深圳市太陽能熱水系統(tǒng)應用現(xiàn)狀與前景分析

深圳大學土木學院 ■ 黃中偉 王悅 楊磊

一 深圳地區(qū)太陽能熱利用的自然條件

根據(jù)我國對太陽能資源分布地區(qū)類別的劃分，深圳屬資源豐富地區(qū)。該類地區(qū)地平面每年可獲得3780～5040MJ/m2的太陽光能，相當于燃燒130～170kg標準煤所釋放的熱量。

深圳市區(qū)面積1991m2，平原地區(qū)每年地面接收的太陽光能約為3億t標準煤所含能量，而目前全市每年能耗總量約折合4915萬t標準煤。

二 深圳市太陽能熱水系統(tǒng)使用現(xiàn)狀

作為能源對外依存度極高的資源消費型城市，深圳的能源緊缺與高能耗之間的矛盾日益加劇。近年來，建筑能耗電量占到全市總用電量的40%左右，生活熱水的總能耗占到建筑總能耗的10%～20%，因此，深圳市正致力于探索建筑節(jié)能的新模式和新領(lǐng)域。2006年，深圳頒布實施《深圳經(jīng)濟特區(qū)建筑節(jié)能條例》，率先在國內(nèi)確立了在十二層以下住宅建筑中強制安裝太陽能熱水系統(tǒng)的制度。2009年深圳成為國家首批可再生能源建筑應用示范城市，隨即在2010年出臺了《深圳市開展可再生能源建筑應用城市示范實施太陽能屋頂計劃工作方案》，計劃新增太陽能光熱應用建筑應用面積702萬m2。為全力支持上述工作，除國家下達可再生能源建筑應用城市示范補助資金8000萬元外，深圳市委、市政府也將安排1.2億元作為補助資金。可見，在深圳市大力發(fā)展綠色建筑的過程中，太陽能熱水系統(tǒng)的應用工作已作為重中之重展開。自2010年以來，深圳市太陽能熱水系統(tǒng)安裝面積已實現(xiàn)大幅增長(圖1)。

圖1 深圳市太陽能熱水系統(tǒng)面積

隨著深圳加快推動綠色城市的建設，太陽能熱水系統(tǒng)現(xiàn)已覆蓋了90%以上的學校、醫(yī)院、酒店等公共建筑。保障性住房也是開展綠色建筑工作的重點之一，自2010年起新建的保障性住房已100%按照要求安裝太陽能熱水系統(tǒng)。

深圳市太陽能集熱器的選型與全國大部分地區(qū)不同，由于深圳位于夏熱冬暖地區(qū)，年平均氣溫在22～23℃之間，冬季氣溫均在0℃以上。無需考慮集熱器的抗凍性問題，加之深圳的現(xiàn)代化建設與高層建筑多等特點，平板型集熱器由于其成本低、安全耐用以及與建筑一體化結(jié)合的優(yōu)勢，得到了廣泛應用。

據(jù)不完全統(tǒng)計，深圳市目前從事太陽能行業(yè)技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)應用的企業(yè)已超過200家，其中不乏多家擁有專利產(chǎn)品和自主知識產(chǎn)權(quán)核心技術(shù)的企業(yè)，在平板太陽能的研發(fā)與創(chuàng)新、太陽能與建筑一體化的應用等方面不斷開拓。新安裝的典型項目中，以深圳市保障性住房為例，僑香村住宅小區(qū)由22棟33 ～35層的高層住宅組成，樓頂共安裝7028m2太陽能集熱板，空氣源熱泵輔助加熱設備共計4080kW，預計日供60℃熱水620t(圖2)。項目采用集中集熱—集中儲熱的運行方式，并使用溫差比較強制循環(huán)技術(shù)、采用全自動冷水回收技術(shù)及PLC可編程遠程自動控制等專利技術(shù)。體育新城安置小區(qū)由21棟13～34層高層住宅組成，樓頂和墻面共安裝11310 m2太陽能平板集熱器(圖3)。分別采用屋面安裝、外掛陽臺、立面掛鋼架的安裝形式，并根據(jù)太陽能集熱器采光效果不同，采用三個太陽能循環(huán)系統(tǒng)。熱水系統(tǒng)為全承壓分戶式免計量太陽能熱水系統(tǒng)，儲熱水箱分戶放置在住戶外墻面的平臺上，通過二次換熱方式進行加熱。輔助加熱系統(tǒng)是分戶安裝的燃氣熱水器，使用管道煤氣進行加熱，計劃保證每天人均60～65L的熱水。該系統(tǒng)采用智能自控瞬時啟動技術(shù)和微電腦技術(shù)控制。

圖2 僑香村住宅小區(qū)太陽能熱水系統(tǒng)

投資方式同樣是保障太陽能熱水系統(tǒng)建設使用的重要環(huán)節(jié)，目前深圳市采用的投資方式主要有三種，分別為個人投資、單位投資和合同能源管理方式投資。

圖3 體育新城小區(qū)太陽能熱水系統(tǒng)

個人投資指的是以單個或多個家庭為單位，用戶私人投入資金，安裝太陽能熱水器。比起中國大陸多數(shù)大中城市，這種方式在深圳的太陽能熱水系統(tǒng)中占比不大，但存在可開發(fā)空間。

單位投資的資金來源分為兩類：一類是政府資金，如公立學校、公立醫(yī)院、部分國營單位宿舍、國營賓館等部門所投入的太陽能熱水系統(tǒng)的資金；另一類是企業(yè)或其他民營單位投資，如非國有企業(yè)職工宿舍、民營學校、民營醫(yī)院和其他非國有單位對太陽能系統(tǒng)的投資。

合同能源管理方式投資是指能源服務企業(yè)事先對太陽能熱水系統(tǒng)進行投資建造，熱水用戶在使用過程中向能源服務企業(yè)交付費用，后者從熱水費用中收回投資和適當利潤。深圳市鵬桑普太陽能公司、深圳市東部物業(yè)管理公司等企業(yè)在合同能源方式投資太陽能熱水系統(tǒng)方面做出了積極的嘗試。當能源服務企業(yè)與有熱水需求的客戶達成合同能源管理協(xié)議后，企業(yè)將資金、產(chǎn)品和人力投入到設計和安裝相應的太陽能熱水系統(tǒng)，并專設項目組對該系統(tǒng)進行運營維護，保證其使用效果和節(jié)能效果，同時向客戶收取一定費用。目前深圳市所常用的收費方式有三類：第一類是按流量計費，適用于家庭用戶，根據(jù)到戶供熱水管的水表計量，按每噸熱水消耗收取一定費用，這是最為廣泛被使用的方式，深圳現(xiàn)有項目的定價范圍一般為18～25元/t；第二類是刷卡計費，適用于集體宿舍、公共浴室等公共建筑，按當次使用的流量或時間計費；第三類屬于包量計費的方式，適用于工業(yè)應用等大型項目，根據(jù)客戶工程的熱水需求核算出用量底數(shù)，低于或高于該底數(shù)分別有相應的計費措施。合同能源管理通常能在初期數(shù)年內(nèi)收回投資并開始盈利。按照事先簽訂的合同能源管理合同，企業(yè)在取得預期收益或達到一定年限后，可將全套熱水系統(tǒng)無償轉(zhuǎn)交于客戶或繼續(xù)運營。結(jié)果表明，相對于其他方式投資，這種方式投資下的系統(tǒng)運營維護效果最好，經(jīng)濟效益明顯，同時節(jié)約了企業(yè)、政府或個人的資金，體現(xiàn)了社會專業(yè)化分工所帶來的優(yōu)勢。

為規(guī)范和推動合同能源管理方式的進行，2011年11月，深圳公布了《深圳市合同能源管理項目管理暫行辦法》和《深圳市合同能源管理財政獎勵資金管理暫行辦法》，將根據(jù)年節(jié)能量和規(guī)定標準給予一次性獎勵，其中國家備案的節(jié)能服務公司合同能源管理項目獎勵標準為按照實施合同能源管理項目后年節(jié)能量一次性獎勵540元/t標準煤。在深圳市備案的節(jié)能服務公司的合同能源項目獎勵標準為按照實施合同能源管理項目后年節(jié)能量一次性獎勵500元/t標準煤。

三 深圳市太陽能熱水系統(tǒng)利用潛力估計

截至2011年底，深圳市已有太陽能熱水系統(tǒng)所采用的總集熱器面積近50萬m2，覆蓋建筑面積1042萬m2。保守估計，以集熱器年平均集熱效率0.5計算，太陽光通過正確安放的1 m2集熱器，平均每年可向熱水(或其他中間介質(zhì))注入相當于燃燒75kg標準煤所釋放的熱量。因此，如果所有熱水系統(tǒng)都能正常運行，則由于太陽能熱水系統(tǒng)的應用全市每年可以節(jié)省約3.75萬t標準煤，可以減排9.4萬t二氧化碳。然而，并非所有已安裝的熱水系統(tǒng)均能按照預期發(fā)揮作用，少數(shù)系統(tǒng)處于工作狀況不良甚至停運狀態(tài)，主要原因為運營管理不善和系統(tǒng)設計不合理。

受可再生能源利用的技術(shù)水平、運作成本和深圳地理條件所限，深圳市目前可再生能源的利用主要以太陽能熱水系統(tǒng)利用為主。相比太陽能熱水系統(tǒng)每年節(jié)約3.75萬t標準煤的量值，地熱能、沼氣、太陽能光電、太陽能烘焙、太陽能大棚栽培等技術(shù)目前對節(jié)能的貢獻均可忽略，風能、潮汐能、海浪能、生物質(zhì)能的利用尚未起步。就現(xiàn)實情況而言，努力擴大太陽能熱水系統(tǒng)利用的范圍，是深圳市增加可再生能源利用量的主要途徑。

截至2011年底，深圳市共有各類建筑 6億m2，其中住宅建筑面積約為4.6億m2。如果全市實現(xiàn)至少一半住宅建筑安裝太陽能熱水系統(tǒng)，按照每30m2建筑面積安裝1m2太陽能集熱器估算，需安裝集熱器面積770萬m2，是現(xiàn)有太陽能集熱總面積的15倍。770萬m2集熱器每年所提供給熱水(或其他介質(zhì))的熱量相當于58萬t標準煤所含熱量。

深圳是一個高層建筑比例較高的城市。大批新建的高層保障性住房正需要成功的運營經(jīng)驗作為引導。為了研究太陽能熱水系統(tǒng)在高層建筑上的推廣，近幾年在深圳市葵花公寓等住宅進行了高層住宅太陽能熱水系統(tǒng)應用的實驗。結(jié)果表明，高層建筑同樣可以安裝和有效使用太陽能熱水系統(tǒng)。以運營維護較為成功的葵花公寓為例，該公寓高36層，樓頂安裝太陽能集熱器面積678m2，使用熱水的人數(shù)約1000人，平均每人擁有集熱器面積0.68m2。3年多時間的運營實踐表明，全年約200d僅靠太陽能便可滿足熱水需求，其他時間在熱泵輔助加熱情況下供用戶熱水，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著。該太陽能項目完全利用葵花公寓樓頂裝飾景觀層的空間，采用鋼筋混凝土高梁架(梁架高度3.7m)，在梁架上面安裝集熱器支架，排放安裝太陽能集熱器。集熱器采用特制平板太陽能集熱器，規(guī)格為1000mm×2200mm(一般規(guī)格為1000mm×2000mm)。將高梁架及太陽能集熱器的高度控制在房屋景觀層范圍內(nèi)，不但不會影響美觀效果，而且可將樓頂面積擴大一倍。梁架層上排放集熱器，樓板層安放儲熱水箱和空氣源熱泵等附屬設施(圖4、5)。輔助加熱系統(tǒng)為4臺空氣源熱泵，2臺輸入功率為 14kW(制熱量為60kW)、2臺輸入功率為 19 kW(制熱量為80kW)。共設8個并聯(lián)安裝的大水箱，每個水箱容積為8m3，總?cè)莘e64m3。并附設一個容積為1m3的循環(huán)加熱小水箱。當溫度傳感器監(jiān)測到大水箱中水溫低于45℃時，自動開啟輔助加熱系統(tǒng)加熱小水箱中的冷水。加熱后的熱水注入大水箱，用來提高大水箱中的水溫。為實現(xiàn)用戶達到打開閥門就有熱水的使用效果，系統(tǒng)采用設計定時、定溫和溫差自動回收技術(shù)。供熱水溫度與回水溫度之間設置一個啟動溫差及停止溫差(溫度設置可調(diào))，回收水泵在溫差控制的作用下自動工作，保持管網(wǎng)恒溫熱水，同時在定溫自動回收的基礎(chǔ)上，具備定時回收功能，可根據(jù)一年四季管網(wǎng)降溫所需時間的多少，設置回收間隔時間，在時間控制的作用下自動啟?；厥账?，使管網(wǎng)內(nèi)熱水每隔一定時間循環(huán)一次，維持每條立管都是恒溫熱水。從而保證了各用熱水點提供的都是熱水，達到閥門打開12s內(nèi)就有熱水的效果。

圖4 葵花公寓太陽能熱水系統(tǒng)集熱器布置

圖5 葵花公寓太陽能熱水系統(tǒng)儲熱水箱及輔助熱泵

為了進一步拓展太陽能熱水系統(tǒng)的應用，深圳市有關(guān)部門正繼續(xù)制定相應的規(guī)劃和政策并不斷完善，積極推動相關(guān)工作的開展。

四 太陽能熱水系統(tǒng)推廣中應注意的問題

(1)應加強對于太陽能熱水系統(tǒng)應用所帶來的節(jié)能減排效果的宣傳。相對于發(fā)達國家和地區(qū)，深圳市民的節(jié)能減排意識有待進一步提高，必須通過長時間有效地公益宣傳，方能逐步加深居民對太陽能熱水系統(tǒng)本質(zhì)的認識，提高自覺應用的積極性。

(2)政府有關(guān)部門雖然對新安裝的太陽能熱水系統(tǒng)按照集熱器面積制定了補貼政策，但對安裝后投入運行的系統(tǒng)，未能進行節(jié)能實效統(tǒng)計，并按照實際的節(jié)能減排效果給予獎勵性補貼，致使有些熱水系統(tǒng)的業(yè)主和投資者積極性受挫。

(3)個別太陽能熱水系統(tǒng)的設計存在缺陷。有些系統(tǒng)將其制造的熱水強制性地均分給用戶，把高品質(zhì)熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榈推焚|(zhì)熱能，造成用水少或不用水的住戶所存儲的熱能浪費，而需要熱水的住戶卻得不到應有的熱能。由此導致熱水不能根據(jù)實際需求計量投放，打擊了居民使用太陽能的積極性，導致運營困難和設備浪費。

(4)部分太陽能熱水系統(tǒng)的投資運營和維護模式不合理，造成系統(tǒng)使用效率降低。

(5)少數(shù)物業(yè)管理企業(yè)不支持太陽能熱水系統(tǒng)的應用，且阻撓用戶在其所代管的住宅上安裝太陽能熱水器。

五 結(jié)語

解決了高層住宅太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)難題后，深圳市在太陽能熱水系統(tǒng)應用領(lǐng)域面臨廣闊的發(fā)展空間。如果加大政府宣傳引導和政策支持力度，在系統(tǒng)設計、投資運營和管理維護等方面提高科學化管理水平，太陽能熱水系統(tǒng)的推廣應用將對國家低碳示范市的建設提供強有力的支持。