分布式太阳能集热系统对碳中和的影响研究

摘 要：中国力争2030年前实现碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和，以应对全球气候变暖。为实现这个目标，可再生能源应用率将逐渐提高。太阳能因其丰富和环保的特性，成为众多可再生能源中的佼佼者。本文通过综合解剖分布式太阳能集热系统的结构和运行控制，采用GB/T 50801—2013中对系统进行短期测试的方法获取集热系统效率，核算集热系统集热量和全生命周期内减少二氧化碳排放量，为碳中和目标的实现提供太阳能热利用贡献数据支撑。

关键词：太阳能，集热系统，测试，效率，碳中和

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2025.04.026

0 引 言

太阳能光热资源因其节能与环保的双重优势，在中国的开发利用规模正快速扩大，相关技术日益成熟，被视为最有潜力的新能源发展方向之一。目前，使用太阳能来加热低温水（温度低于90°C）的太阳能热水系统已经成为全球范围内最为普及且具竞争力和市场化的应用方式。本文通过具体工程实例，展示了分布式太阳能集热系统在建筑物中的利用，并通过现场测试系统效率，研究太阳能热利用对碳中和的贡献。

1 分布式太阳能集热系统应用

本太阳能集热系统位于济南市，处于温带季风气候区，位于北纬36.7度，东经116.95度，年平均环境温度为13. 8℃，年平均日照小时数为7. 0 h，年日照时数大多在2300～3000 h以上，冬季在130～150天，辐射量在5058至5300兆焦/平方米，属于我国第I I I类太阳能辐照区。济南市太阳水平面年总辐照量为4681.1 MJ/（m2·a），水平面年平均日辐照量为12.82 MJ/（m2·a），济南市有关月度气象参数见表1所示[1]。本工程应用太阳能光热为居室提供生活热水，技术相对成熟、经济性较好。

1.1 集热系统概述

济南市东部某节能生态示范楼太阳能集热工程系统由保温储热水箱、全玻璃太阳能集热器为主要部件，保温循环管路、辅助加热器以及开关阀门、水泵、控制器等辅助部件共同构成，该系统主要用于客房的热水供应。系统主要由16组Φ58-18的全玻璃太阳集热器（集热面积100 m2）和一个4吨的储热水箱组成。主要管路采用管径Φ32 mm的热镀锌钢管，保温水箱外部用50 mm厚的聚氨酯发泡，裸露在室外的管路采用30 mm厚的弹性闭孔发泡保温材料，辅助加热采用热泵加热方案。综合考虑本集热系统与建筑一体化和太阳能利用最大化等各方面因素，太阳集热器安装倾角为35度（近济南纬度）。

1.2 集热系统运行控制状况

1.2.1 集热循环控制

此太阳能收集设备采用了“温差-恒温”的热量采集方式，具体操作如下：首次注入系统的冷水会立即被集热器吸储并加温至预设值，然后由上水电磁阀控制，使已升温的热水从集热器流向储水箱直至其充满，此时电磁阀自动关闭以确保进水的热度。与此同时，启用温差循环机制。如果集热器和储水箱之间的温差超过指定阈值，则循环泵开始工作；反之，若两者间的温差低于该阈值，循环泵便会暂停运行。

1.2.2 集热器上水设计

本集热系统上水设计中采用了定温上水、定时上水、强制补水和定位上水四种模式，可以根据不同的实际情况采用不同的上水模式。

1.2.3 辅助热泵加热设计

这个太阳能收集器测量储水箱内部水的温度，然后依据实际使用需求（例如一天二十四小时的热水供应）来调整其工作模式：如果水温下降到预定点以下，那么热泵的辅助功能就会自动激活以提供额外热量；反之若用户选择的是定时的热水供给方式，该设备会在洗澡之前检查水温状况，一旦发现无法满足洗澡所需的热度要求，热泵的辅助加热功能也会随之开启，直到达到指定的水箱温度才会停止。

1.2.4 系统防冻设计

为了保护管路在温度较低的情况下不被冻坏，系统采取了一定的防冻措施。“防冻循环管道温度”的设置是为了防止管线监控点的温度过低而发生结冰的现象。一旦温度低于此值，防冻循环泵就会开始工作以保持其正常运行；反之亦然，如果超过这个阈值，防冻循环泵则会关闭。对于日常用的自来水系统，也采用了类似的方法，通过使用橡胶和塑料材料包裹管道外层并安装伴热带的方式来预防自来水的冷冻现象。具体来说，当冬天来临且自来水系统的温度下降到“防冻管道温度下限”以下的时候，可以选择定期打开伴热带加热的功能，并且可以根据需要调整加热的时间间隔。

2 分布式太阳能集热系统效率检测

2.1 检测方法

按照国家标准GB / T 5 0 8 01—2 013《可再生能源建筑应用工程评价标准》4 . 2 . 3的规定，对于系统的短时间试验需要满足以下要求：必须包含四天的试验周期并且这段时间内要涵盖不同类型的太阳光辐射情况，日太阳辐照量的分布范围见表2 [3]。每天测试的时间从上午8时开始至达到所需要的太阳辐照量为止，立即采取遮挡集热器并停止循环泵等措施，确保系统不再获取太阳的热。

集热系统的检测用仪器设备符合《可再生能源建筑应用工程评价标准》4.2.4条要求，具体设备型号、编号、精度和检定情况见表3。

2.2 太阳能集热系统效率

每个工况下太阳能集热系统效率应按下式计算得出[3]：

式中： η为太阳能热利用系统的集热系统效率，%；QJ为太阳能热利用系统的集热系统的热量，MJ；A为集热系统的集热器总面积，m2；H为太阳总辐照量，MJ/m2；

太阳能集热系统的年效率应按下式计算得出[4]：

式中： η年为太阳能热利用系统的年集热系统效率，%；x 1、x 2、x 3、x 4分别为一年中济南按表2中日太阳辐照量分布，所涵盖的4类不同日太阳辐照量的总计天数；η1、η2、η3、η4则是指各种光辐射强度下每天的热量收集效能，以%来计算；

根据国家标准GB/T 50801—2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》中的相关规定，太阳能热水系统的集热系统效率测试结果见表4。

3 分布式太阳能集热系统集热量与减碳分析

3.1 可用太阳辐射能资源

太阳能集热系统的实际全年太阳辐射集热量的获取，应在太阳能集热器上按照相同角度布置太阳能辐射表采集。本次采用行业通用的方法是使用典型气象年参数。典型气象年数据库提供的太阳辐射量均为水平面上的辐射值，而本集热系统太阳能收集装置以34度倾斜安装，通过计算可得系统所在地太阳集热器倾斜面上的年总太阳辐射量为4715.85 MJ/（m2·a）[2]。

3.2 太阳能集热系统集热量

本工程屋面集热板面积为100 m2，集热系统年均集热效率为47.1%，集热系统循环热损失为15%，得热量可由下式（3）[5]，得：

Q屋面=ACJTηcd（1-ηL）（3）

式中：Ac为集热面积，m2；JT为集热单位面积所接受的太阳辐射，MJ/m2；ηcd为集热系统的集热效率，%；ηL为集热系统的平均热损系数，取15%。

分别将上述数据代入上式（3），得：

Q屋面=188799 MJ

3.3 CO2的减排核算

太阳能作为绿色可再生能源，运行起来可减排CO2等温室气体，其减排CO2的量是衡量生态文明建设、推动经济转型升级的主要指标。CO2减排量可由式（4）计算得[5]：

式中： 为系统寿命期内二氧化碳减排量，kg；n为系统寿命，取15年；W为标准煤热值，29.308MJ/kg；Eff 为燃煤锅炉效率，60%； 为燃煤的二氧化碳排放因子，2.662。

通过计算得出，本太阳能集热系统在15年的生命周期内，可减排CO2 428吨。

4 结 语

在“双碳”目标的大环境下，太阳能等可再生能源的利用将逐渐加大。为了进一步提升光能系统的生活用水加热效果，需要根据所在地的具体数据与实际情况来选择合适的设备类型并做精确的数据分析以决定其型号的选择。此外还需要对用户的需求做出正确的评估以便于合理地调整装置的位置方向及其数量等因素，从而达到更高效的工作状态并且降低能量损失的可能性。

据太阳能行业协会披露，2022年新增太阳能集热系统总量2372.5万m2，其中真空管型太阳能集热系统销量1796.8万m2。通过对本太阳能集热系统的应用与测试，测算2022年新增太阳能利用系统在15年的生命周期内可减排二氧化碳76亿吨，充分展现太阳能的利用具有较好的经济效益和社会效益，降低碳排放以达到中国的碳达峰和零碳的目标是一个重要的环节，同时太阳能光热系统的节能量、减排量测算也为国家温室气体自愿减排交易提供了理论和实施依据。

参考文献

[1]丛大鸣.节能生态技术在建筑中的应用及实例分析[M].济南：山东大学出版社，2009.

[2]李郁武，王帅，孔凡恒，等.太阳能技术在节能生态示范楼及园区的应用[J].21世纪建筑材料，2010，2（3）：49-54.

[3]可再生能源建筑应用工程评价标准：GB 50801—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4]李博佳，李博佳，黄祝连，等.太阳能生活热水工程集热效率测试及影响因素分析[J].建设科技，2016（16）：16-19.

[5]太阳能供热采暖工程技术标准：GB 50495—2019[S].北京：中国建筑工业出版社，2019.

作者简介

王帅，通信作者，本科，高级工程师，主要从事新能源产品的检验检测工作。

（责任编辑：袁文静）