夏熱冬冷地區(qū)可再生能源熱水系統(tǒng)探討

王 麗, 楊 修

(廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，廣西南寧 530004)

隨著《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》等“1+N”政策體系的陸續(xù)發(fā)布，充分顯示了國家對于降低碳排放量，調(diào)整“大量生產(chǎn)、大量消耗、大量排放”產(chǎn)業(yè)的決心。而據(jù)調(diào)查顯示我國的建筑能耗占能源總消耗的比例已經(jīng)達(dá)到27%甚至更高，這說明實現(xiàn)建筑能源的綠色化對于降低碳排放，解決整個社會能源問題的重要意義。目前常用的可再生能源熱水系統(tǒng)有太陽能+空氣源熱泵系統(tǒng)、太陽能+電熱水器系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)，如何從這些可再生能源熱水系統(tǒng)中選擇經(jīng)濟(jì)適用的一套系統(tǒng)，也是夏熱冬冷地區(qū)在可再生能源熱水系統(tǒng)利用方面迫切需要解決的問題。

1 研究對象地區(qū)(桂林)概況

在氣候上，桂林是廣西緯度較高的地區(qū)，年溫不高、氣候溫和。輻射量和日照較少而季節(jié)變化大、熱量水平低。年太陽輻射3 726～4 354MJ/m2，年日照率在28%～38%間，夏、秋2季日照率較高，桂林等地最高的月份達(dá)59%，是廣西的高值區(qū)之一；冬、春兩季日照率較低，多在20%以下，2、3月多為16%～17%，是廣西的主要低值區(qū)[1]。

研究將以高校宿舍太陽能建筑一體化設(shè)計為例，探討在廣西夏熱冬地區(qū)這個特定的自然環(huán)境和地理條件下熱水系統(tǒng)輔助能源研究及其能源經(jīng)濟(jì)效益，為今后該地區(qū)對于太陽能熱水系統(tǒng)輔助能源的利用尋找一條經(jīng)濟(jì)適用的道路。

2 工程實例

2.1 項目概況

本項目為桂林某高校宿舍樓，位于桂林市雁山區(qū)，北緯25°03′，東經(jīng)110°18′。坡屋頂，傾角為21°，方位角為16°公寓樓地上共6層，共住612(學(xué)生)+1(管理員)=613人。目前校區(qū)內(nèi)已建有1#～8#宿舍樓，與本項目相鄰，建筑風(fēng)格也與本項目相似，皆為帶有傳統(tǒng)桂北建筑風(fēng)格的多層宿舍建筑。

2.2 可再生能源熱水系統(tǒng)選擇

幾種可再生能源熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性對比見表1。

根據(jù)表1幾種供熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)對比，可以明顯地看出太陽能熱泵系統(tǒng)相較于地源熱泵和空氣源熱泵具有幾點優(yōu)勢：

表1 可再生能源熱水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性對照

(1)同等供應(yīng)熱水量條件下，1年的燃料耗量只有地源熱泵和空氣源熱泵的1/5，相對應(yīng)的燃料價也較另2種系統(tǒng)節(jié)省4/5。

(2)雖然3種系統(tǒng)都需要專用機(jī)房，但對于地源熱泵來說由于土壤的導(dǎo)熱系數(shù)較小，埋管內(nèi)的載能流體與管外的土壤之間能流密度很小，換熱量小，所以需要的地下?lián)Q熱器的表面積很大，占據(jù)較大的地下和地上空間[2]；而空氣源熱泵布置在地面上，占地面積大；相比起來，在相同熱負(fù)荷條件下，太陽能熱泵所需要的集熱器面積與蓄能裝置容積等都比其他2種系統(tǒng)要小得多，并且經(jīng)過一體化設(shè)計后能讓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，對建筑風(fēng)貌干擾不大。

(3)地源熱泵部分系統(tǒng)需鋪設(shè)在土壤中，會對土壤環(huán)境造成一定的影響；空氣源熱泵則有可能使外部空間環(huán)境局部惡化，引起熱島效應(yīng)；而太陽能清潔、安全，幾乎不會造成環(huán)境污染。

(4)地源熱泵、空氣源熱泵運行時噪音較大，對居住、工作都有較大干擾，太陽能熱泵則無這個問題。

(5)地源熱泵埋置于土壤的部分較難維修；空氣源熱泵則有可能在供熱工況下，蒸發(fā)器上會結(jié)霜，需要定期除霜[3]；而太陽能熱泵相對來說維修界面較為直接，且受外界影響較小。

(6)3種能源中，地源熱泵的初始投資是最大的，太陽能熱泵相對適中，但因為太陽能熱泵的年花費最少，所以匯總對比后仍然是太陽能熱泵的經(jīng)濟(jì)性占有較大優(yōu)勢。

相較于地源熱泵和空氣源熱泵，太陽能熱泵有如此多種的優(yōu)點，因此本項目選擇采用太陽能熱水系統(tǒng)，具體輔助能源選擇電能還是空氣能還需要進(jìn)一步比較決定。

2.3 太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 集熱參數(shù)設(shè)定

桂林全年的太陽能輻射量差異較大，采用年平均值不足以說明建設(shè)地的氣候特點。因此，需要利用桂林逐月氣溫和太陽輻射量等數(shù)據(jù)，計算出各個季節(jié)該地區(qū)每戶所需的集熱面積，為建筑師進(jìn)行立面設(shè)計提供可靠數(shù)據(jù)。項目主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2所示。

表2 項目主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2.3.2 集熱器選型

目前，國內(nèi)大部分熱水系統(tǒng)采用真空管集熱器，而在和建筑的結(jié)合上，平板集熱器在國外已經(jīng)運用得相當(dāng)成熟，更容易與建筑相結(jié)合。在外觀上，國內(nèi)外應(yīng)用最廣的是深藍(lán)色和深褐色的平板型太陽能集熱器，項目在結(jié)合宿舍樓的外墻設(shè)計時，結(jié)合原有的紅色瓦屋面色彩采用了深褐色的集熱器，更符合建筑一體化的美觀要求，如圖1所示。

圖1 屋頂太陽能板特寫

2.3.3 集熱系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)太陽能熱水系統(tǒng)與多層學(xué)生宿舍的適配性，考慮到該學(xué)生宿舍的屋面面積的局限性、造價高、桂林地區(qū)硬水水質(zhì)、日照情況以及用水要求等多方面因素，因此該項目采用集中集熱—集中儲熱—強(qiáng)制循環(huán)—間接換熱的熱水系統(tǒng),相對于分戶供熱水系統(tǒng)，熱水得到合理分配與管理，更適合集合住宅的形式。項目采用1個單元1個集中熱水系統(tǒng)，按每間人數(shù)4人，人均用水量50L/d計算，得出每單元每天用水量(表3)。

表3 每單元宿舍間數(shù)及其每天用水量

項目熱水系統(tǒng)的設(shè)計按照每個單元作為1個循環(huán)，由統(tǒng)一的儲熱水箱通過管道井向各層用水點提供熱水，水壓一般可至屋面。由于桂林所處的地理環(huán)境并非太陽能輻射量高產(chǎn)區(qū)，陰雨天與冬季的部分時期太陽能輻射量達(dá)不到熱水使用要求，則需要一定的輔助熱源來滿足供熱水要求。關(guān)于輔助能源到底是使用空氣源熱泵還是電熱水器，本研究進(jìn)行了測算比較，見表4。

經(jīng)計算1年大概只有120天沒有太陽光照，需要空氣源熱泵輔助加熱，電費按1元/(kW·h)計算。

由表4可知，本項目使用太陽能+空氣源熱泵輔助加熱比太陽能+電熱水器輔助加熱每年節(jié)約158 585.5kW·h，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤為60.3t(按標(biāo)煤0.38kg/kW·h),減少二氧化碳排放158.1t,4.8t二氧化硫(S02)的污染排放。無論是從環(huán)保程度、系統(tǒng)效率還是經(jīng)濟(jì)效益都是采用空氣源熱泵更優(yōu)于采用電熱水器。因此，在水箱處均安裝有空氣源熱泵與集熱循環(huán)泵，當(dāng)檢測溫度低于50 ℃時，會自動啟動循環(huán)加熱裝置，以保證最不利工況時能及時供熱、即開即熱的使用要求，防止冬季陰雨天氣集熱面積不夠的情況；而夏季集熱面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出用戶的需求量，所以可以考慮關(guān)掉部分工質(zhì)循環(huán)，避免造成浪費，或是用于其他用途，例如宿舍庭院的花草灌溉。這樣做方便管理與維修，計量收費簡單易行，還能平衡宿舍間用熱水量，充分利用集熱器與太陽散射輻射集熱功能。并且如果人人都有多用熱水的意識習(xí)慣，則集中集熱儲熱管線過長的問題就會弱化。

2.3.4 施工設(shè)計

綜合以上設(shè)計與分析結(jié)果，可以得出相應(yīng)的建筑施工圖，為具體施工提供可靠依據(jù)，并可計算出該項目的總建筑工程費用，得出熱水計量收費標(biāo)準(zhǔn)。為了不破壞屋面防水層，屋面集熱器的固定采用安裝預(yù)埋件的固定方式，平屋面預(yù)留了太陽能熱水立管出屋面、太陽能熱水器電路出屋面的孔洞，并相應(yīng)進(jìn)行了建筑構(gòu)造做法處理。夾層內(nèi)置儲水箱，并不外露，使得外觀更美觀。樓梯間可通往夾層。夾層與屋面、夾層與其余樓層之間預(yù)留孔洞和管井。為了增加管井的使用效率，方便維修，將各房間的太陽能熱水立管與冷水管整體考慮，共同置于樓梯間的管道井內(nèi)。并設(shè)置可上人樓梯用于維修與維護(hù)。

表4 輔助能源使用空氣源熱泵和電熱水器的對比研究數(shù)據(jù)(2種能源系統(tǒng)使用期內(nèi)成本計算30650L/d熱水器的比較)

3 結(jié)束語

從上文分析可知，在廣西北區(qū)相同設(shè)計條件下的多種可再生能源熱水系統(tǒng)從燃料消耗、系統(tǒng)占地面積、初始投資、污染性、噪音影響、設(shè)備維護(hù)、運行費用等多方面進(jìn)行測算對此之后，可知設(shè)計選擇太陽能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)比其他幾種可再生能源熱水系統(tǒng)擁有的優(yōu)點：

(1)初始投資適中，年運行費用較低，投資總額度小，回報率較高。

(2)年燃料消耗低，二氧化碳排放量較之其他幾種更少，從節(jié)能、環(huán)保上占據(jù)更多優(yōu)勢。

(3)設(shè)備布置靈活，占地面積小，在經(jīng)過一體化設(shè)計后，可與建筑外觀緊密結(jié)合，不影響建筑風(fēng)貌。

(4)對周邊環(huán)境無污染，無噪音。

(5)后期維修、維護(hù)直觀、方便。

今后該地區(qū)在進(jìn)行熱水系統(tǒng)選擇時，都可以參照本研究結(jié)論去進(jìn)行選擇，優(yōu)先考慮太陽能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，這種相對環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的熱水系統(tǒng)。