶段

FPSHWS和ETSHWS两系统所用的材料中，占比重较大的金属和玻璃均可回收，而保温材料如聚氨酯和橡塑泡沫，处理技术不成熟，需采用回收再利用的方式处理.2种太阳能热水系统废物处理回收阶段清单如表6所示.

表6 ETSHWS和FPSHWS回收阶段材料清单Tab.6 List of the ETSHWS and FPSHWS in the waste disposal and recycling stage

3 结果和讨论

3.1 真空管和平板式太阳能热水系统LCA分析

3.1.1 生命周期环境影响

生命周期的环境影响是将上述所有清单分析的结果输入，从而来评估研究系统对环境产生的各种潜在影响，然后对结果特征化和标准化处理[20].特征化是通过特征化因子赋予各种影响类型对应的物质相应的权重，然后统一为基准单位的过程，从而以影响分数来表示；标准化则是为各种影响类型提供标准的情境，便于进行比较[21].而本文生命周期分析中，以全球尺度的数据值为基准，对各影响类型的影响分数进行分阶段计算.FPSHWS和ETSHWS生命周期各阶段环境影响结果如图6所示，各环境影响类型及各阶段在种环境影响中所占的比例如图7和图8所示.

从图 6可知，标准化后 ETSHWS环境影响总量为 1.92×10-9，而 FPSHWS 环境影响总量 4.26×10-9，约为ETSHWS环境影响总量的2.2倍.FPSHWS 和ETSHWS运输阶段、使用阶段和回收阶段在数值上相近.而 FPSHWS的生产阶段环境影响约为ETSHWS的3倍，这主要是因为FPSHWS需要的金属材料和保温材料较多，而这些材料的生产过程对环境影响比较大.

图6 ETSWHS and FPSWHS生命周期环境影响Fig.6Life cycle environmental impact of the ETSHWS and FPSHWS

图7 生命周期2热水系统各环境影响类型占比Fig.7Proportion of each type of environmental impact of the ETSHWS and FPSHWS

图8 生命周期各阶段2热水系统各阶段环境影响占比Fig.8Proportion of environmental impact during each stage of the ETSHWS and FPSHWS

从图 7中可以看出，ETSHWS各影响因子比例相对分散，生命周期环境影响中ADP fossil所占比重最大，约为30%，其次为GWP和AP，分别占约25%和 20%，其他 4种影响因子总和占比约 25%；而FPSHWS影响因子比例相对集中，占比最大的环境影响类型为ADP elements，约为65%，其他6种影响影子总和约为 35%.两种系统产生这一差异的主要原因是 ETSHWS在生产阶段用了较多的玻璃，且真空管集热器的生产过程能耗较大，相应的化石能源耗竭值、全球变暖潜值和酸化潜值占比例较大；而FPSHWS使用了相对更多的铝合金及铜等金属材料，所以矿产资源耗竭潜值占比极大.

从图8可知，对于生命周期各阶段对总环境影响的贡献，ETSHWS的生产阶段贡献最大，约为 55%，其次是使用阶段，占比约 40%，而回收阶段和运输阶段占比约 5%，可见 ETSHWS生命周期环境影响主要来自生产和使用阶段(95%)；而对于 FPSHWS，贡献度最大的为生产阶段，占比达 80%，而使用阶段和回收阶段占比分别为 15%和 4%，运输阶段占比最小，仅为1%.从图6可知两系统运输、使用和回收阶段环境影响值相近，但 ETSHWS总体环境影响值要小于 FPSHWS，所以ETSHWS使用阶段的环境影响比重比FPSHWS使用阶段环境影响比重大.

3.1.2 生命周期集热量正面环境影响

由第 2.2节可知，相对太阳能热水系统生命周期使用阶段对环境产生的正面影响，包括 ETSHWS、FPSHWS、ETSHWS相对 GH、ETSHWS相对 EH、FPSHWS相对GH和FPSHWS相对EH 6种情况，分别用A～F表示，见图9和图10.

从图9中可以看出，ETSWHS和FPSWHS使用阶段集热量正面环境影响相对燃气热水器分别为3.11×10-8和 2.93×10-8，相对电热水器分别为 1.15×10-7和 1.08×10-7.寿命期为 15a的 ETSHWS生命周期集热量正面环境影响略大于寿命期为 20a的FPSHWS生命周期集热量正面环境影响，说明ETSHWS全年运行效果要明显优于 FPSHWS.由第3.1.1节知，TSHWS和 FPSHWS生命周期环境影响分别为 1.92×10-9和 4.50×10-9，相比于生命周期集热量产生的正面环境影响，生命周期总环境影响非常微小.对于 ETSHWS和 FPSHWS，生命周期总环境影响分别为集热量正面环境影响的 6.4%和 13%(相对于燃气集热器)；而相对于电加热器，这一数值分别为 1.7%和 3.5%.因此，太阳能热水系统拥有显著的环境效益.

由图 10可知，相对于燃气加热，GWP和 ADP fossil分别占比约 30%和 55%，而对于电加热，GWP、AP和 ADP fossil分别占比约 30%和 55%，而对于电加热，全球变暖潜值、酸化潜值和化石能源耗竭潜值分别占比约 30%、30%和 25%，两者差异主要是由于国内目前多用燃煤发电，燃烧产生酸化气体较多，而天然气相对来说比较清洁，产生的酸化气体较少.从以上分析可以得出，对于集中集热式太阳能热水系统采用燃气加热作为辅助热源环境影响要明显小于电加热作为辅助热源.但目前中国市场上太阳能热水系统辅助热源基本均选择电加热，主要原因是，天然气易燃易爆炸，而中国城市住宅建筑以多层或高层为主，人口密度大，采用天然气作为辅助热源潜在危险太大.

图9 ETSHWS和FPSHWS生命周期环境影响及集热量正面环境影响对比Fig.9Comparison of life cycle environmental impact and heat collection positive environmental impact of the two systems

图10 ETSHWS和FPSHWS生命周期环境影响及集热量正面环境影响占比Fig.10Proportion of life cycle environmental impact and heat collection positive environmental impact of the two systems

3.2 能源-环境影响-初投资回收期分析

由于国内外 FPSHWS 和 ETSHWS运行效果及物价水平的差异，需要将两系统各生命周期能耗总量、环境影响总量及初投资转化成相应的回收期，方便国内外学者进行比较.另外，本节选择燃气热水器(GH)和电热水器(EH)为参照对象，其中天然气的热值为 38.93MJ/m3，燃气热水器和电热水器效率分别为 90%和 95%，火电效率为 37%，则电热水器消耗一次能源效率约为35%[22].

3.2.1 能源回收期分析(EPP)

由第2.3节和清单分析可得Ea、Eb和EPP如表7所示.

由表 7可知，相对于全年集热量，两系统生产阶段、使用阶段和回收阶段的一次能源消耗量很小，能耗的回收期都很短，其中 ETSHWS相对于电加热的回收期最短，仅为0.54月，FPSHWS相对于燃气加热的回收期最长，需要 2.16月.ETSHWS能耗回收期约为FPSHWS的1.5倍，主要是因为FPSHWS实际运行效果较差.

3.2.2 环境影响回收期分析

由第 2.3节、第 3.1节和本节可得 Fa、Fb和EIPP，见表8.

表7 太阳能热水系统能耗及其回收期Tab.7 Energy consumption and payback period of the SHWS

表8 环境影响回收期Tab.8 Environmental impact of the payback period

由表 8可知，环境影响回收期最短的是ETSHWS相对于电加热，为 0.26a，回收期最长的是FPSHWS相对于燃气加热，为 2.60a；FPSHWS环境影响回收期约为真空管系统的 2.7倍，主要是因为FPSHWS生命周期的环境影响较大.

3.2.3 初投资回收期分析

经计算，ETSHWS和 FPSHWS水泵、水箱和管路系统相同，3部分造价之和为 34150元；ETSHWS支架 7560元，集热器 560元/m2；FPSHWS支架5775元，集热器 690元/m2.ETSHWS和 FPSHWS系统总初投资分别为 125710元和 143425元.两太阳能热水系统每年产热相对于电加热和燃气加热经济效益如表9所示.

表9 两太阳能热水系统每年产热经济效益Tab.9 Economic benefits of the annual solar heat production of the two SHWSs

由以上计算结果可知，ETSHWS相对于电加热的回收期最短，为 2.40a，而 FPSHWS相对于燃气加热的回收期最长，约为 7.73a，FPSHWS经济回收期约为ETSHWS的1.7倍.

3.3 讨 论

1) 本研究结果与现有研究成果的异同

3种回收期分析结果表明，两系统能耗回收期相对于环境影响回收期和初投资回收期极小，不到3个月；两系统的初投资回收期在 8a之内；两系统的环境影响回收期不到3a.

另外，由第 3.2节分析结果可知，ETSHWS在能耗回收期、环境影响回收期及初投资回收期均短于FPSHWS；而且由第 3.1.2节可知，ETSHWS全年运行效果要明显优于 FPSHWS.所以，所以国内太阳能热水更多选择ETC.

2) 建筑使用期环境影响及回收期

如果按照中国建筑 60a的使用期来计算生活热水的环境影响、正面环境影响和系统初投资.60a内2种太阳能热水系统环境影响、正面环境影响(以相对电加热为例)及系统初投资如表10所示.

表10 建筑使用期 ETSWHS和 FPSWHS环境影响和初投资Tab.10Environmental impact and initial investment of the two SHWSs in the usage period of the building

由表10可知 ETSHWS环境影响小于FPSHWS、正面环境影响优于 FPSHWS，而初投资大于ETSHWS.

在中国的太阳能热水发展早期，因为 ETSHWS初投资低，短时间内容易普及，而且当时中国还没有重视太阳能热水生命周期环境影响的问题，于是大部分企业选择生产真空管式集热器，致使市场占有率高.长期的运行结果表明，尽管真空管式系统有如上的优点，但由于运行过程中真空管容易爆裂，给系统运行带来了很多麻烦，不仅维护费、人工费比平板式大幅度增加，而且影响了用户的使用.长期来看，平板式太阳能热水系统初投资要优于真空管式系统.所以，近年来随着国内平板式太阳能热水系统性能的提高，平板式太阳能热水系统年增长率逐渐升高.

4 结 论

本文基于国内外现有研究，采用太阳能热水系统为研究对象，对 FPSHWS 和 ETSHWS生命周期各个阶段的环境影响及回收期等方面进行了研究，主要研究成果如下.

(1) FPSHWS环境影响总量约为真空管系统的2.3倍；全生命周期中，ETSHWS的环境影响最大的类型为 ADP fossil，占比约为 30%，其次是 GWP和AP，分别占比约 25%和 20%；而 FPSHWS占比最大的环境影响类型为ADP elements，约为65%.

(2) 就生命周期各阶段对总环境影响的贡献而言，ETSHWS贡献度最大的为生产阶段，约为 55%，其次是使用阶段，占比约 40%；而 FPSHWS生产阶段的贡献度占比达到了 80%，其他阶段总和占比约20%.

(3) 相比于生命周期集热量产生的正面环境影响，生命周期总环境影响非常微小.对于 ETSHWS和 FPSHWS，生命周期总环境影响分别为集热量正面环境影响的 6.4%和 13.0%(相对于燃气集热器)；而相对于电加热器，这一数值分别为 1.7%和3.5%.因此，太阳能热水系统拥有显著的环境效益.

(4) 两系统能耗回收期不到3个月，环境影响回收期不到 3a，初投资回收期在 8a之内.平板式太阳能热水系统能耗回收期、环境影响回收期和初投资回收期分别为真空管式太阳能热水系统的 1.5倍、2.7倍和1.7倍.就运行效果、环境影响和经济性而言，真空管式太阳能热水系统明显优于平板式太阳能热水系统.

(5)若以建筑60a的使用期来计算，ETSHWS环境影响和正面环境影响均优于 FPSHWS，但FPSHWS的系统初投资要优于ETSHWS.