淺析上海太陽能熱水系統的建筑應用及經濟性

馬 寧

上海市建筑建材業市場管理總站

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用規模最廣、最成熟的技術之一。據統計，生活熱水能耗占建筑總能耗可達10%～20%[1]，具有非常大的節能潛力。

目前我國已成為世界上最大的太陽能熱水器生產和銷售國，其生產能力和應用規模都處于世界首位。根據中國太陽能熱利用產業聯盟發布的《中國太陽能熱利用行業運行狀況報告》[2]，中國占全球太陽能集熱器安裝保有量超過70%。

太陽能熱水系統應用于建筑的目標是利用太陽能來滿足建筑物的生活熱水用能需求。根據2013年對光熱建筑應用項目的抽樣調查數據顯示[3]，92%的項目使用熱水系統，1%的項目使用采暖系統，6%的項目采取熱水系統與采暖系統相結合的方式，1%的項目采取熱水、采暖及空調系統三者相結合的方式，如圖1所示。由此可見，熱水系統占據絕對的主導地位，且由于采暖系統主要是利用太陽能產生的熱水進行供暖，采暖系統常與熱水系統一起使用。

圖1 太陽能光熱建筑應用類型分布

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，水平面年總輻射量為4 658 MJ/（m2·a）[4]，相當于140～170kg標準煤燃燒所發出的熱量；年總日照時數為1 997.5h[5]，屬于Ⅲ類太陽能資源分區。

1.2 太陽輻射強度

根據《建筑節能氣象參數標準》JGJ/T 346-2014中上海典型氣象年逐時太陽總輻射量（即太陽總輻射強度）數據可知，上海市春夏季的太陽總輻射強度比秋冬季高，全年最高太陽總輻射強度約為800W/m2，詳見圖2。

圖2 上海市太陽總輻射強度變化圖

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

圖3 上海市太陽總輻射強度頻數

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月初達到全年峰值，約為22 MJ/（m2·d）；在12月末達到最低值，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）。總體來看，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發展的政策和標準

上海早在2005年就開始組織可再生能源在建筑領域的科研、技術攻關和標準規范制定工作。“十一五”期間先后發布并實施了《上海市民用建筑太陽能應用技術規程（熱水系統分冊）》DGJ-2004A、《民用建筑太陽能系統應用圖集（熱水系統分冊）》DBJT08-110A、《既有民用建筑能效評估標準》DG/TJ08-2036、《建筑能效標識技術標準》DG/TJ 08-2078、《上海市建筑節能工程施工質量驗收規程》DGJ-08-113等標準。這些標準的頒布為上海可再生能源與建筑一體化應用提供了技術保障。

2011年開始實施的《上海市建筑節能條例》第十一條也明確規定：“本市鼓勵發展太陽能、地熱能、風能、生物質能等可再生能源與建筑一體化應用研究、示范和推廣。新建有熱水系統設計要求的公共建筑或者六層以下住宅，建設單位應當統一設計并安裝符合相關標準的太陽能熱水系統。鼓勵七層以上住宅設計并安裝太陽能熱水系統。”

上海為進一步加大對太陽能熱水系統建筑應用的推進力度，先后發布了三輪建筑節能扶持政策，現行有效的《上海市建筑節能和綠色建筑示范項目專項扶持辦法》（滬建材聯〔2016〕432號），重點將太陽能、淺層地熱能等可再生能源與建筑一體化的居住建筑或公共建筑作為示范的項目之一，明確了可再生能源建筑應用的技術要求。上海對可再生能源與建筑一體化應用的政策支持，調動了參與各方的積極性。

3 上海太陽能熱水系統應用現狀

目前上海對于太陽能光熱技術的利用主要集中在熱水系統。在政策的監督引導和鼓勵之下，太陽能熱水系統在上海市建筑應用快速發展，迄今已發展成為比較穩定成熟的綠色、節能技術。

太陽能熱水系統應用現狀主要包括集熱器類型及布置、熱水系統形式、建筑一體化程度、輔助熱源及控制系統、投資回收期、系統節能量等方面。

3.1 集熱器形式及布置

目前應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，應用范圍較廣；而平板集熱器外形美觀，易于與建筑結合，但保溫效果差，因為價格較便宜，應用范圍亦日趨廣泛。

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，為達到預期設計效果，需根據角度及上海輻照量等諸多影響因素增加集熱器面積。

3.2 熱水系統形式

太陽能熱水系統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，各類系統形式特點及適用場所見表1。

3.3 建筑一體化

太陽能熱水系統與建筑結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輔助熱源采用電加熱，公共建筑中主要有電輔熱、燃氣輔熱等，也有少數項目采用熱泵作為太陽能熱水系統的輔助熱源。輔助熱源的啟動形式基本實現了無人值守的自動啟動方式。

表1 各類太陽能熱水系統形式特點及適用場所

4 經濟性分析

4.1 初投資

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

圖6 熱水系統總投資（虛線框內部分為增投資部分）

對于整個熱水系統的總投資而言，非承壓的開式系統和承壓閉式系統初始投資差別較大，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，即太陽能集熱系統投資，主要取決于集熱器的選型，各類型集熱器平均價格（包含管道附件及安裝費用等）如表2所示。

表2 集熱器投資

4.2 節能量

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

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

4.3 投資回收期

靜態投資回收期估算：靜態投資回收期=初始增投資/年節約成本。

不同集熱系統的投資回收期見表3。

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

此外，以真空管作為集熱器的太陽能熱水系統的靜態投資回收期最短，但由于真空管容易出現爆管等現象，導致真空管的使用壽命較短；全玻璃U型管投資回收期最長，而且其實際集熱效率比較高，在陰雨天氣仍然能夠集熱，實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經濟效果也不盡相同，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用計算見表4。

由表4可知，目前常用的兩種輔助熱源（電能和天然氣）的初始投資及年運行能源費用幾乎相等；空氣源熱泵的年運行能源費用較低，但因為增加了空氣源熱泵系統，因此初始造價較高，從長遠運行角度來源，太陽能+空氣源熱泵輔熱較為經濟適用。

表4 各種能源當量熱值、燃燒效率及單位成本

5 典型案例

5.1 項目概況

某住宅項目，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，現已投入使用。項目實景見圖7。

圖7 項目實景圖

5.2 太陽能熱水系統

項目采用陽臺壁掛式太陽能熱水系統，以溫差循環控制方式運行，燃氣輔助加熱。項目系統原理圖見圖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。總集熱面積為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 系統原理圖

圖9 水箱

圖10 陽臺集熱器

5.3 太陽能熱水系統能效測評

經第三方能效測評，該項目太陽能熱水全年保證率達到45%，集熱器采光面積集熱效率達到50%。根據現場測試和模擬計算，計算全年常規能源替代量為164.45 t標煤；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

太陽能熱水系統目前在建筑領域應用頗廣，其在能源利用方面有著顯著的優勢，是建筑節能的重要組成方式。太陽能熱水系統與建筑結合，不僅讓住戶家庭生活得更自然更環保，而且在節能的同時減少了污染物的排放，對實現社會可持續發展具有重大意義。

為實現《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》中“十三五”總體目標：城鎮可再生能源替代民用建筑常規能源消耗比重超過6%。我們要結合本市太陽能條件，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。