淺析上海太陽能熱水系統(tǒng)的建筑應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性

馬 寧

上海市建筑建材業(yè)市場管理總站

引言

太陽能使用清潔、分成廣泛，是最重要的可再生能源之一。在各類太陽能利用技術(shù)中，太陽能熱水器作為建筑中生活熱水的熱源，為建筑提供熱水是應(yīng)用規(guī)模最廣、最成熟的技術(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生活熱水能耗占建筑總能耗可達(dá)10%～20%[1]，具有非常大的節(jié)能潛力。

目前我國已成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)和銷售國，其生產(chǎn)能力和應(yīng)用規(guī)模都處于世界首位。根據(jù)中國太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《中國太陽能熱利用行業(yè)運(yùn)行狀況報(bào)告》[2]，中國占全球太陽能集熱器安裝保有量超過70%。

太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用于建筑的目標(biāo)是利用太陽能來滿足建筑物的生活熱水用能需求。根據(jù)2013年對光熱建筑應(yīng)用項(xiàng)目的抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)顯示[3]，92%的項(xiàng)目使用熱水系統(tǒng)，1%的項(xiàng)目使用采暖系統(tǒng)，6%的項(xiàng)目采取熱水系統(tǒng)與采暖系統(tǒng)相結(jié)合的方式，1%的項(xiàng)目采取熱水、采暖及空調(diào)系統(tǒng)三者相結(jié)合的方式，如圖1所示。由此可見，熱水系統(tǒng)占據(jù)絕對的主導(dǎo)地位，且由于采暖系統(tǒng)主要是利用太陽能產(chǎn)生的熱水進(jìn)行供暖，采暖系統(tǒng)常與熱水系統(tǒng)一起使用。

圖1 太陽能光熱建筑應(yīng)用類型分布

1 上海太陽能資源

1.1 太陽輻射概況

上海市地處長江中下游地區(qū)，水平面年總輻射量為4 658 MJ/（m2·a）[4]，相當(dāng)于140～170kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量；年總?cè)照諘r(shí)數(shù)為1 997.5h[5]，屬于Ⅲ類太陽能資源分區(qū)。

1.2 太陽輻射強(qiáng)度

根據(jù)《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T 346-2014中上海典型氣象年逐時(shí)太陽總輻射量（即太陽總輻射強(qiáng)度）數(shù)據(jù)可知，上海市春夏季的太陽總輻射強(qiáng)度比秋冬季高，全年最高太陽總輻射強(qiáng)度約為800W/m2，詳見圖2。

圖2 上海市太陽總輻射強(qiáng)度變化圖

上海市全年各級太陽總輻射強(qiáng)度頻數(shù)如圖3所示。由圖可知，全年太陽總輻射強(qiáng)度＞500W/m2出現(xiàn)頻數(shù)最高，為957h，其次為強(qiáng)度范圍0～100 W/m2的出現(xiàn)頻數(shù)，約為693h。太陽總輻射強(qiáng)度范圍為100W/m2～500W/m2的出現(xiàn)頻數(shù)較為相近，約為600h。

圖3 上海市太陽總輻射強(qiáng)度頻數(shù)

1.3 日均太陽輻射量

上海年均日太陽總輻射量為12.76MJ/（m2·d）[6]。上海太陽總輻射量逐日變化如圖4所示。由圖可知，日均太陽總輻射量在7月初達(dá)到全年峰值，約為22 MJ/（m2·d）；在12月末達(dá)到最低值，約為6 MJ/（m2·d）。

圖4 上海市太陽總輻射量逐日變化圖

1.4 月均太陽輻射量

上海典型氣象年月均太陽總輻射量為381.54 MJ/（m2·月），4月～9月的太陽總輻射量均大于400MJ/（m2·月）。

典型年太陽總輻射量逐月變化如圖5所示。由圖可知，月均太陽總輻射的全年峰值出現(xiàn)在7月，為584.3 MJ/（m2·月）。12月份的太陽總輻射量最低，為244.6 MJ/（m2·月）?？傮w來看，1月～5月份的太陽總輻射量逐步增加，7月～12月份的太陽總輻射量逐步降低；可能受6月份梅雨天氣的影響，與5月和7月份相比，6月份的太陽總輻射量有所降低。

圖5 上海市太陽總輻射量逐月變化圖

2 上海太陽能熱水系統(tǒng)發(fā)展的政策和標(biāo)準(zhǔn)

上海早在2005年就開始組織可再生能源在建筑領(lǐng)域的科研、技術(shù)攻關(guān)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定工作?！笆晃濉逼陂g先后發(fā)布并實(shí)施了《上海市民用建筑太陽能應(yīng)用技術(shù)規(guī)程（熱水系統(tǒng)分冊）》DGJ-2004A、《民用建筑太陽能系統(tǒng)應(yīng)用圖集（熱水系統(tǒng)分冊）》DBJT08-110A、《既有民用建筑能效評估標(biāo)準(zhǔn)》DG/TJ08-2036、《建筑能效標(biāo)識技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DG/TJ 08-2078、《上海市建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程》DGJ-08-113等標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的頒布為上?？稍偕茉磁c建筑一體化應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

2011年開始實(shí)施的《上海市建筑節(jié)能條例》第十一條也明確規(guī)定：“本市鼓勵(lì)發(fā)展太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源與建筑一體化應(yīng)用研究、示范和推廣。新建有熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的公共建筑或者六層以下住宅，建設(shè)單位應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)并安裝符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的太陽能熱水系統(tǒng)。鼓勵(lì)七層以上住宅設(shè)計(jì)并安裝太陽能熱水系統(tǒng)。”

上海為進(jìn)一步加大對太陽能熱水系統(tǒng)建筑應(yīng)用的推進(jìn)力度，先后發(fā)布了三輪建筑節(jié)能扶持政策，現(xiàn)行有效的《上海市建筑節(jié)能和綠色建筑示范項(xiàng)目專項(xiàng)扶持辦法》（滬建材聯(lián)〔2016〕432號），重點(diǎn)將太陽能、淺層地?zé)崮艿瓤稍偕茉磁c建筑一體化的居住建筑或公共建筑作為示范的項(xiàng)目之一，明確了可再生能源建筑應(yīng)用的技術(shù)要求。上海對可再生能源與建筑一體化應(yīng)用的政策支持，調(diào)動(dòng)了參與各方的積極性。

3 上海太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前上海對于太陽能光熱技術(shù)的利用主要集中在熱水系統(tǒng)。在政策的監(jiān)督引導(dǎo)和鼓勵(lì)之下，太陽能熱水系統(tǒng)在上海市建筑應(yīng)用快速發(fā)展，迄今已發(fā)展成為比較穩(wěn)定成熟的綠色、節(jié)能技術(shù)。

太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀主要包括集熱器類型及布置、熱水系統(tǒng)形式、建筑一體化程度、輔助熱源及控制系統(tǒng)、投資回收期、系統(tǒng)節(jié)能量等方面。

3.1 集熱器形式及布置

目前應(yīng)用較為廣泛的集熱器形式主要有平板型集熱器和真空管型集熱器兩種。真空管型集熱器熱效率高，保溫效果好，應(yīng)用范圍較廣；而平板集熱器外形美觀，易于與建筑結(jié)合，但保溫效果差，因?yàn)閮r(jià)格較便宜，應(yīng)用范圍亦日趨廣泛。

集熱器布置位置主要在陽臺和屋面，對于建筑高度較低的公共建筑和多層住宅，集熱器布置在屋面能夠滿足用水要求；但對于高層住宅，僅在屋面設(shè)置集熱器難以滿足用水量要求，因此高層住宅多將集熱器布置在陽臺上。

屋面布置集熱器的安裝傾角一般為15度～30度，熱效率較高；陽臺布置集熱器的角度因美觀問題有較高要求，一般垂直略帶角度安裝，為達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果，需根據(jù)角度及上海輻照量等諸多影響因素增加集熱器面積。

3.2 熱水系統(tǒng)形式

太陽能熱水系統(tǒng)的形式可按集熱形式和貯熱形式的不同分為緊湊式、分體式、集分式和集中式四類，各類系統(tǒng)形式特點(diǎn)及適用場所見表1。

3.3 建筑一體化

太陽能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合方式一般有屋頂支架、嵌入屋面、陽臺壁掛及墻面壁掛式四種方式。

住宅建筑多采用屋頂支架式和陽臺壁掛式，少數(shù)采用嵌入屋面及墻面壁掛式。公共建筑多采用屋頂支架式。

3.4 輔助熱源情況

大部分住宅建筑太陽能熱水系統(tǒng)輔助熱源采用電加熱，公共建筑中主要有電輔熱、燃?xì)廨o熱等，也有少數(shù)項(xiàng)目采用熱泵作為太陽能熱水系統(tǒng)的輔助熱源。輔助熱源的啟動(dòng)形式基本實(shí)現(xiàn)了無人值守的自動(dòng)啟動(dòng)方式。

表1 各類太陽能熱水系統(tǒng)形式特點(diǎn)及適用場所

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 初投資

太陽能熱水系統(tǒng)的初始總投資包括太陽能集熱系統(tǒng)、輔助加熱系統(tǒng)、熱水供水系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和其他不可預(yù)見費(fèi)用等，其中太陽能集熱系統(tǒng)部分為太陽能熱水系統(tǒng)的增加投資部分（見圖6）。

圖6 熱水系統(tǒng)總投資（虛線框內(nèi)部分為增投資部分）

對于整個(gè)熱水系統(tǒng)的總投資而言，非承壓的開式系統(tǒng)和承壓閉式系統(tǒng)初始投資差別較大，分別約為23 000元/t熱水和60 000元/t熱水。對于增加投資部分，即太陽能集熱系統(tǒng)投資，主要取決于集熱器的選型，各類型集熱器平均價(jià)格（包含管道附件及安裝費(fèi)用等）如表2所示。

表2 集熱器投資

4.2 節(jié)能量

不同太陽能熱水系統(tǒng)的單位面積集熱量不同，主要受系統(tǒng)所在地區(qū)太陽能資源、集熱器效率以及太陽能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行情況影響。

根據(jù)上海市太陽能資源和系統(tǒng)運(yùn)行情況，不考慮集熱器集熱效率的差異，計(jì)算單位面積光熱集熱器的年節(jié)能量為2 047.6MJ/m2·4，折合成天然氣（天然氣當(dāng)量熱值16 742kJ/m3，燃燒效率85%，天然氣均價(jià)2.5元/m3）的費(fèi)用為360元/m2·m。

4.3 投資回收期

靜態(tài)投資回收期估算：靜態(tài)投資回收期=初始增投資/年節(jié)約成本。

不同集熱系統(tǒng)的投資回收期見表3。

目前上海主要采用平板集熱器和真空管集熱器，靜態(tài)投資回收期小于3年。太陽能熱水系統(tǒng)的使用壽命一般在10～15年。因此使用太陽能熱水系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

此外，以真空管作為集熱器的太陽能熱水系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期最短，但由于真空管容易出現(xiàn)爆管等現(xiàn)象，導(dǎo)致真空管的使用壽命較短；全玻璃U型管投資回收期最長，而且其實(shí)際集熱效率比較高，在陰雨天氣仍然能夠集熱，實(shí)際使用效果及舒適性較好。

表3 集熱器投資

不同輔助加熱裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果也不盡相同，以加熱10m3/d生活熱水為例，冷水溫度15℃，熱水溫度60℃，生活熱水年均耗熱量為：10m3/d×0.983kg/L×4.187kJ/kg·℃×（60-15）℃×365=676 023.6 MJ/a。

其中，太陽能熱水保證率取50%，則由輔助能源提供的熱量為338 011.8 MJ/a。各類常用輔助能源的費(fèi)用計(jì)算見表4。

由表4可知，目前常用的兩種輔助熱源（電能和天然氣）的初始投資及年運(yùn)行能源費(fèi)用幾乎相等；空氣源熱泵的年運(yùn)行能源費(fèi)用較低，但因?yàn)樵黾恿丝諝庠礋岜孟到y(tǒng)，因此初始造價(jià)較高，從長遠(yuǎn)運(yùn)行角度來源，太陽能+空氣源熱泵輔熱較為經(jīng)濟(jì)適用。

表4 各種能源當(dāng)量熱值、燃燒效率及單位成本

5 典型案例

5.1 項(xiàng)目概況

某住宅項(xiàng)目，為多層住宅和高層住宅組成的9棟建筑，其中810戶全裝修住宅，建筑面積為9.17萬m2，采用太陽能熱水系統(tǒng)，現(xiàn)已投入使用。項(xiàng)目實(shí)景見圖7。

圖7 項(xiàng)目實(shí)景圖

5.2 太陽能熱水系統(tǒng)

項(xiàng)目采用陽臺壁掛式太陽能熱水系統(tǒng)，以溫差循環(huán)控制方式運(yùn)行，燃?xì)廨o助加熱。項(xiàng)目系統(tǒng)原理圖見圖8，采用CPC真空管集熱器，每戶集熱器面積3.4m2，配備150L單盤管水箱，如圖9所示?？偧療崦娣e為2 754 m2。太陽能集熱器布置在陽臺欄板處，安裝傾角為75度，如圖10所示。部分頂層住戶的集熱器安裝在屋面，安裝傾角為30度。

圖8 系統(tǒng)原理圖

圖9 水箱

圖10 陽臺集熱器

5.3 太陽能熱水系統(tǒng)能效測評

經(jīng)第三方能效測評，該項(xiàng)目太陽能熱水全年保證率達(dá)到45%，集熱器采光面積集熱效率達(dá)到50%。根據(jù)現(xiàn)場測試和模擬計(jì)算，計(jì)算全年常規(guī)能源替代量為164.45 t標(biāo)煤；二氧化碳減排量406.19 t/a，二氧化硫減排量3.29 t/a，粉塵減排量1.64 t/a。

6 小結(jié)

太陽能熱水系統(tǒng)目前在建筑領(lǐng)域應(yīng)用頗廣，其在能源利用方面有著顯著的優(yōu)勢，是建筑節(jié)能的重要組成方式。太陽能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合，不僅讓住戶家庭生活得更自然更環(huán)保，而且在節(jié)能的同時(shí)減少了污染物的排放，對實(shí)現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

為實(shí)現(xiàn)《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中“十三五”總體目標(biāo)：城鎮(zhèn)可再生能源替代民用建筑常規(guī)能源消耗比重超過6%。我們要結(jié)合本市太陽能條件，考慮到不同建筑類型及不同可再生能源類型的差異性，因地制宜地采用可再生能源。