太阳能热水系统与光伏系统节能比较分析

■ 李晨玉 LI Chenyu 贾海涛 JIA Haitao 王 健 WANG Jian

近年来，随着常规能源的日益短缺和环境污染的日益严重，可再生能源作为建筑节能、绿色建筑和低碳建筑的重要组成内容，越来越受到人们的重视。其中，太阳能资源由于其普遍性、无害性、巨大性和长久性，具有巨大节能潜力。

太阳能热水系统和太阳能光伏发电系统是太阳能利用的两种主要方式，本文针对上海市某职工餐厅建筑这一具体案例，分别进行太阳能热水系统和光伏系统的节能计算，分析两种系统的节能潜力。

1 项目概况

该职工餐厅建筑位于上海市，总建筑面积944.30m2，其中，地上881.47m2，地下62.83m2，主要使用功能为厨房、餐厅及设备用房。

2 太阳辐照量分析

上海市处于北纬31°24′、东经121°29′，属亚热带湿润季风气候，1、2月最冷，最低气温为-5～-8℃，通常7月最热，最高气温达35～38℃。每年6月中旬～7月上旬是梅雨季节。上海市太阳能工程设计所用的气象参数详见《太阳能集中热水系统选用与安装》（GJBT—960）（表1）。

通过软件模拟，该职工餐厅建筑屋面全年的太阳能辐照量范围为210~1 200kWh/m2，年太阳能辐照量平均值为1 076.0 kWh/m2。参考浙江省工程建设标准《民用建筑可再生能源应用核算标准》（DB33/1105—2014）第4.1.2条:“年太阳能辐照量大于625 kWh/m2的屋面可利用区域宜全部安装太阳能集热器或光伏电池组件。”除屋面中间部分被遮挡的墙脚处外，职工餐厅建筑屋面的年太阳能辐照量均在625 kWh/m2以上，面积达98.3%（图1、2）。

表1 上海市太阳能工程设计所用的气象参数表

从模拟所得的年太阳能辐照量分布图来看，该职工餐厅建筑的屋顶大部分区域都适合安装太阳能集热器或光伏电池组件。太阳能集热器或光伏电池组件应安装在屋顶可利用屋面区域，即扣除建筑必要功能区域以外的区域。根据以上原则，职工餐厅建筑屋面的太阳能集热器或光伏板放置位置如图3所示。

图1 职工餐厅建筑屋面的年太阳能辐照量范围云图

图2 职工餐厅建筑屋面的年太阳能辐照量大于625 kWh/m2的范围云图

3 太阳能热水系统与光伏系统节能分析

厨房（餐厅）屋顶太阳能放置区域布置真空管集热器或光伏板，安装倾角44°，有效集热/光伏发电面积约73m2，产生的热水集中供给厨房热水点，产生的电力供给厨房和餐厅用电。

3.1 太阳能热水系统的节能分析

太阳能热水系统年产热量计算公式：

Qc=Azj×JT×ηcd(1-ηL)

式中：Azj— 直接式太阳能系统集热面积（m2）；

JT— 集热器表面（安装倾角30°，方位角正南）上年太阳能辐照总量[MJ/(m2·a)]，取 4909MJ/(m2·a)；

ηcd— 集热器年平均集热效率（%），按集热器产品实测数据确定，经验值为45%～50%，取48%；

图3 职工餐厅建筑屋面的太阳能集热器或光伏板放置位置图

ηL— 贮水箱和管路的热损失率（%），取15%～30%，取20%；

根据上海市地理纬度，方位角宜朝正南放置。当集热器的方位角偏离正南和倾角不等于当地纬度时，集热器面积应按下式计算：

Ab=Azj÷R

式中：Ab— 补偿后的集热器面积；

R—补偿因子，参考上海市《太阳能热水系统应用技术规程》（DG/TJ08-2004A—2014）附录A。职工餐厅建筑集热器的倾角为44°，方位角为-37°，因此R取92.1%。

计算得出，太阳能真空管集热器热水系统的节能量为149 412.7 MJ/a，即41 503.5 kWh/a。

3.2 太阳能光伏系统的节能分析

太阳能光伏系统年发电量计算公式：

En=A×ηd×Ha

式中：A—太阳能光伏发电系统光伏板面积（m2）；

ηd—太阳能光伏系统光电转换效率（%），参考上海市《可再生能源建筑应用测试评价标准》（DGTJ 08-2162—2015）表3.3.2-1，取3级系统效率，即晶硅光伏系统 ηd=10%，薄膜光伏系统 ηd=4%；

Ha—光伏板表面（安装倾角30°，方位角正南）上单位面积年太阳辐照总量[MJ/（m2·a）]，取 4 909MJ/（m2·a）。

计算得出，若采用晶硅光伏系统，则年发电量为35 835.7 MJ/a，即9 954.4kWh/a；若采用薄膜光伏系统，则年发电量为14 334.28MJ/a，即3 981.7kWh/a。

将光伏系统年发电量折算成标煤并与热能相比较，电的折标煤系数为0.3kgce/（kWh），热力的折标煤系数为0.0341kgce/MJ，即0.1228kgce/（kWh），因此电力的节能量为热力的2.44倍。则：晶硅光伏系统年节能量约为24 288.7kWh/a；薄膜光伏系统年节能量约为9 715.3 kWh/a。

3.3 太阳能光热系统与光伏系统的节能对比分析

通过理论计算，分别得到了该职工餐厅建筑采用太阳能热水系统或光伏系统的年节能量，具体数值见表2。

由表2可知，若在职工餐厅建筑屋顶太阳能布置区域放置相同面积的真空管集热器或光伏板（晶硅/薄膜）时，系统的年节能量表现出较大的差异。太阳能热水系统（真空管）的年节能量约为太阳能晶硅光伏系统年节能量的1.7倍，约为太阳能薄膜光伏系统年节能量的4.3倍。对于太阳能光伏系统，晶硅系统的年节能量约为薄膜系统的2.5倍。

表2 职工餐厅采用太阳能热水系统或光伏系统的年节能量对比表

4 结语

该职工餐厅建筑屋顶的太阳能辐照量丰富，大部分区域都适合安装太阳能集热器或光伏电池组件。太阳能集热器或光伏电池组件应安装在屋顶可利用屋面区域，即扣除建筑必要功能区域以外的区域。

太阳能热水系统的年节能量最为显著，太阳能晶硅光伏系统次之，薄膜光伏系统最低。考虑到厨房、餐厅部分生活热水用量较大且集中，同时，综合考虑系统成本等因素，推荐该职工餐厅建筑优先采用太阳能热水系统。

通过对上海某职工餐厅建筑屋顶太阳能辐照量模拟分析，及其采用太阳能热水系统和光伏系统年节能量的理论计算，可为其更加充分利用太阳能资源提供依据，并为上海市餐厅建筑太阳能热水系统与光伏系统的利用及推广提供参考。