高層住宅太陽能熱水系統的節能環保分析

王東萍 焦志鵬

（1 河南建筑職業技術學院，河南 鄭州 450064 2 中國建筑東北設計研究院有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450000）

黨的十九大報告再次強調“樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節約資源和保護環境的基本國策。”為了實現節能減排，保護環境，建設美麗中國，利用可再生能源和清潔能源必不可少。

太陽能作為一種可再生的清潔能源，已越來越被人們所接受。太陽能熱水應用技術在諸多太陽能熱利用技術中，是技術最成熟、應用最廣泛的一種技術，主要應用于多層、低層建筑中。隨著我國城市快速發展，建筑用地資源越來越少，高層住宅已成為我國大中城市新建住宅的主要類型，因此在高層住宅中利用太陽能解決生活熱水問題更具有現實意義，也更能節約能源和實現節能減排。本文以已建成的某高層住宅小區為例，重點進行節能減排分析。

本小區由8棟18層板式高層住宅樓組成，小區共26個單元，分L、M、N三種戶型。采用集中集熱—分戶儲熱的太陽能熱水系統。每戶衛生間放置一個加熱水箱，采用銅盤管間接換熱方式。為解決陰雨天氣或季節變化造成的太陽能熱水供應不足問題，每戶設燃氣壁掛爐作為輔助熱源，每戶設置溫度傳感器和可靠的電磁閥控制熱媒流量，以保證分戶水箱的熱量不會傳遞到系統中去。太陽能設備、各戶的加熱水箱、溫度傳感器、電磁閥、太陽能設備與各分戶加熱水箱之間的管道系統均由開發商出資并負責日常維護管理，輔助熱源由開發商出資各戶自行管理。設置太陽能系統增加了開發商的投資，但跟目前的高房價相比還在可接受的范圍內，并且集中熱水供應也是樓盤的一個賣點。系統原理如圖1所示。

圖1 太陽能熱水系統原理圖

下面以L單元為例進行該住宅太陽能熱水系統節能減排計算，L單元共54戶。

1 集熱面積的計算

1.1 直接系統太陽能集熱器總面積計算

太陽能集熱器面積有兩種不同的定義：總面積和采光面積。總面積參與計算確定需要使用的太陽能集熱器數量、太陽能集熱系統的定位和總占地面積。采光面積則用于判斷某一太陽能集熱器產品的性能指標是否合格。

根據太陽能熱水系統的使用情況，氣象參數做如下選定：四季使用時，采用全年平均氣象參數；春季、夏季、秋季使用時，采用春分或秋分所在月的月平均氣象參數；冬季時，采用12月份的月平均氣象參數。該系統四季供應生活熱水，采用全年平均氣象參數。

直接系統集熱器總面積可根據用戶的每日用水量和用水溫度確定，按下式計算（1）：

式中AC—直接系統集熱器總面積，m2；

QW—日平均用熱水量，k g；（6048kg）

CW—水的定壓比熱容，4.187kJ/（kg·℃）；

tend—儲熱水箱內水的設計溫度，℃；（55℃）

tL—水的初始溫度，℃；（10℃）

JT—當地集熱器采光面上的年平均日太陽輻照量，kJ/ m2；（17000kJ/ m2）

f—太陽能保證率，一般在0.30～0.80范圍內；（0.50）

ηcd—集熱器的年平均集熱效率，根據經驗取值宜為0.25～0.50，具體取值應根據集熱器產品的實際測試結果而定；（0.45）

ηL—儲熱水箱和管路的熱損失率，根據經驗取值宜為0.20～0.30。周邊環境溫度較低，熱水溫度較高，保溫較差時取上限，反之取下限。（0.30）

1.2 集熱器面積的補償

對太陽能集熱器定位時，需要考慮集熱器傾角和方位對太陽能輻射量吸收的影響。其中年太陽輻射量最大的一組數據面積補償比R=100%，某安裝方位和傾角的面積補償比R是該安裝方位和傾角表面上接收到的全年太陽輻照量與最大年太陽輻照量比值。

本小區集熱器設置在平屋面上，建筑物周圍環境不會對安裝方位和傾角產生限定條件，因此R為100%，不需進行面積補償。

當進行規劃和建筑設計時條件不允許，即R小于95%時，需要用增加集熱器面積的方式來補償。

1.3 本工程集熱器面積確定

本工程采用直接集熱系統，將數據代入上述面積計算公式（1）計算

在對集熱器構架進行設計時，考慮到高層住宅電梯機房、樓梯間、伸頂通氣管等所占據的屋頂面積及建筑自身的遮擋，根據集熱總面積合理分配屋面空間，為盡可能多地利用太陽能，集熱器面積按圍護結構表面最大容許安裝面積確定。在建筑設計階段就將集熱器構架進行整合設計，與建筑主體一體化，避免后期施工對屋面的破壞。主要部件和控制裝置的安裝位置在設計中就加以細化，充分利用建筑空間，提高各部件安裝的統籌性與合理性。

根據建筑物屋頂平面圖，L戶型單元集熱系統采用直接系統，可以安裝13塊MK-58*1800-50×1-83型橫插雙排集熱器，系統采用全玻璃真空管集熱器，這種集熱器不設水箱，而是通過聯箱將真空管有效地組合在一起，結構比較緊湊，安裝方便，集熱效率高。真空管只數為650 只，輪廓采光面積為105.17m2（小區總的輪廓采光面積為2588.80m2）。

2 太陽能熱水系統的節能環保分析

使用太陽能熱水系統的主要目的就是充分利用太陽能，節約常規能源，減少污染物排放，保護環境。下面對本太陽能熱水系統進行節能和經濟、環保效益的分析計算。

2.1 太陽能熱水系統節能分析

太陽能熱水系統的年節約能量評估是根據已確定的太陽能熱水系統，依據太陽能集熱器面積及集熱器性能參數、設計的集熱器傾角及當地氣候參數等條件，計算得出太陽能集熱系統提供的有用熱量。計算公式如下：

（1）直接式太陽能集熱系統提供的有用熱量

式中△Qsave—太陽能集熱系統提供的有用熱量，MJ；

AC—直接系統的太陽能集熱器面積，m2；（105.17 m2）

JA—太陽能集熱器采光面上的年總太陽輻照量，MJ/m2；（5227.14MJ/m2）

ηcd—集熱器的年平均集熱效率，%；（0.45）

ηL—貯熱水箱和管路的熱損失率；（0.30）

（2）太陽能熱水系統的年節能量

太陽能熱水系統的年節能量是相對于常規能源加熱系統的節能量，輔助熱源系統所使用的常規能源形式和設備的工作效率與系其有關。在考慮輔助熱源系統工作效率影響因素后，將太陽能集熱系統提供的有用得熱量折算成系統的節能量。

①以電為輔助熱源 電力不是一次能源，先將節能量先換算為kW·h單位，再按系統建設當年我國的單位供電煤耗直接折算成標準煤后，得出太陽能熱水系統的節能量。計算公式見下式（1）（3）

式中△Qs—太陽能熱水系統的年節能量，MJ；

ηs—輔助熱源系統的工作效率；

Ce—系統建設當年我國單位供電煤耗，g/kW·h。

②以天然氣作為輔助熱源，太陽能熱水系統年節能量的計算公式見下式（4）

（3）本工程太陽能熱水系統的年節能量

本工程L單元集熱器面積105.17 m2，太陽輻照量5227.14MJ/m2。太陽能熱水系統的年節能量根據（2）式△Qsave=ACJA（1-ηL）ηcd

L單元△Qsave=105.17×5227.14×（1-0.3）×0.45=173167.57MJ

小區總△Qsave=2588.80×5227.14×（1-0.3）×0.45=4262586.31MJ

取天然氣壁掛爐的熱效率為85%，太陽能熱水系統的年節能量

2.2 太陽能熱水系統環保分析

太陽能熱水系統的環保效益，體現在因節省常規能源而減少了污染物排放，包括二氧化碳、二氧化硫和粉塵等的減排量。在計算這些指標時，需先將系統壽命期內的節能量折算成標準煤質量，計算公式如下式：

n-系統壽命期，年；（15年）

△Qs—按式（3）、（4）計算，（5014807.42 MJ）

（1）二氧化碳減排量評估

不同能源的單位質量含碳量不同，燃燒時生成二氧化碳數量也各不相同。常用二氧化碳減排量的計算方法是：根據系統所使用的輔助能源，將系統壽命期內不同工況下的節能量折算成標準煤的質量，再乘以該種能源所對應的碳排放因子，將標準煤中碳的含量折算成該種能源的含碳量，然后計算該太陽能熱水系統的二氧化碳減排量。其計算公式如下式（2）：

表1 碳排放因子

（2）二氧化硫減排量評估

根據環保部門的計算方法，生活源的二氧化硫排放量可按下式計算：

生活源SO2排放量＝生活及其他煤炭消費量×含硫率×0.8×2 （7）

煤炭含硫率未知時，則按每公斤標準煤減排0.02kg二氧化硫計算二氧化硫的排放量，見下式：

（3）煙塵減排量評估

煙塵的減排量與煙塵的產生量、除塵設施的去除率有關。計算時，按每公斤標準煤減排0.01kg煙塵計算煙塵的排放量，見下式：

（4）本工程太陽能熱水系統的環保效益

根據上面公式計算得每年節能量折合標準煤L單元為6.95t、小區為171.11t；二氧化碳排放因子為0.404，二氧化硫排放因子為0.02，煙塵排放因子為0.01，則太陽能熱水系統年二氧化碳減排量L單元為10.30t、小區為253.47t；二氧化硫減排量L單元為0.14t、小區為3.42t；煙塵減排量L單元為0.07t、小區為1.71t。

3 結束語

太陽能熱水系統實質是在于利用太陽能，倡導的生活理念是節能、環保，從此角度出發，將太陽能熱水系統的供應定位于日常的生活用熱水，更具現實意義。在做太陽能熱水系統的設計時，根據建筑物的實際情況，合理而靈活地選擇熱水供應系統，運行管理也需根據實際情況來選擇。相信只要我們設計出運行安全可靠、管理方便、經濟實惠、又能與建筑完美結合的太陽能熱水系統，那么太陽能的使用就會為更多的人所接受，節能、環保的理念會更深入人心，才能使這種清潔環保綠色能源——太陽能在建筑工程中得到更加廣泛的應用。

[1] GB50364-2005，民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范[S]

[2] 鄭瑞澄主編. 民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊第二版[M]. 化學工業出版社，2011.5

[3] 何梓年，朱敦智. 太陽能供熱采暖應用技術手冊[M]. 化學工業出版社，2009.4

[4] GB50015-2003，建筑給水排水設計規范[S]

[5] GB18713太陽熱水系統設計、安裝及工程驗收技術規范[S].

[6] 06SS128太陽能集中熱水系統選用與安裝.