夏熱冬冷地區(qū)太陽能熱水器供暖的改造

李 濤，余俊勇，姚璟儀，羅威龍，傅星宇，毛前軍

(武漢科技大學 城市建設學院，湖北 武漢 430065)

0 引 言

夏熱冬冷地區(qū)冬季陰冷[1]，缺乏集中供暖措施，居住建筑冬季室內(nèi)溫度低、舒適度差[2]，亟需通過供暖手段提升冬季室內(nèi)熱環(huán)境。但如若夏熱冬冷地區(qū)超過150億m2的居住建筑均采用全面供暖，勢必造成供暖能耗的急劇上升[3]。

已有大量研究表明居住建筑適宜于推行分散式供暖[4-5]。目前居民已經(jīng)采用單體分散式供暖形式如分體式空調(diào)、燃氣壁掛爐地板輻射供暖、電散熱器等改善室內(nèi)熱環(huán)境[6-8]，但如果每家每戶都新增傳統(tǒng)能源或者電能供暖措施，仍會造成供暖能耗增加，進而造成碳排放量增加。太陽能供暖是降低建筑能耗的有效手段之一，且在西北太陽能資源富集地區(qū)已經(jīng)得到了較為廣泛的應用[9-11]。倘若在夏熱冬冷地區(qū)能夠應用太陽能供暖技術，將有利于削減能耗。但夏熱冬冷地區(qū)，大多位于太陽能資源可利用的Ⅲ區(qū)，甚至部分地區(qū)位于太陽能資源貧乏的Ⅵ區(qū)[12]，造成太陽能供暖保證率低，在很大程度上影響了太陽能供暖技術的應用。相比于嚴寒、寒冷地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)冬季供暖時間短、建筑熱負荷小，對熱源總量的要求較小，但對于夏熱冬冷地區(qū)居住建筑中推行太陽能分散式供暖是否可行仍缺乏明確定論。

本文通過現(xiàn)場調(diào)研方法掌握夏熱冬冷地區(qū)居住建筑供暖及太陽能熱水器應用現(xiàn)狀，利用碳排放計算，明確了太陽能供暖改造的前景。對太陽能熱水系統(tǒng)進行供暖改造設計，依據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)進行節(jié)能性和經(jīng)濟性分析，并探討太陽能熱水器供暖改造的技術可行性。

1 調(diào)研概況

采用主觀問卷調(diào)查與走訪談話相結合的調(diào)研方式。實地調(diào)研了夏熱冬冷地區(qū)，家中有太陽能熱水器的住戶，了解應用現(xiàn)狀。累計發(fā)放調(diào)查問卷共計1 000份，收回有效問卷761份，有效收回率76.1%。調(diào)研地點涵蓋了夏熱冬冷地區(qū)武漢市、長沙市、合肥市、成都市等典型代表性城市。

在問卷設計階段從圖書館和網(wǎng)絡上查閱文獻，充分了解夏熱冬冷地區(qū)供暖手段和太陽能熱水器的市場情況等，對調(diào)查問題及選項進行優(yōu)化。調(diào)查問卷主要從用戶信息、太陽能熱水器使用概況、居民供暖現(xiàn)狀3部分設置了18個問題。用戶信息包括人口結構和住宅面積。太陽能熱水器使用概況從裝機規(guī)模、購置時間、購買價格、使用時遇到的問題等方面設置了11個問題。居民供暖現(xiàn)狀從供暖方式、供暖年消費、供暖滿意度等方面設置了5個問題。在問卷發(fā)放階段，在考慮城市和鄉(xiāng)村的占比盡可能做到隨機發(fā)放。在問卷回收階段進行有效性篩選、分類匯總，形成調(diào)研結果。

2 調(diào)研結果分析

2.1 供暖需求現(xiàn)狀

通過現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計，供暖區(qū)域分布現(xiàn)狀如圖1所示。

圖 1 供暖區(qū)域分布圖Fig.1 The distribution map of heating area

從圖1可以看出，夏熱冬冷地區(qū)超過3/4的用戶采用各種方式進行供暖。在供暖住戶中，大部分選擇針對臥室或者客廳進行局部分時段供暖，僅有11.4%的住戶選擇了對整個室內(nèi)進行供暖。調(diào)研對象中使用的供暖形式主要包括分體式空調(diào)、小太陽、爐火、炭火等。其中有超過50%的供暖用戶采用分體式空調(diào)，有2戶使用太陽能、地源熱泵等可再生能源形式。盡管該地區(qū)居民采取各種措施提升室內(nèi)熱環(huán)境，但幾乎所有調(diào)查樣本中的居民仍希望進一步有效提高室內(nèi)溫度。

對住戶供暖年運行費用(包含能源支出和設備維護)進行調(diào)查，統(tǒng)計結果如圖2所示。

圖 2 供暖年運行費用分布Fig.2 The heating annual operating cost of residential building

從圖2可以看出，在589例供暖住戶樣本中，53.8%的住戶明確供暖年運行費用超過了1 000元，其中不包括12.2%的住戶表示并未計算過供暖費用。盡管大部分居民選擇客廳和臥室局部供暖且分時段運行，但運行費用仍較高。倘若居民選擇全空間連續(xù)供暖，勢必會大幅度增加供暖年運行費用。

2.2 太陽能熱水器利用現(xiàn)狀

2.2.1 購買時間

圖3為太陽能熱水器購買年份分布。從圖3可以看出，2005年以前購置太陽能熱水器的用戶較少，2005—2016年一直處于增長態(tài)勢。

圖 3 太陽能熱水器購買年份分布Fig.3 The purchase year of solar water heater

究其原因是2005年以前太陽能熱利用還處于起步階段，太陽能熱水器的技術和市場不太成熟，居民對該技術的了解也很有限，尤其是安裝成本和居民收入不相符。2010年以后隨著家電下鄉(xiāng)政策的出臺和國家對清潔能源的支持，太陽能熱水器行業(yè)得到了空前的發(fā)展。

2016年以后，太陽能熱水器市場較為穩(wěn)定，國內(nèi)市場也逐漸趨于飽和。尤其是近兩年，受房地產(chǎn)行業(yè)以及新冠疫情的影響，新建建筑數(shù)量[13]及居民購買力均有所降低。因此太陽能熱水器的發(fā)展已難以擴充用戶數(shù)量，而應當開展多渠道利用形式。

2.2.2 太陽能熱水器裝機規(guī)模

居民常用的太陽能熱水系統(tǒng)裝機容量調(diào)查結果如圖4所示。

圖 4 太陽能熱水器安裝面積分布Fig.4 The installation area of solar water heater

大部分戶用太陽能熱水器的裝機規(guī)模不足2 m2，占樣本總量的63.2%。平均裝機規(guī)模在1.9 m2，僅有12戶的太陽能熱水器集熱面積超過了4 m2，可見受經(jīng)濟、可安裝面積等因素限制，大部分居民傾向于使用小面積的太陽能熱水器。

2.2.3 應用問題

夏熱冬冷地區(qū)居民使用太陽能熱水器遇到的問題為多選題，調(diào)研結果見表1。

表1 太陽能熱水器使用過程中的問題Tab.1 Problems encountered in the use of solarwater heater

根據(jù)表1調(diào)研結果顯示，超過2/3的居民認為冬季水溫不高，且存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，難以對產(chǎn)生的熱水直接利用。即使在夏季，仍有近一半的用戶認為熱水儲量不夠用。除此之外還存在花費太高、商家售后服務差、操作困難、季節(jié)性閑置等問題。

2.3 供暖改造前景

通過對8個村落的調(diào)查結果發(fā)現(xiàn)，安裝太陽能熱水器的用戶比例超過55%。根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)調(diào)研數(shù)據(jù)中每戶人口數(shù)和太陽能熱水器安裝面積及安裝比例，對夏熱冬冷地區(qū)總人口[14]進行換算：設該地區(qū)太陽能熱水器安裝面積為1.5億m2，則采暖季節(jié)能量(Δsave,億MJ)及CO2減排量(QCO2,萬t)為

Δsave=SHD(1-ηL)ηcd

(1)

(2)

式中:S為夏熱冬冷地區(qū)太陽能熱水器安裝面積，億m2；H為夏熱冬冷地區(qū)水平面年平均日太陽能輻射量,10 MJ/(m2·d)[12]；D為采暖季天數(shù),90 d；ηL為熱損失率，取0.05；ηcd為集熱效率,取0.4[12]；w為標準煤熱值,取29.3 MJ/kg；ηe為常規(guī)能源水加熱的效率，取95%；Fco2為輔助能源為電的二氧化碳排放因子0.866 kg；MCO2為CO2相對分子質量；MC為碳的相對分子質量。

計算可得如若將該地區(qū)已經(jīng)安裝的太陽能熱水器改造成冬季供暖，通過計算理論上可以節(jié)能517億MJ，實現(xiàn)CO2減排量590 萬t。

3 供暖改造可行性

調(diào)研結果顯示,接近90%的居民愿意接受太陽能供暖形式，結合太陽能熱水器供暖改造后CO2減排量計算可知，該地區(qū)利用太陽能熱水器進行供暖具有一定的基礎條件和前景。

3.1 供暖改造設計

考慮在原太陽能熱水器的基礎進行供暖改造，增加供暖系統(tǒng)、輔助熱源系統(tǒng)以及控制系統(tǒng),圖5為太陽能熱水器供暖改造設計原理圖。由圖5可知，太陽能熱水器在系統(tǒng)主要起到熱源溫度提升的作用。當晴天白天有太陽輻射時，通過太陽能熱水器的得熱將進水的溫度提升到要求之后進行供暖和供生活熱水；當溫度提升不足時輸送至輔助熱源系統(tǒng)進一步提升達到供暖和生活熱水的溫度要求。當陰天或者夜間無太陽輻射時，系統(tǒng)進水直接進入輔助加熱系統(tǒng)。

圖 5 太陽能熱水器供暖改造設計原理圖Fig.5 Schematic diagram of solar water heater heating reform design

3.2 節(jié)能性

為了進一步明確太陽能熱水器供暖改造的節(jié)能性，以調(diào)研數(shù)據(jù)為基礎，對武漢市氣象條件進行供暖改造節(jié)能率計算。采用估算方法計算建筑供暖總耗熱量QH，kW·h；，即

(3)

式中：qh為供暖耗熱量指標，W/m2；Ah為實際供暖面積，m2；T為供暖總時長，h。

住宅建筑面積取調(diào)研平均值90 m2，按總面積的60%計算得到實際供暖面積54 m2，供暖耗熱量指標取30 W/m2。假設建筑采暖間歇供暖，供暖時長為12 h，則整個采暖季90 d的總耗熱量為1 749.6 kW·h。設調(diào)研單戶住宅太陽能熱水器的安裝面積為2 m2，通過式(1)計算采暖季有效集熱量為684 MJ，折合電量為190 kW·h。因此可得出2 m2的太陽能熱水器供暖，節(jié)能率可達10.9%。

3.3 經(jīng)濟性

假設建筑中已經(jīng)具備完整的供暖系統(tǒng)，將太陽能熱水器改造并入供暖系統(tǒng)中，需要增加的控制器、管道、閥門等初投資共計800元。假設太陽能熱水器的使用壽命為15 a，利用動態(tài)投資回收期法[15]，2 m2的太陽能熱水器供暖改造的回收期為9.9 a。不同面積太陽能熱水器供暖改造增加的初投資不變時，回收期見表2。從表2可知，面積越大的太陽能熱水器供暖改造所得的收益也越高，回收期也越短。當太陽能熱水器面積為6 m2時，對其進行供暖改造時經(jīng)濟性較好，回收期僅為2.7 a。

表2 不同面積太陽能熱水器供暖改造回收期Tab.2 Recovery period of heating reform of differentarea of solar water heater

3.4 改造中存在的技術問題

太陽能熱水器供暖改造前景廣闊，且系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟性均較好。為了更加明確太陽能熱水器供暖改造的可行性，需從技術角度進一步分析改造中存在的問題。

首先是輔助熱源選擇方面。受夏熱冬冷地區(qū)太陽輻射強度以及居民太陽能熱水器安裝面積兩方面因素的影響，太陽能集熱量有限，需要在系統(tǒng)中增設輔助熱源。從現(xiàn)有的研究[16]中可見輔助熱源系統(tǒng)的選擇包含了空氣源熱泵、地源熱泵、燃氣壁掛爐和電鍋爐等。而在戶用的太陽能熱水器供暖改造系統(tǒng)中，選擇何種輔助熱源形式應當考慮系統(tǒng)兼容性、可靠性和資源分布等。

其次是系統(tǒng)控制方面。受太陽輻射不穩(wěn)定性的影響，太陽能熱水器的出水溫度晝夜差異性較大，如何合理控制系統(tǒng)運行使太陽能熱水器集熱量得到最大化利用。控制對象主要為各部件閥門的起閉狀態(tài)，監(jiān)測的參數(shù)主要有系統(tǒng)水流量、水溫、室內(nèi)溫度等。根據(jù)邊界條件編制精準穩(wěn)定的控制算法是系統(tǒng)高效運行的核心。

最后是系統(tǒng)優(yōu)化設計方面。不同建筑采暖熱負荷以及太陽能熱水器集熱量，對系統(tǒng)各部件的容量設計提出的要求不同。主要包括蓄熱水箱的容積、輔助熱源的額定功率、供暖末端的大小等。系統(tǒng)的優(yōu)化設計直接影響供暖的可靠性、節(jié)能性和經(jīng)濟性等，是太陽能熱水器供暖改造技術可行性的關鍵。

4 結 論

1) 通過對夏熱冬冷地區(qū)典型城市761個住戶的現(xiàn)場調(diào)研，88.6%的供暖住戶選擇對臥室或者客廳進行局部分時段供暖，53.8%的住戶供暖年運行費用仍超過了1 000元。太陽能熱水器在夏熱冬冷地區(qū)應用基礎較好，平均裝機規(guī)模在1.9 m2，在應用過程中仍存在著冬季水溫不高、出熱量不足等問題。

2) 根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)計算太陽能熱水器供暖改造的節(jié)能量和CO2減排量分別為517億MJ和590 萬t。初步設計了單戶住宅太陽能熱水器供暖改造系統(tǒng)形式。從其節(jié)能性和經(jīng)濟性分析發(fā)現(xiàn)，面積越大的太陽能熱水器進行供暖改造時節(jié)能性越高，回收期也越短。其中6 m2的太陽能熱水器應用于供暖改造節(jié)能率可達32.6%，增加初投資的回收期為2.7 a。