天津某小區(qū)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及節(jié)能效益分析

盧娜 崔學(xué)海 侯延銘

（北京市住宅建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100005）

天津某小區(qū)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及節(jié)能效益分析

盧娜 崔學(xué)海 侯延銘

（北京市住宅建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100005）

天津生態(tài)城某住宅小區(qū)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)選用集中集熱、分戶供熱設(shè)計(jì)方案，采用安全可靠的熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器。通過比較，系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于幾種常規(guī)能源熱水系統(tǒng)，回收周期平均在3～5年，具有較大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。該項(xiàng)目投資合理，應(yīng)用成功，效益可觀。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)；集中集熱-分戶供熱；節(jié)能；效益

1 前言

跨入21世紀(jì)以來(lái)，能源已經(jīng)成為全球熱點(diǎn)、焦點(diǎn)問題。太陽(yáng)能以其各種優(yōu)勢(shì)日益受到世界各國(guó)的重視，美國(guó)對(duì)太陽(yáng)能做了積極探索，其中“百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”將生產(chǎn)相當(dāng)于2～3個(gè)燃煤發(fā)電廠的電力[1]。我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，約占全國(guó)國(guó)土面積2/3的地區(qū)年平均太陽(yáng)能輻照總量在3340MJ/m2～8400MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)超過2200h[2]。一般來(lái)說(shuō)，在年日照時(shí)數(shù)大于1200h，年太陽(yáng)輻射量大于3500MJ/m2的地區(qū)，宜設(shè)計(jì)選用太陽(yáng)能系統(tǒng)[3]。

目前在我國(guó)，太陽(yáng)能熱水器的利用占主導(dǎo)地位，已成為太陽(yáng)能應(yīng)用最為廣泛、產(chǎn)業(yè)化最迅速的產(chǎn)業(yè)之一[4]。本文以天津生態(tài)城某住宅小區(qū)為例，研究了太陽(yáng)能熱水與建筑一體化，并對(duì)其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和節(jié)能效益進(jìn)行了分析。

2 工程實(shí)例概況

本住宅小區(qū)項(xiàng)目位于天津生態(tài)城內(nèi)，太陽(yáng)能條件為資源較富區(qū)，等級(jí)Ⅱ級(jí)，年日照時(shí)數(shù)3000h～3200h，水平面上年太陽(yáng)輻照量5400MJ/m2·a～6700MJ/m2·a，太陽(yáng)能保證率50%～70%，極為適合利用太陽(yáng)能。

該項(xiàng)目總用地面積33500m2，總建筑面積72471m2，住宅面積52588m2，共10棟住宅樓。設(shè)計(jì)每人熱水用水標(biāo)準(zhǔn)為30L/d。

3 設(shè)計(jì)依據(jù)

國(guó)家現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。

相關(guān)參數(shù)：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能日平均輻照量，17.00MJ（/d· m2）；冷水基礎(chǔ)水溫，取年平均13℃；熱水設(shè)計(jì)溫度：取年平均50℃；分戶供熱系統(tǒng)，熱水水量90L/戶。

4 熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)本項(xiàng)目特點(diǎn)和要求，經(jīng)方案評(píng)比及論證，選用集中集熱、分戶供熱的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)方案，具體設(shè)計(jì)如下：

4.1.1 每棟安裝1套太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，由太陽(yáng)能集熱器、循環(huán)水箱、循環(huán)泵組、用戶換熱水箱（帶輔助電加熱）、管道及控制儀表等設(shè)備組成；

4.1.2 集熱器集中安裝在屋頂，循環(huán)水箱、太陽(yáng)能循環(huán)泵安裝在樓頂設(shè)備層；

4.1.3 用戶用90L水箱安裝在衛(wèi)生間內(nèi)，通過立管與太陽(yáng)能系統(tǒng)連接，形成換熱回路。

4.2 主要設(shè)備選型

4.2.1 太陽(yáng)能集熱器：選用安全可靠的熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器作為本工程的核心設(shè)備。

4.2.2 用戶換熱水箱：用戶換熱水箱采用搪瓷內(nèi)膽換熱水箱，配有電加熱等單元。

4.3 系統(tǒng)工作過程

以優(yōu)先使用太陽(yáng)能產(chǎn)熱，電加熱輔助產(chǎn)熱為設(shè)計(jì)原則，管路系統(tǒng)采用三管同程式，防止熱水短路。系統(tǒng)為雙循環(huán)方式，即集熱循環(huán)和熱水循環(huán)，集熱循環(huán)在太陽(yáng)集熱器和換熱盤管之間，熱水循環(huán)在水箱內(nèi)，為自然循環(huán)。

5 系統(tǒng)計(jì)算

5.1 確定樣板系統(tǒng)

由于多層住戶戶型相近，因此選擇典型戶型系統(tǒng)作為計(jì)算模板。

5.2 單元（12戶）獨(dú)立系統(tǒng)耗熱量計(jì)算

5.2.1 12戶日耗熱量、熱水量計(jì)算：

取qr=30L/(人.d)；C=4187J/(kg.℃)；Pr=1kg/L；Tr=50℃；Tl=13℃，m=36人（每戶按3.0人計(jì)）

則系統(tǒng)設(shè)計(jì)日用熱水量為1080L/d，系統(tǒng)日耗熱量為1936.49W。

5.2.2 設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量計(jì)算：

計(jì)算得到Qh=7997.69W。

5.3 太陽(yáng)能集熱器集熱面積計(jì)算

太陽(yáng)能集熱器組數(shù)是通過國(guó)標(biāo)GB50364-2005中的計(jì)算公式得到，公式如下：

Ac=Q×C×(tend-ti)×f÷[JT×ηcd×(1-ηL)] 公式（1）

Ac——直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；

Q——日均用水量，90kg；

C——水的定壓比熱容，KJ/(Kg·℃)；取值4.18kJ/(kg·℃)；

tend——貯水箱內(nèi)水的設(shè)計(jì)溫度，℃；取值50℃；

ti——水的初始溫度，℃；取值13℃；

JT——當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗?yáng)能輻照量，15.8×103kJ/m2；

f——太陽(yáng)能保證率，取值0.70；

ηcd——集熱器的平均集熱效率；根據(jù)集熱器的檢測(cè)報(bào)告，66.20%；

ηL——系統(tǒng)管路和儲(chǔ)水箱熱損失率，20%；

由于以上計(jì)算出來(lái)的為直接系統(tǒng)的集熱面積，根據(jù)直接系統(tǒng)與間接系統(tǒng)集熱面積之間的關(guān)系（如公式2），可以得出間接系統(tǒng)集熱器面積AIN。

AC-直接系統(tǒng)集熱器面積；

FRUL-集熱器總熱損失系統(tǒng)；

AHX-換熱面積（每戶換熱水箱里的換熱面積）

取FRUL＝5.5W/(m2.℃)，UHX＝300W/(m2.℃)，AHX＝0.35m2，計(jì)算平板集熱器每戶90L水所需的集熱面積AC（一次系統(tǒng)），AIN(二次系統(tǒng))：

將以上熱管集熱器相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(1)，計(jì)算得AC：=1.16m2再將AC的值代入公式(2)，計(jì)算得AIN：AIN=1.24m2。

5.4 小結(jié)

計(jì)算得到：太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱器總面積：472.56m2；太陽(yáng)能系統(tǒng)提供的總熱水量：34299L/d；設(shè)計(jì)所需熱水量定額為：37056L/d；太陽(yáng)能系統(tǒng)提供熱水量所占總熱水需求量的比例為：34299/ 37056=92.56%。

6 效益分析

6.1 社會(huì)效益

太陽(yáng)能無(wú)污染，且取之不盡用之不竭，因此開發(fā)、推廣太陽(yáng)能產(chǎn)品具有良好的社會(huì)效益和長(zhǎng)遠(yuǎn)的社會(huì)意義。太陽(yáng)能熱水器是目前太陽(yáng)能產(chǎn)品中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種，具有環(huán)保節(jié)能和安全方便的特點(diǎn)，它的更普遍、合理的應(yīng)用，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)更可觀的社會(huì)效益。

該住宅小區(qū)是集太陽(yáng)能節(jié)能技術(shù)、建筑一體化技術(shù)于一體的綜合性的中高層居民住宅小區(qū)，太陽(yáng)能系統(tǒng)投資合理。小區(qū)所有住宅樓的熱水均由太陽(yáng)能供應(yīng)，為國(guó)家、為社會(huì)節(jié)約了能源，是切實(shí)可行的。

6.2 經(jīng)濟(jì)效益

6.2.1 與常規(guī)能源運(yùn)行費(fèi)比較

本項(xiàng)目太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱器總面積：472.56m2，太陽(yáng)能系統(tǒng)提供的總熱水量：34299L/d，設(shè)計(jì)所需熱水量定額為：37056L/d。

不考慮各種方式的初投資成本，運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比如表1所示。

表1 不同能源運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

6.2.2 太陽(yáng)能系統(tǒng)回收年限

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)投資計(jì)算：每平米太陽(yáng)能造價(jià)約2000元，本項(xiàng)目太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱器總面積472.56m2；故系統(tǒng)投資為2000元/m2×472.56m2=94.5萬(wàn)元。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)回收年限：經(jīng)計(jì)算，與電加熱、燃煤鍋爐、燃油和燃?xì)獬Ｒ?guī)能源相比，投資回收年限分別為：3.15年、4.44年、2.42年和3.02年。

可見，采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)合理的投資方式。

6.2.3 節(jié)能環(huán)保效益

由上節(jié)計(jì)算比較可知，太陽(yáng)能的節(jié)能性是毫無(wú)疑問的，下面的計(jì)算會(huì)更為直觀的看到太陽(yáng)能熱水器的節(jié)能效益。

知太陽(yáng)能提供熱水總量為34299L/d，冷水年平均溫度13℃，熱水設(shè)計(jì)溫度取年平均50℃，每年按365天計(jì)

故每年太陽(yáng)能得熱量為：1.94×109kJ

（1）與電加熱比較

知電的熱值為3600kJ/kW·h，電的效率按90%計(jì)算，假定電費(fèi)0.5元/kW·h，

則每年可節(jié)約的電量為6.0×105kW·h，節(jié)約電費(fèi)30萬(wàn)元。

（2）與燃煤鍋爐比較

知煤的熱值為20920kJ/kg，電的效率按50%計(jì)算，假定煤的價(jià)格1000元/t，

則每年可節(jié)約的煤量為1.86×105kg，節(jié)約燃煤的價(jià)值18.6萬(wàn)元。

（3）環(huán)保效益分析

由《太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》（GB50495-2009）中太陽(yáng)能供熱采暖系統(tǒng)的二氧化碳減排量公式可計(jì)算C減排量，公式如下：

式中QCO2——系統(tǒng)壽命期內(nèi)二氧化碳減排量，kg；

ΔQsave——太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的年節(jié)能量，MJ；

n——分析節(jié)省費(fèi)用年限，從系統(tǒng)開始運(yùn)行算起，一般取集熱器壽命15年；

W——標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，29.308MJ/kg；

Eff——常規(guī)能源水加熱裝置的效率，%；

FCO2——二氧化碳排放因子。

計(jì)算可得太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)使用壽命中（一般為15年），相對(duì)于電、煤、石油和天然氣不同常規(guī)能源系統(tǒng)的二氧化碳年減排量分別為2.34×105kg、3.53×105kg、1.65×105kg和1.40×105kg。

上述分析可知，應(yīng)用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)真正做到了節(jié)能減排，符合社會(huì)和全球的需要，具有較大的節(jié)能環(huán)保效益。

7 結(jié)論

本項(xiàng)目住宅小區(qū)采用的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)投資合理，應(yīng)用成功，通過比較，系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于幾種常規(guī)能源熱水系統(tǒng)，回收周期平均在3a～5a，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)每年節(jié)約的常規(guī)能源折合如下：節(jié)約電量6.0×105kW·h，節(jié)約電費(fèi)30萬(wàn)元，CO2年減排量2.34×105kg；節(jié)約煤量1.86×105kg，節(jié)約燃煤的價(jià)值18.6萬(wàn)元，CO2年減排量3.53×105kg。因此，今后該類型住宅小區(qū)熱水系統(tǒng)可以在其他城市大力推廣。

[1]張揚(yáng),高輝.太陽(yáng)能利用與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展是統(tǒng)一框架之下的系統(tǒng)工程—美國(guó)百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃之啟示[J].新能源,2000,22（9）：51-54.

[2]牛志恒,李云鵬.我國(guó)太陽(yáng)能建筑發(fā)展的現(xiàn)狀及太陽(yáng)能與建筑一體化[J].中國(guó)科技博覽,2010,17：7.