安徽省某住宅小區(qū)太陽能熱水系統(tǒng)的測評及分析

江宏玲，賀傳友，戴新榮

（安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，安徽 合肥230088）

0 引 言

隨著常規(guī)能源的大量消耗，能源危機日益顯著，開發(fā)和利用可再生能源已被列為我國能源戰(zhàn)略的首要任務(wù)［1，2］。太陽能這種取之不盡用之不竭的潔凈能源因其顯著優(yōu)勢得到公眾普遍關(guān)注，也伴隨著國家對建筑節(jié)能要求的不斷深化提高而得到了大規(guī)模推廣，其中太陽能熱水系統(tǒng)是目前太陽能熱利用中發(fā)展最為成熟且已商業(yè)化［3，4］。為了科學(xué)準(zhǔn)確地評判太陽能熱水應(yīng)用技術(shù)的能效結(jié)果，更好地普及和推廣太陽能應(yīng)用，必須開展相關(guān)能效測評工作［5］，但我省對于太陽能熱水系統(tǒng)整體的性能檢測及能效評估仍處于起步階段［6］。

本文通過檢測安徽省黃山市某住宅小區(qū)太陽能熱水系統(tǒng)的運行參數(shù)，計算分析出該系統(tǒng)的能效指標(biāo)，并對系統(tǒng)的能效級別進行了判定。該實際案例中對太陽能熱利用系統(tǒng)能效測評過程詳細(xì)的介紹，為可再生能源應(yīng)用工程的能效測評工作提供了有價值的參考。

1 工程概況

1.1 建筑信息

本太陽能熱水工程位于安徽省黃山市某住宅小區(qū)，建筑類型為新建居住類，總建筑面積2.34萬m2，示范面積0.702萬m2，采用一戶一套緊湊式家用太陽能熱水系統(tǒng)形式，共計為225戶提供太陽能生活熱水。

1.2 技術(shù)原理

太陽能熱水系統(tǒng)是利用太陽能集熱器吸收太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱能的一種裝置，由集熱器、儲水箱、連接管道及其它輔材料組成，其中集熱器一般采用真空集熱管，吸收太陽輻射并通過熱傳遞傳至管內(nèi)，管內(nèi)溫度升高比重減輕的熱水便經(jīng)上升水管不斷上移進入儲水箱上部，與此同時儲水箱下部的冷水流至集熱管再受熱上升，如此不斷循環(huán)加熱，直至熱量平衡水溫升高為一定的溫度。由于真空集熱管圓柱面有太陽自然跟蹤特性，因此只要有太陽輻射，真空管就可以工作，即使寒冷的冬季也能正常運行。太陽能熱水系統(tǒng)原理見圖2［7］。

2 測評方案

2.1 檢測依據(jù)

檢測依據(jù)有《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標(biāo)準(zhǔn)》［8］（后簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》），《家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗方法》［9］，《家用太陽熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》［10］，《太陽能熱水系統(tǒng)性能評定規(guī)范》［11］及該小區(qū)可再生能源建筑應(yīng)用示范項目申報材料、竣工圖紙、驗收資料等。

2.2 測評內(nèi)容

依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求，可再生能源建筑應(yīng)用工程的測評內(nèi)容包括形式檢查、系統(tǒng)性能檢測和系統(tǒng)評價三部分。表1為該項目測評內(nèi)容的匯總。

表1 太陽能熱水系統(tǒng)測評內(nèi)容

2.3 測試條件

太陽能熱水系統(tǒng)的短期測試應(yīng)在連續(xù)運行的狀態(tài)下完成，運行工況應(yīng)盡量接近系統(tǒng)的設(shè)計工況，測試期間的系統(tǒng)平均負(fù)荷率不應(yīng)小于50%。測試的室外環(huán)境平均溫度的允許范圍應(yīng)為年平均環(huán)境溫度±10℃。太陽輻照量短期測試不應(yīng)少于4d，每一太陽輻照量區(qū)間測試天數(shù)不應(yīng)少于1d，太陽輻照量區(qū)間的劃分為：J1＜8MJ／（m2·d）；8MJ／（m2·d）≤J2＜12MJ／（m2·d）；12MJ／（m2·d）≤J3＜16MJ／（m2·d）；J4≥16MJ／（m2·d）。

2.4 檢測儀器

該項目的檢測采用可再生能源太陽能應(yīng)用能效檢測系統(tǒng)設(shè)備，檢測儀器及性能參數(shù)如表2所示。儀器經(jīng)過安徽省計量院檢定，均在檢定有效期內(nèi)。

3 檢測記錄與數(shù)據(jù)分析

3.1 檢測布置

按照《標(biāo)準(zhǔn)》中對太陽能熱水系統(tǒng)測試抽樣方法及數(shù)量的規(guī)定，本工程中225套同一類型的太陽能熱水系統(tǒng)隨機抽檢2%，即抽檢5套，選用的太陽能熱水器集熱管規(guī)格型號為18支×Φ58×2100，采光面積為2.64m2，水箱容量為0.16m3。

在貯熱水箱內(nèi)分上中下三層均勻布置溫度傳感器，在屋頂太陽能熱水器附近無任何遮擋處安裝環(huán)境風(fēng)速和溫度傳感器，與集熱器相同傾角安裝一個用以記錄太陽輻照量的總輻射表，總輻射表實時記錄投射到單位采光面積上的輻照量。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 集熱系統(tǒng)得熱量

集熱系統(tǒng)得熱量是太陽能熱水系統(tǒng)的關(guān)鍵性指標(biāo)，短期測試時的試驗時間為上午8時至達到所需要的太陽輻射量為止。太陽能集熱系統(tǒng)得熱量Qj的測試方法有兩種，可由熱量表直接測量得出，也可通過分別測量流量、溫度等參數(shù)后計算得到：

式中：Qj—集熱系統(tǒng)得熱量，MJ；

n—測試時總的記錄數(shù)；

mji—集熱系統(tǒng)平均流量的第i次記錄值，m3／s；

ρw—水的密度，kg／m3；

cpw—水的比熱容，J／（kg·℃）；

tdji—集熱系統(tǒng)出口溫度的第i次記錄值，℃；

tbji—集熱系統(tǒng)進口溫度的第i次記錄值，℃；

ΔTji—第i次記錄時的時間間隔，s。

3.2.2 系統(tǒng)總能耗

短期測試時，每日測試的時間應(yīng)從上午8時開始至次日8時結(jié)束。系統(tǒng)總能耗Qz的測試方法有兩種，可由熱量表直接測量得出，也可通過分別測量流量、溫度等參數(shù)后計算得到：

式中：Qz—系統(tǒng)總能耗，MJ；

n—總記錄數(shù)；

mzi—第i次記錄的系統(tǒng)總流量，m3／s；

ρw—水的密度，kg／m3；

cpw—水的比熱容，J／（kg·℃）；

tdzi—第i次記錄的熱水溫度，℃；

tbzi—第i次記錄的冷水溫度，℃；

ΔTzi—第i次記錄的時間間隔，s。

3.2.3 單日集熱系統(tǒng)效率

短期測試單日的集熱系統(tǒng)效率按式（3）計算：

式中：η—單日集熱系統(tǒng)效率，%；

Qj—集熱系統(tǒng)得熱量，MJ；

A—集熱系統(tǒng)集熱器總面積，m2；

H —太陽總輻照量，MJ／m2。

3.2.4 單日太陽能保證率

短期測試單日的太陽能保證率按式（4）計算：

式中：f—太陽能保證率；

Qj—太陽能集熱系統(tǒng)得熱量，MJ；

Qz—系統(tǒng)能耗，MJ。

以其中的一套太陽能熱水系統(tǒng)為例，列出其詳細(xì)原始檢測數(shù)據(jù)，并計算得出其性能參數(shù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)性能參數(shù)

4 系統(tǒng)評價

4.1 節(jié)能效益評估

4.1.1 貯熱水箱熱損因數(shù)

貯熱水箱熱損因數(shù)的測試時間從晚上8時至次日6時，測試時保證水箱起始水溫不低于50℃，與周圍環(huán)境溫度的差值不小于20℃。整個測試期間應(yīng)確保無冷熱水流進或流出，且水箱水位均應(yīng)處于正常水位。

貯熱水箱熱損因數(shù)按式（5）計算：

式中：USL—貯熱水箱熱損因數(shù)，W／（m3·K）；

ρw—水的密度，kg／m3；

cpw—水的比熱容，J／（kg·℃）；

Δτ—溫度下降的時間，s；

ti—貯熱水箱起始水溫，℃；

tf—貯熱水箱結(jié)束水溫，℃；

tas（av）—降溫期間平均環(huán)境溫度，℃。

計算得到太陽能熱水系統(tǒng)的貯熱水箱熱損因數(shù)如表4所示。

表4 貯熱水箱熱損因數(shù)

貯熱水箱熱損因數(shù)較低可以有效降低系統(tǒng)熱損失，充分利用太陽能，依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》，太陽能集熱系統(tǒng)的貯熱水箱熱損因數(shù)取值為USL不應(yīng)大于30W／（m3·K），則此項性能參數(shù)判定為合格。

4.1.2 太陽能保證率

對于短期測試，設(shè)計使用期內(nèi)的太陽能熱利用系統(tǒng)的太陽能保證率按式（6）計算：

4.1.3 集熱系統(tǒng)效率

對于短期測試，設(shè)計使用期內(nèi)的集熱系統(tǒng)效率按式（7）計算：

上述公式中x1～x4，f1～f4，η1～η4分別為四個太陽輻照量區(qū)間對應(yīng)的測試天數(shù)、單日太陽能保證率和單日集熱系統(tǒng)效率。

表5 太陽能保證率和集熱系統(tǒng)效率

4.1.4 常規(guī)能源替代量

Qj1～Qj4分別表示四個太陽輻照量區(qū)間對應(yīng)的單日集熱系統(tǒng)得熱量，對于短期測試的常規(guī)能源替代量按式（8）計算：

Qtr—常規(guī)能源替代量，kgce；

q—標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，這里取q＝29.307MJ／kgce；

ηt—熱源為傳統(tǒng)能源時的運行效率，這里取ηt＝0.6。

4.2 環(huán)境效益評估

根據(jù)項目常規(guī)能源替代量的計算結(jié)果，對以下三種污染物的減排量進行評估：

二氧化碳減排量（kg）：

二氧化硫減排量（kg）：

粉塵減排量（kg）：

式中：Qtr—常規(guī)能源替代量，kgce；

2.47 ，0.02，0.01為標(biāo)準(zhǔn)煤的各污染物排放因子。

4.3 經(jīng)濟效益評估

4.3.1 系統(tǒng)費效比

太陽能熱利用系統(tǒng)的費效比CBRr按式（12）計算：

CBRr—系統(tǒng)費效比，元／kWh；Czr—太陽能熱水系統(tǒng)的增量成本（元），一般項目單位提供的申報書中有明確的計算和說明，本項目增量成本為562500元；

Qtr—常規(guī)能源替代量，kgce；

q—標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，取q＝29.307MJ／kgce；

N—系統(tǒng)壽命期，根據(jù)項目立項文件等資料確定，當(dāng)無明確規(guī)定，N取15年。

4.3.2 靜態(tài)投資回收期

太陽能熱利用系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收年限按式（13）計算：

Nh—靜態(tài)投資回收年限；

Czr—太陽能熱利用系統(tǒng)的增量成本，元；

Csr—太陽能熱利用系統(tǒng)的年節(jié)約費用，元；

其中年節(jié)約費用Csr計算式為：

P—常規(guī)能源的價格（元／kWh），項目申報決算書中對此無明確規(guī)定時，可根據(jù)當(dāng)時實際能源狀況確定選取，本項目按當(dāng)?shù)孛裼糜秒妰r格0.56元／kWh計算；

Qtr—常規(guī)能源替代量，kgce；

q—標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，取q＝29.307MJ／kgce；

Mr—每年運行維護太陽能熱水系統(tǒng)需要增加的費用（元），可由項目立項報告等相關(guān)文件查閱測算，本項目年運行維護增加費用取22500元

計算得到各項參數(shù)結(jié)果如表6所示。

表6 參數(shù)結(jié)果

4.3.3 判定和分級

按照《標(biāo)準(zhǔn)》，太陽能熱利用系統(tǒng)應(yīng)采用太陽能保證率和集熱系統(tǒng)效率進行性能分級評價，黃山市屬于太陽能資源較富區(qū)，級別劃分依據(jù)見表7。

表7 太陽能熱水系統(tǒng)的太陽能保證率f（%）和集熱效率η（%）級別劃分

根據(jù)上述計算結(jié)果判定，太陽能保證率f（%）的級別為1級，集熱效率η（%）級別為3級，綜合判定取二者的較低級別，判定為3級。

5 結(jié) 論

通過計算得出，該太陽能熱利用系統(tǒng)的太陽能保證率為70.41%，集熱系統(tǒng)效率為42.03%，性能分級綜合判定為3級；常規(guī)能源替代量為72.33噸標(biāo)準(zhǔn)煤，實現(xiàn)了較為客觀的節(jié)能效益，同時帶來的環(huán)境效益也較為顯著；預(yù)計1.83年收回成本。綜合考慮可知，該項目具有較好的示范推廣性。

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