天津某小區太陽能熱水系統設計及節能效益分析

盧娜 崔學海 侯延銘

（北京市住宅建筑設計研究院有限公司 北京 100005）

天津某小區太陽能熱水系統設計及節能效益分析

盧娜 崔學海 侯延銘

（北京市住宅建筑設計研究院有限公司 北京 100005）

天津生態城某住宅小區太陽能熱水系統選用集中集熱、分戶供熱設計方案，采用安全可靠的熱管式真空管太陽能集熱器。通過比較，系統的運行費用遠遠低于幾種常規能源熱水系統，回收周期平均在3～5年，具有較大的社會、經濟和環保效益。該項目投資合理，應用成功，效益可觀。

太陽能熱水系統；集中集熱-分戶供熱；節能；效益

1 前言

跨入21世紀以來，能源已經成為全球熱點、焦點問題。太陽能以其各種優勢日益受到世界各國的重視，美國對太陽能做了積極探索，其中“百萬太陽能屋頂計劃”將生產相當于2～3個燃煤發電廠的電力[1]。我國太陽能資源豐富，約占全國國土面積2/3的地區年平均太陽能輻照總量在3340MJ/m2～8400MJ/m2，年日照時數超過2200h[2]。一般來說，在年日照時數大于1200h，年太陽輻射量大于3500MJ/m2的地區，宜設計選用太陽能系統[3]。

目前在我國，太陽能熱水器的利用占主導地位，已成為太陽能應用最為廣泛、產業化最迅速的產業之一[4]。本文以天津生態城某住宅小區為例，研究了太陽能熱水與建筑一體化，并對其社會、經濟和節能效益進行了分析。

2 工程實例概況

本住宅小區項目位于天津生態城內，太陽能條件為資源較富區，等級Ⅱ級，年日照時數3000h～3200h，水平面上年太陽輻照量5400MJ/m2·a～6700MJ/m2·a，太陽能保證率50%～70%，極為適合利用太陽能。

該項目總用地面積33500m2，總建筑面積72471m2，住宅面積52588m2，共10棟住宅樓。設計每人熱水用水標準為30L/d。

3 設計依據

國家現行設計規范、標準。

相關參數：國家標準規定標準太陽能日平均輻照量，17.00MJ（/d· m2）；冷水基礎水溫，取年平均13℃；熱水設計溫度：取年平均50℃；分戶供熱系統，熱水水量90L/戶。

4 熱水系統設計

4.1 設計方案

針對本項目特點和要求，經方案評比及論證，選用集中集熱、分戶供熱的太陽能熱水系統方案，具體設計如下：

4.1.1 每棟安裝1套太陽能熱水系統，每個系統獨立運行，由太陽能集熱器、循環水箱、循環泵組、用戶換熱水箱（帶輔助電加熱）、管道及控制儀表等設備組成；

4.1.2 集熱器集中安裝在屋頂，循環水箱、太陽能循環泵安裝在樓頂設備層；

4.1.3 用戶用90L水箱安裝在衛生間內，通過立管與太陽能系統連接，形成換熱回路。

4.2 主要設備選型

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

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

4.3 系統工作過程

以優先使用太陽能產熱，電加熱輔助產熱為設計原則，管路系統采用三管同程式，防止熱水短路。系統為雙循環方式，即集熱循環和熱水循環，集熱循環在太陽集熱器和換熱盤管之間，熱水循環在水箱內，為自然循環。

5 系統計算

5.1 確定樣板系統

由于多層住戶戶型相近，因此選擇典型戶型系統作為計算模板。

5.2 單元（12戶）獨立系統耗熱量計算

5.2.1 12戶日耗熱量、熱水量計算：

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）

則系統設計日用熱水量為1080L/d，系統日耗熱量為1936.49W。

5.2.2 設計小時耗熱量計算：

計算得到Qh=7997.69W。

5.3 太陽能集熱器集熱面積計算

太陽能集熱器組數是通過國標GB50364-2005中的計算公式得到，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——貯水箱內水的設計溫度，℃；取值50℃；

ti——水的初始溫度，℃；取值13℃；

JT——當地集熱器采光面上的年平均日太陽能輻照量，15.8×103kJ/m2；

f——太陽能保證率，取值0.70；

ηcd——集熱器的平均集熱效率；根據集熱器的檢測報告，66.20%；

ηL——系統管路和儲水箱熱損失率，20%；

由于以上計算出來的為直接系統的集熱面積，根據直接系統與間接系統集熱面積之間的關系（如公式2），可以得出間接系統集熱器面積AIN。

AC-直接系統集熱器面積；

FRUL-集熱器總熱損失系統；

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，計算平板集熱器每戶90L水所需的集熱面積AC（一次系統），AIN(二次系統)：

將以上熱管集熱器相關數據代入公式(1)，計算得AC：=1.16m2再將AC的值代入公式(2)，計算得AIN：AIN=1.24m2。

5.4 小結

計算得到：太陽能系統集熱器總面積：472.56m2；太陽能系統提供的總熱水量：34299L/d；設計所需熱水量定額為：37056L/d；太陽能系統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 社會效益

太陽能無污染，且取之不盡用之不竭，因此開發、推廣太陽能產品具有良好的社會效益和長遠的社會意義。太陽能熱水器是目前太陽能產品中技術最成熟、應用最廣泛的一種，具有環保節能和安全方便的特點，它的更普遍、合理的應用，勢必會帶來更可觀的社會效益。

該住宅小區是集太陽能節能技術、建筑一體化技術于一體的綜合性的中高層居民住宅小區，太陽能系統投資合理。小區所有住宅樓的熱水均由太陽能供應，為國家、為社會節約了能源，是切實可行的。

6.2 經濟效益

6.2.1 與常規能源運行費比較

本項目太陽能系統集熱器總面積：472.56m2，太陽能系統提供的總熱水量：34299L/d，設計所需熱水量定額為：37056L/d。

不考慮各種方式的初投資成本，運行費用對比如表1所示。

表1 不同能源運行費用對比

6.2.2 太陽能系統回收年限

太陽能熱水系統投資計算：每平米太陽能造價約2000元，本項目太陽能系統集熱器總面積472.56m2；故系統投資為2000元/m2×472.56m2=94.5萬元。

太陽能熱水系統回收年限：經計算，與電加熱、燃煤鍋爐、燃油和燃氣常規能源相比，投資回收年限分別為：3.15年、4.44年、2.42年和3.02年。

可見，采用太陽能熱水系統是經濟合理的投資方式。

6.2.3 節能環保效益

由上節計算比較可知，太陽能的節能性是毫無疑問的，下面的計算會更為直觀的看到太陽能熱水器的節能效益。

知太陽能提供熱水總量為34299L/d，冷水年平均溫度13℃，熱水設計溫度取年平均50℃，每年按365天計

故每年太陽能得熱量為：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%計算，假定電費0.5元/kW·h，

則每年可節約的電量為6.0×105kW·h，節約電費30萬元。

（2）與燃煤鍋爐比較

知煤的熱值為20920kJ/kg，電的效率按50%計算，假定煤的價格1000元/t，

則每年可節約的煤量為1.86×105kg，節約燃煤的價值18.6萬元。

（3）環保效益分析

由《太陽能供熱采暖工程技術規范》（GB50495-2009）中太陽能供熱采暖系統的二氧化碳減排量公式可計算C減排量，公式如下：

式中QCO2——系統壽命期內二氧化碳減排量，kg；

ΔQsave——太陽能供熱系統的年節能量，MJ；

n——分析節省費用年限，從系統開始運行算起，一般取集熱器壽命15年；

W——標準煤熱值，29.308MJ/kg；

Eff——常規能源水加熱裝置的效率，%；

FCO2——二氧化碳排放因子。

計算可得太陽能熱水系統使用壽命中（一般為15年），相對于電、煤、石油和天然氣不同常規能源系統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，應用太陽能熱水系統真正做到了節能減排，符合社會和全球的需要，具有較大的節能環保效益。

7 結論

本項目住宅小區采用的太陽能熱水系統投資合理，應用成功，通過比較，系統的運行費用遠遠低于幾種常規能源熱水系統，回收周期平均在3a～5a，具有較大的經濟效益。系統每年節約的常規能源折合如下：節約電量6.0×105kW·h，節約電費30萬元，CO2年減排量2.34×105kg；節約煤量1.86×105kg，節約燃煤的價值18.6萬元，CO2年減排量3.53×105kg。因此，今后該類型住宅小區熱水系統可以在其他城市大力推廣。

[1]張揚,高輝.太陽能利用與環境可持續發展是統一框架之下的系統工程—美國百萬太陽能屋頂計劃之啟示[J].新能源,2000,22（9）：51-54.

[2]牛志恒,李云鵬.我國太陽能建筑發展的現狀及太陽能與建筑一體化[J].中國科技博覽,2010,17：7.