太阳能工业热力系统项目案例分析

山东阳光博士太阳能工程有限公司/供稿

1项目概况

山东鑫泰水处理技术有限公司位于枣庄市市中区西王庄乡中泰化工园，职工120人，其中技术人员32人。年产水处理药剂4万吨，2015年开工建设年产10万吨精细化学品项目，项目建成后可实现年产14万吨。2014年公司主导产品国内市场占有率3.1%，国际市场占有率0.5%，行业综合竞争力排名省内第三。公司2014年消耗水2万吨，电280万千瓦时，锅炉用煤1.2万吨。

2 拟建太阳能集热系统情况

2.1安装位置、集热面积

系统安装在锅炉房周围空地及草坪、屋面，集热面积6037.05m2，集热器倾角为15°，集热循环方式为温差循环方式，水箱容量为3台缓冲水箱。

2.2设备参数

蛇设备参数如下：集热真空管的长度1800mm，直径φ58mm，数量41750支，排列方式横插式，串、并联组合；真空管闷晒辐照量参数4.1MJ/m2。安装太阳能集热器的规格YGBS5818-50型；每块集热模块含50支真空管（真空管为铜、钢、铝磁控溅射三靶镀膜真空管Ф58-1800mm）、联集水箱（内胆为SUS304食品级不锈钢双氩气保护电脑自动焊接），集热面积为7.23m2/块；附属设备，水箱、控制系统、电磁阀、管道、管道保温及附件。

2.3 太阳能工业热力系统图（如图1所示）

图1 太阳能工业热力系统

2.4 计量网络图（如图2 所示）

图2 计量网络图

3 节能量预评估报告、投资回收期测算

3.1 太阳热水系统节能效益的预评估

3.1.1 寿命期内太阳热水系统总节省费用的预评估

太阳热水系统的年节能量预评估是针对已设计完成的太阳能热水系统，根据已确定的太阳能热水系统形式，确定的太阳能集热器面积及集热器性能参数设计的集热器倾角及当地的气象条件下计算得出的年节能量。

年节能量的计算公式见式（1）、（2）。

直接系统DQsave=AcJA(1-ηc)ηcd（1）

该太阳能工业热力系统项目拟安装YGBS5818-50型集热模块835组，合计集热面积Ac为6037.05㎡，莒县地区JA=5149.3 MJ/㎡，烟台地区JA=5137.75 MJ/㎡，济南地区JA=4407.37 MJ/㎡，本项目以济南地区辐照量为准，带入公式计算：

DQsave= 12932018 MJ（2）

3.1.2 太阳能热水系统的年节能量

1）以电为辅助热源

因为电力不是一次能源，则应将节能量先换算为kW•h，再按系统建设当年我国的单位电煤耗（参考2012年我国的单位供电煤耗为324g/kW•h）直接折算成标准煤后，即为太阳能热水系统的节能量。计算公式如（3）

△ QS=

29.308Ce△ Qsave

3600ηs

（3）

带入公式计算：

如果用电（90%）：△QS= 35906360MJ

2）以其他一次能源为辅助热，如果是使用天然气等其他形式的一次能源作为辅助热源，太阳能热水系统所节能量的计算公式见式(4)

△ QS=

△ Qsave

ηs

（4）

如果使用煤炭（60%）：△ QS=21553363MJ；

如果使用燃油（70%）：△QS= 18474311MJ；

如果使用天然气（80%）：△QS=16165022MJ。

3.2 太阳能热水系统节能费用的预评估

由于我国目前的电费计价体系已将全部发电成本包括在内，所以在进行节能费用预评估时，年节能量的确定圴应使用式（4）计算。

简单年节能费用的计算见式（5）。

Wj=CC△Qs （5）

式中：△QS-以电及其他一次能源为辅助热源时，均按照

△QS=

△Qsave

计算

ηc

其中：CC= C，C/q (6)

（电0.83元/度，原煤0.6元/kg，柴油6.2元/kg，天然气4.3元/m3）

q-常规能源的热值，MJ/kg或MJ/m3。

（电0.83元/kW•h，原煤0.6元/㎏，燃油6.2元/㎏，天然气4.3元/m3）

电：3600 kJ/ kW•h；工业煤：20900 kJ/㎏燃油：41310 kJ/kg；天然气：35530 kJ/Nm3；

带入公式计算：

如果用电：Wj=3312832元；

如果使用煤炭：Wj= 617752元；

如果使用燃油：Wj=2772712元；

如果使用天然气：Wj=1956364元。

（2）寿命期内总节省费用的计算见式（7）

SAV=PI（△QS-AdDJ）-Ad （7）

式中： △ QS-以电及其他一次能源为辅助热源时，均按照

△QS=

△Qsave

计算

ηc

PI-折现系数；

CC-系统评估当年的常规能源热价，0.23元/MJ；

Ad-太阳能热水系统总增投资，3870250元；

DJ-每年用于与太阳能热水系统有关的维修费用占总增投资的百分率，一般取1%。

其中 ：

带入公式计算：

PI=10.35296423

寿命期内燃煤总节省费用：SAV=9266278元

3.3 太阳能热水系统增加投资回收期的预评估

太阳热水系统的投资组成见图3。

图3 太阳热水系统初投资组成

图3中的虚线部分，是太阳能热水系统的增加投资，即太阳能集热系统的投资部分；太阳集热系统投资主要包括集热系统和控制系统两部分的投资。一个设计合理的太阳能热水系统，应能在寿命期内用节省的总费用补偿回收增加的初投资，完成补偿的总累积年份即为增投资的回收年限或增投资的回收期。

增加投资的回收期有两种算法：一种是静态回收期计算法；另一种是动态回收期计算法。两种算法的差别在静态回收期没有考虑资金折现系数的影响，但计算简便；而动态回收年限考虑了折现系数的影响，更加准确。

3.4 静态回收期计算方法

静态回收期计算不考虑银行贷款利率、常规能源上涨率等影响因素，常用于概念设计阶段，可以迅速了解太阳能系统增投资的大概回收期。静态投资回收期可用式（8）计算：

Yt=Wz/Wj (8)

式中Yt-太阳能热水系统的简单投资回收期；

Wz-太阳能热水系统与常规热水系统相比增加的初投资；

Wj-太阳能热水系统的简单年节能费用。

代入公式计算：

相对于用电的静态投资回收期：Yt=1.14；

相对于用煤的静态投资回收期：Yt=6.09；

相对于用油的静态投资回收期：Yt=1.36；

相对于用气的静态投资回收期：Yt1.92。

3.5 动态回收期计算方法

当太阳能热水系统运行n年后节省的总资金与系统的增加初投资相等时，式（7）成立，即SAV=0

PI（△QSCS -AdDJ）=Ad (9)

则此时的总累积年份n定义为系统的动态回收期Ne

(10)

(11)

其中PI=Ad/（△QSCS -AdDJ）

式中△QS以电及其他一次能源为辅助热源时，均按照计计算。

相对于用电的动态回收期：PI=1.15 Ne=1.22；

相对于用煤的动态回收期：PI=6.49 Ne=8.09；

相对于用油的动态回收期：PI=1.38 Ne=1.47；

相对于用气的动态回收期：PI=1.96 Ne=2.13；

根据要求投资回收年限宜在10年以内，所以本设计合理，满足要求。

太阳能热水系统的费效比是指太阳能热水系统在寿命期内的节能量与系统增加投资的比值。该值反映了太阳能热水系统每节省（替代）1kW•h热水终端用能所需要的投资成本；其计算公式为（12）。

（12）

式中 RCE-太阳能热水系统费效比，元/kW•h；

n-系统寿命期，年；

△ QS以电及其他一次能源为辅助热源时，圴按照计算。

太阳能热水系统的费效比：RCE=0.063

3.6 太阳能热水系统环保效益的评估

太阳热水系统的环保效益体现在因节省常规能源而减少了污染物的排放，主要指标为二氧化碳、二氧化硫和粉尘的减排量。在计算这些指标时，需先将系统寿命期内的节能量折算成标准煤质量，计算公式见（13）

（13）

式中 Coal-寿命期内节约标准煤的质量，kg；

N-系统寿命期，年；

△ QS-按式（3）及式（3）计算。

系统运行15年节约标准煤的质量为：Coal=18548吨

3.6.1 二氧化碳减排量评估

由于不同能源的单位质量含碳量不同，燃烧时生成的二氧化碳数量也各不相同。常用的二氧化碳减排量计算方法是：根据系统所使用的辅助能源，将系统寿命期内不同工况下的节能量折算成标准煤的质量；再乘以该种能源所对应的碳排放因子，将标准煤中碳的含量折算成该种能源的含碳量；然后计算该太阳能热水系统的二氧化碳减排量。其计算公式为式（14）。

（14）

式中 QCO2-系统寿命期内二氧化碳减排量，kg；

Coal-寿命期内节约标准煤的质量，kg；

FCO2-碳排放因子，见表1。

代入公式

以替代煤炭计算，15年二氧化碳的减排量为：QCO2=49375t

辅助能源

煤

石油

天然气

电

碳排放因子/（kg碳/kg标准煤）

0.726

0.534

0.404

0.866

表1碳排放因子

3.6.2 二氧化硫减排量评估

根据环保部门的计算方法，生活源的二氧化硫排放量可按式（15）计算。

生活源SO2排放量=生活及其他煤碳消费量×含硫率×0.8×2 （15）

在实际使用的煤碳含硫率未知时，则按每㎏标准煤减排0.02kg二氧化硫计算，二氧化硫的排放量见式（16）。

Qso2=0.02Coal (16)

式中Qso2-系统寿命期内二氧化硫减排量，kg。

15年二氧化硫的减排量为：Qso2=370.96t

3.6.3 烟尘减排量评估

烟尘的减排量与烟尘的产生量、除尘设施的去除率有关；烟尘产生量与锅炉燃烧方式、燃料的灰分有关。例如，采用振动炉燃烧1t煤，燃煤灰分为18%，则产生36kg烟尘。

计算烟尘排放量时要考虑除尘设施的去除率η，计算如式（17）

QYCP=Efs(1-η) (17)

式中 QYCP-烟尘排放量，kg ；

Efs-烟尘产生量，kg ；

η-除尘设施的去除率。

如果不知道去除率，可按每kg标准煤减排0.01kg烟尘计算烟尘的排放量，见式（18）。

QYCP=0.01Coal (18)

15年烟尘的减排量为：QYCP= 185.48t

4 总结

综上所述，采用该项目后的节能量显著，充分发挥了太阳能的可再生能源优势。