医院太阳能系统
太阳能的特点在于其在一年、一个月甚至一天内的利用率的变化很难预测。因此，在设计太阳能供热系统时，有必要采纳不同于传统供热系统的策略。锅炉或热泵能力的选择源自于供热需求的计算峰值，且因锅炉的边际成本相当适度，故不会严重影响系统的总成本。但是，对太阳能供热系统却不同，与系统总成本相比，集热器的边际成本不可忽视。另外，如果集热器的表面积预先设计得过大，除了造成整个系统经济负担过重之外，在使用率较低期间可能还会带来流体介质过热问题（因流动停滞），引发整个系统有损坏的风险。
太阳能系统的设计需要基于上述考量，应用计算程序模拟系统运行，对所设计的系统实施能源评估和经济评估。市售的计算程序应用的数学模型多少有点复杂，这些模型一般分为两大类：
– 伪静态模型。这类模型应用了源自各种模拟结果与实际设备实验结果比较所得出的相关性以及多数地方可以获得的每月的日平均气象数据。这样就可以计算太阳能供热系统的月热负荷与用户热需求之比。
– 动态模型。这类模型允许对整个系统或系统某些部分实施动态模拟，并应用逐时气象数据，这些数据可以通过应用采纳月平均气象数据时的相关获得或由建在地面上的一些气象站收集。
在按伪静态方式分析太阳能系统所用的各种模型之中，数“f 图法”既简单且又可靠，因为它基于由几百次模拟结果所获得的相关性并经若干实际系统验证[1]。这类相关性可用于计算参数 f，即“太阳能贡献率”，该系数表示由太阳能集热器供应的月热能与用户的月热需求之比。
对于第二类计算程序，就可靠性而言，最有名是 Trnsys 软件（暂态系统仿真）[2]。该程序遵循的原理是考虑整个系统是由一系列元素构成的（太阳能集热器、换热器、水箱、循环泵、阀门等），每个元素都可用一个数学模型描述，这种模型可以单独使用或插入较复杂的热水力系统。各种元素（包括所有类型）均收集到一个元素库内（已创建多年并连续不断更新）并由计算程序的用户连线使用。如果需要创建一个元素库内尚无的新元素，用户可以采用 Trnsys 管理的编程语言（Fortran 或 C++），自行写入该元素，创建相关类型并将它导入主程序。单个元素（太阳能集热器、水箱、泵、安全阀、换热器、温控器等）通常用常微分方程 描述（零维模型），而用数值法求解。
系统的能源供应规模
因为这是一个大型系统，所以，对于卡利亚里市的 Brotzu（AOB）医院楼群的太阳能供热系统的能量计算，不仅应用了 ManSol® 程序，并经本文作者之一[3]进行了调整，以计算系统的伪静态，而且还应用了 Trnsys 程序[4]，以模拟系统的动态情况。ManSol® 程序是基于“f 图法”的相关性，故可根据以下输入的设计参数确定太阳能系统的规模：
– 当地气象与周围环境；
– 太阳能集热器的方位与倾角；
– 热需求（卫浴热水和/或供热）；
– 太阳能集热器（板式或管式）的特征；
– 循环类型（自然或强制）。
计算工作分成三个阶段，籍以输出太阳能系统的技术经济参数：
– 第1阶段，输入项目数据，计算集热器上的太阳能辐射；
– 第2阶段，太阳能系统的能量分析；
– 第3阶段，太阳能系统的经济分析。
图1、图2和图3展示了这三个阶段的概况。Trnsys 程序能够动态模拟太阳能系统，模拟精度与所选的时步（Δt）紧密相关：时步太大，则解答可能粗糙；时步太小，则计算时间可能变得冗长而费钱。应用计算程序要求用户有经验，很了解基于各种元素功能的数学模型，以便正确地模拟所分析的物理模型。与静态计算程序相比，最大的差别是用户能够按照直观的步骤，确定各元素的所有物理特征、相互间的关系及所考虑输入和输出的尺寸大小，以求解决具体的问题，进而构筑该系统整体（图4）。
Trnsys 程序需要很多时间学习、实施和模拟，这是由所研究的系统的复杂性以及为保证系统正确运行而需了解某些参数演变的必要性所决定的，譬如，为了避免停滞，或为研究蓄热水箱的内部温度分布，以求有助于分层分析热流体和换热情况，需要了解集热器内传热流体的温度变化（图5）。
生产卫浴热水时的热负荷
设在 Brotzu 医院里的监控系统可以评价生产卫浴热水所需的年能耗为2,015 MWh，可匀摊给每个月，而在冬季和夏季之间没有显著的变动。如图6曲线所示，日均能耗约为5,520 kWh, 属典型的白昼型分布。
基于所用燃料的 PCI 算出的41.78MJ/kg的生态密度和85%的制热效率，这些数量热能的产值在财务报表中记为大约250,000 €/年。卫浴热水的消耗量是根据监测到的能源负荷算出的[5]。卫浴热水的消耗量在93-106 m3/日之间波动，相应每个床位的卫浴热水消耗约为160-185 升/日。
太阳能供热系统说明
此处不准备详细分析太阳能供热设备的水工管道系统，因为不会影响技术经济分析的结果，这就是本研究的目的。如图7所示为所考虑的系统简图。来自管网（A）的冷水通过置于缓冲水箱（C）内的换热器（1），送向热水器（D）生产卫浴热水。太阳能集热器（B）输出的传热流体通过换热器（2）将热量传给缓冲水箱（C）。如果太阳能部件提供的热能不足以将卫浴热水的温度升高到要求的温度，则辅助系统（E）就会反应而提供必要的热量，从而提高热水器（D）内的水温。表1汇总了太阳能供热系统的主要特点。
如图8所示，为了设置集热器，将医院内部确定成不同的区域，一共组成了四大集热器区块。所有这些区域之所以如此区分，是为避免大楼各侧面造成罩在集热器上的阴影。每大区块由150块板式太阳能集热器构成，相应的有效表面积为328,5 m2。
A 区由 A1、A3 和 A2 组成，前两者均位于第11层（顶层）的屋顶露台上，而后者位于第9层的屋顶露台上，直接安装在医院水暖中心的立面上，而该中心设置在半地下室内。相反，B 区由 B1 和 B2 构成，前者也位于第11层的露台上，而后者坐落于第一层（底层）的平台上。C 区分成 C1、C2 和 C3，前两者目前都处于停车场，如果 C1 和 C2 的集热器数量达不到所要的数量，则在第1层的平台上布置 C3。最后，D 区占据一个很大的区域（D1），现在设在医院大楼东面的停车场内。在 C1、C2 区和 D 区内，太阳能集热器可以安装在棚架上，故安装成本比 A 区和 B 区高。
所有集热器预计向地平面倾斜35°，方向朝南。对于 A 区、B 区和 C 区来说，容易实现方向朝南，而对于 D 区，暂定向西倾转20-25°。在这项安装作业中，大致考虑 D 区的集热器也朝南设置。
建设成本
通过精细的市场调查可知，太阳能场的建设成本可保守地定为每平方米集热面积为800~900 €。其中，集热器为对建设成本影响较大的项目（65%），以下依次为蓄热水箱的购买成本（12%），管道、保温材料和各种水暖器材（11%）。集热器的支撑锚固结构大约负担6%，购买水泵4%，余下的2%为每个太阳能场的监控管理系统的成本。虽然蓄热水箱和水泵安装在水暖中心内，但是它们的成本已归入整个太阳能场的建设成本，因为这类成本与所安装的太阳能场的数量成比例。 C 区和 D 区，因建在容纳集热器的棚架上，故应考虑超支大约90 ~150 €/m2。连接太阳能场和医院水暖中心的水暖管道的成本基本上取决于两地之间的距离和为敷设连接管道开设地下沟渠的需要。
位于医院露台上的 A 区和 B 区，具体成本在200~300 €/m2之间；C 区，必要的成本为250-350 €/m2；最后， D 区，因距离最远，故成本增加到了300 – 400 €/m2。总的来说，四个太阳能场的建设成本都有个变动区间： A 区和 B 区， 1,000-1,220 €/m2； C区，1,420 €/m2；D 区，1,190-1,460 €/m2。因要求改造现有水暖中心及采购整个太阳能设备的监控系统，还要在这个价格的基础上增加100,000~200,000 €。表2概述了各区的建设成本，然后便可在此基础上实施技术经济分析，以评估各区块的经济指标。
第2阶段，太阳能系统的能量分析；
– 第3阶段，太阳能系统的经济分析。
图1、图2和图3展示了这三个阶段的概况。Trnsys 程序能够动态模拟太阳能系统，模拟精度与所选的时步（Δt）紧密相关：时步太大，则解答可能粗糙；时步太小，则计算时间可能变得冗长而费钱。应用计算程序要求用户有经验，很了解基于各种元素功能的数学模型，以便正确地模拟所分析的物理模型。与静态计算程序相比，最大的差别是用户能够按照直观的步骤，确定各元素的所有物理特征、相互间的关系及所考虑输入和输出的尺寸大小，以求解决具体的问题，进而构筑该系统整体（图4）。
如图9所示，在由 A 区及 A 区组合 B 区构成的前两种场合，年卫浴热水的产量实际上一致。增加集热面积之后，采用 ManSol® 程序算出的数值会倾向于略不同于采用 Trnsys 程序的结果，差别很微小，在四个区块完全组合的场合，太阳能产量会略高0.7%。此外，分析月 FCS 值也显示了采用这两种程序的计算结果基本一致。图10中报告了与150个集热器组成的、有效面积为328,5 m2的 A 区的月太阳能产量。相反，图11显示了与集热器总数为600个、有效面积1,314 m2的全部四个区块 A+B+C+D 相关的月太阳能产量。对于这两种场合来说，没有明显差异，即使注意到 ManSol® 程序有估高于 Trnsys 程序的倾向，春-夏期间（4 – 8月）的太阳能热能产量高低顺序正好与秋- 冬（9 – 3月）的情况相反。
因这两种程序计算太阳能热能产量的差别可忽略不计，故对两种程序算出的现金流量的经济分析与实际情况是一致的。表4列出了初期投资额以及与各个太阳能系统方案相对应的净现值（VAN）、投资回收期（PBT）和内部收益率（TIR）。这些经济指标得自于对年现金流量的分析以及按下述经济参数的计算：
– 20年经济分析期限（包括投入年）；
– 通胀率，3%；
– 利率，5%；
– 衍生燃料， 4%。
所获得的 VAN 值可与设备系统建设和试运行所发生的初期投资额作比较。如图12所示，VAN 总是随着系统规模/设备面积的增大而增加，但并不成正比。在系统由全部四个区块（A+B+C+D）构成的场合，因 Trnsys 和 ManSol® 程序所算得的合格卫浴热水产量存在差异，故这两种程序算出的 VAN 值有大约3%的微小差别。
如图13所示，通过分析投资回收期（PBT）和内部收益率（TIR），可以找到能够优化投资的集热面积大小和太阳能场区块的数目。
结语
安装共有300个集热器、集热面积达657m2的 A+B 的经济性最好。可以指出，再增加集热面积会使 PBT 和 TIR 这两个指标变差。实际上，亦可认为由三个区域 A+B+C 构成的设备方案具有成本效益，尽管投资回收期（PBT）略有延长（0.4 – 0.5年），内部收益率（TIR）有所降低（0.6-0.7%）, 而净现值（VAN）却增加380,000 – 400,000 €,故可评价为最佳的初期投资。由全部四个区域（A+B+C+D）配置的设备系统的经济性稍差，尤其 D 区的比成本较高，其原因源于距离水暖中心太远且需要为集热器提供特殊的支撑和锚固结构（停车场的棚架）。
