太陽能熱水系統在住宅建筑節能減碳中的應用研究

摘 要：城鎮化的推進促使能源消耗日益增加，節能環保越來越受到重視，針對住宅建筑給排水系統的要求也進一步提升。熱水系統在給排水系統中發揮著關鍵作用，但其也是住宅建筑中能耗較高的一部分，因此，合理選用熱水的制備方式意義重大。太陽能屬于清潔的可再生能源，便于采集，可直接開發和利用，具有較大的利用潛力，是替代傳統能源、減少城鄉碳排放的重要能源。以武漢市某住宅項目為例，將太陽能熱水系統應用于住宅建筑的給排水系統中，從太陽能熱水系統設置、碳排放量計算和經濟效益3個方面對太陽能熱水系統相應設計參數的取值和實際運行的經濟效益進行了分析。研究結果表明：太陽能熱水系統在一定程度上可以滿足住宅建筑中用戶的生活熱水用水需求，太陽能熱水系統能夠節約經濟成本，并且具有顯著的節能成效。

關鍵詞：太陽能熱水系統；節能；減碳；住宅建筑；太陽能集熱器；經濟效益

中圖分類號：TU822+.1/TK515 文獻標志碼：A

0" 引言

能源是推動經濟及社會發展的重要物質保障，但其使用過程也是產生碳排放的重要因素。2021年10月，國務院印發了《2030年前碳達峰行動方案》，該方案指出：“十四五”期間，綠色低碳技術研發和推廣應用取得新進展是行動的主要目標之一；堅持安全、可靠降碳，大力推進可再生能源利用，穩步創建可靠、安全、清潔、低碳的能源體系；城市和鄉村發展均需落實綠色低碳要求，加速促進綠色低碳城鄉發展；積極推進建筑節能、市政基礎建設等標準規范的實施，貫徹節能降碳要求；進一步加快適用于不同類型建筑的節能低碳技術的開發和施行，推進超低能耗建筑及低碳建筑集約化建設[1]。

2021年9月，住房和城鄉建設部批準發布了GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》[2]，并自2022年4月1日起正式實施。該規范為強制性工程建設規范，提出了新建建筑應用太陽能技術的相關要求，包括新建建筑在提供生活熱水時，應結合所在地的氣候特點、實際情況和適用要求，對太陽能系統做到全年綜合利用；新建民用建筑的平均設計能耗水平、碳排放強度均應有所降低。

隨著能源資源的日趨緊張，建筑節能與環保受到越來越多的重視，而建筑熱水系統的節能是建筑節能的重要組成部分。在保證能源安全的前提下，合理選擇建筑的熱水系統，可對節能減排，推進碳達峰、碳中和戰略目標的實現起到重要作用。太陽能因其清潔、環保的優點，被廣泛應用于建筑熱水系統中。基于此，本文以武漢市某住宅項目為例，將太陽能熱水系統應用于住宅建筑的給排水系統中，從太陽能熱水系統設置、碳排放量計算和經濟效益3個方面，對太陽能熱水系統相應設計參數的取值和實際運行的經濟效益進行分析。

1" 工程概況

該住宅項目是武漢市首個“四村聯建”的統征儲備還建項目，也是長江新區住宅建設示范工程，項目全部建成后，將安置長江新區新建村、先鋒村、朱家河村、平安鋪村這4個村的居民2萬余人。項目位于武漢市諶家磯大道興盛路兩側，知行學院以北，三環線以南，位置如圖1所示（圖中紅色虛線圈出的部分）。

本項目共包括4個地塊，分別為H1地塊、H2地塊、H3地塊和H4地塊；總用地面積為202000 m2，總建筑面積為871989 m2，其中，地上建筑面積為659300 m2，地下建筑面積為212689 m2；主要建筑包括多棟建筑高度在100 m以下的普通高層住宅建筑（部分帶底商）、兩棟建筑高度在100 m以上的超高層住宅建筑、地下室、車庫，以及配套幼兒園、物管用房等。

由于武漢市位于中國內陸中部，煤炭等傳統化石能源資源十分貧乏，同時其應用還會給環境帶來污染[3]。而作為清潔的可再生能源，太陽能具有便于采集、不需運輸、可直接開發和利用等眾多優點，具有廣闊的市場應用前景，推廣使用太陽能是實現能源供給可持續發展不可或缺的方式[4-5]。為創建一個生態環境良好的人居環境，在“尊重自然”及“可持續發展”思想的基礎上，本項目根據武漢市“高層住宅建筑（超高層住宅建筑除外）需設置太陽能熱水系統”的相關規定，每棟住宅建筑按戶數的30%設置太陽能熱水系統（逆向）。

2" 太陽能熱水系統的理論分析

2.1" 太陽能熱水系統設置

建筑熱水系統采用太陽能熱水系統時，在整體設計中需要對一些設計參數的取值進行合理選擇，進而才能準確計算出所采用太陽能集熱器的集熱面積，并確定所配置集熱水箱（罐）的體積，從而使太陽能熱水系統的設計可以滿足住戶生活熱水的需要。

根據GB 50015—2019《建筑給水排水設計標準》[6]，直接太陽能熱水系統中太陽能集熱器的總集熱面積Ajz應滿足以下計算式：

式中：Qmd為平均日耗熱量，kJ/d。f為太陽能保證率，其取值范圍為40%～50%，應結合項目所在地太陽輻照量、系統耗熱量的穩定性等條件綜合考慮后選取。bj為太陽能集熱器集熱面積補償系數，其取值應綜合考慮太陽能集熱器的安裝方位及安裝傾角后選取，當太陽能集熱器朝南布置的偏離角不大于15°、安裝傾角與本地緯度相差不大于10°時，取值為1。Jt為太陽能集熱器總集熱面積的平均日太陽輻照量，kJ/（m2·d），根據《全國民用建筑工程設計技術措施——給水排水》的劃分標準，湖北省屬于III類太陽能資源區，年太陽輻照量的取值范圍為4200～5400 MJ/（m2·d）。ηj為太陽能集熱器總集熱面積的年平均集熱效率，采用分散集熱、分散供熱系統時，其取值范圍為40%～70%；采用集中集熱系統時，應結合太陽能集熱器類型、系統型式等因素綜合考慮，取值范圍為30%～45%。η1為太陽能熱水系統集熱部分的熱損失率，根據太陽能集熱器（組）與集熱水箱（罐）之間的位置關系，其取值范圍分別為15%～20%（當太陽能集熱器（組）緊靠集熱水箱（罐）時）或20%～30%（當太陽能集熱器（組）與集熱水箱（罐）分別布置在兩處時）。

為保證太陽能熱水系統各類設備在施工時可以順利安裝，應根據其所需的安裝尺寸預留出合適空間。太陽能集熱器的安裝位置不僅會影響太陽能熱水系統的有效運行，還會直接影響建筑的美觀，根據項目的實際情況，將太陽能集熱器安裝在陽臺外墻，采用陽臺壁掛式平板太陽能集熱器；然后綜合考慮項目所在地的太陽直射輻射和散射輻射情況，結合項目實際情況選擇合適的太陽能集熱器安裝位置和安裝傾角。根據武漢市的太陽能資源特征及每戶的耗熱量，選取太陽能熱水系統各設備部件合適的參數取值，使太陽能熱水系統的平均日產熱量與安裝太陽能熱水系統的住戶的生活熱水平均日耗熱量基本相等，做到資源的最優化利用。本項目太陽能熱水系統安裝完成后的建筑外觀如圖2所示。

本項目太陽能熱水系統采用的主要設備（以每戶為單位）包括：陽臺壁掛式平板太陽能集熱器（有效集熱面積約2 m2）、立式搪瓷承壓集熱水箱（容積為80 L）、10 kg的防凍介質（即導熱介質）、太陽能集熱器懸掛架、太陽能集熱器與集熱水箱連接的不銹鋼管和相應的連接管件等。其中，陽臺壁掛式平板太陽能集熱器的技術參數如表1所示。

本項目的太陽能熱水系統的運行原理具體為：

1）集熱。太陽能集熱器內的吸收涂層吸收太陽光，然后轉化為熱能加熱管道內的導熱介質，在管道內形成冷介質（自上而下）、熱介質（自下而上）的自然循環；通過不斷循環使整個集熱水箱夾層內的導熱介質的溫度逐漸升高；然后夾層里被加熱的導熱介質再把熱量傳遞給集熱水箱里的水，從而提高集熱水箱內的水溫。

2）集熱水箱輔助電熱。洗浴溫度可由用戶自主調節，若用戶的集熱水箱達不到設計熱水溫度，則啟動集熱水箱的電加熱模式，當達到設計熱水溫度時，電加熱停止。

3）用水方式。本太陽能熱水系統的用水方式為頂水用水，出水壓力恒定，與自來水的壓力相同。

4）技術要求。集熱水箱內膽的試驗壓力為1.0 Mpa；集熱水箱配置安全閥，排放口引至安全區域；陽臺壁掛式平板太陽能集熱器的運行方式為自然循環加熱。

本項目太陽能熱水系統的運行原理示意圖如圖3所示。其中：智能控制儀用于顯示溫度、調控輔助熱源的啟停。

2.2" 碳排放量計算

生活熱水（僅指日常生活中提供的洗浴熱水，不包括炊事用水及飲用水）的需求水平與使用人數、使用習慣及建筑類型緊密相關，滿足生活熱水需求所產生的能耗是建筑物碳排放的主要來源之一。但由于實際生活中，生活熱水的使用情況具有一定程度的不穩定性，難以發現確切的基本規律，導致難以精準分析生活熱水的能耗量，會影響后續的結果分析。本文運用準靜態方法求出建筑生活熱水的能耗量，然后得出建筑生活熱水造成的碳排放量。

根據GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》[7]，應根據建筑的實際運行狀況，計算建筑生活熱水的年耗熱量。建筑生活熱水的小時平均耗熱量Qrp的計算式為：

式中：Cr為熱水供應系統的熱損失系數，參照GB 50015—2019《建筑給水排水設計標準》，其取值范圍為1.10～1.15；m為用水計算單位數（人數或床位數2選1），本文以人數進行計算，人；qr為熱水用水定額，L/人，其值按現行國家標準GB 50555—2010《民用建筑節水設計標準》確定；ρr為生活熱水的密度，kg/L；tr為設計熱水溫度，℃；tl為設計冷水溫度，℃。

生活熱水的年耗熱量Qr的計算式為：

式中：T為生活熱水的年使用小時數，h。

當設計熱水溫度為60 ℃時，熱水用水定額按最高日用水定額計算，取60 L/人，其余參數按標準要求選取，然后計算每戶的生活熱水小時平均耗熱量，具體如表2所示。

結合實際情況，生活熱水的溫度約為39 ℃，平均日用水定額取20 L/人；根據湖北省的太陽能資源特征，太陽能熱水系統可利用天數取155天；最終計算得出每戶的生活熱水年耗熱量約為1546 kWh。

太陽能熱水系統的年能源消耗量Ew的計算式[8]為：

式中：Qs為太陽能熱水系統每年可提供的生活熱水的熱量，kWh；ηr為生活熱水的輸配效率，%，包括太陽能熱水系統的輸配能耗、管道熱損失、生活熱水二次循環及儲存的熱損失；ηw為太陽能熱水系統的年平均效率，%。

依據太陽能熱水系統使用壽命期內每年的節能量，結合其采用的熱源形式，參照相應的碳排放因子，可以得出該太陽能熱水系統使用壽命期內的二氧化碳減排量Qco2，其計算式為：

式中：ΔE為太陽能熱水系統1年的節能量，kWh；n為太陽能熱水系統的使用壽命期，年，本文取15；FE為電能的碳排放因子，tCO2/MWh，本文根據2022年3月15日生態環境部發布的《關于做好2022年企業溫室氣體排放報告管理相關重點工作的通知》（環辦氣候函[2022]111號）[9]，本文取0.5810。

根據武漢市城鄉建設委員會建筑節能辦公室的要求，結合實際情況，按照除超高層建筑外不小于每棟住宅建筑戶數30%的比例配置太陽能熱水系統，確定4塊地塊分別需要安裝太陽能熱水系統的戶數，并以逆序（從上至下）統一設計并進行安裝。本項目住宅總戶數為6476戶，其中：H1地塊的住宅總戶數為1776戶（該地塊有兩棟超高層住宅建筑，共684戶，不計入內），H2地塊的住宅總戶數為1053戶，H3地塊的住宅總戶數為2041戶，H4地塊的住宅總戶數為1606戶。

計算本項目各地塊中所有安裝太陽能熱水系統的住戶的生活熱水年總耗熱量，然后計算出太陽能熱水系統每年的節能量，最后換算得出太陽能熱水系統使用壽命期內的二氧化碳減排量，結果如表3所示。

2.3" 經濟效益分析

通過經濟效益分析，可以更全面地了解熱水系統節約常規能源的效果，并為選擇確定熱源提供依據。

靜態投資回收期是指在忽略資金時間價值的前提下，回收全部總投資所需要的時長，其在某種程度上反映了資金周轉的速度，資金周轉速度越快，表明靜態投資回收期越短，項目的抗風險能力越強。靜態投資回收期Pt的理解及計算比較簡單，一般從技術方案中項目建設開始年起算，其計算式為：

式中：CI為該技術方案下項目的現金流入量，元；CO為該技術方案下項目的現金流出量，元；（CI–CO）t為該技術方案下項目第t年的凈現金流量，元。

本項目采用的太陽能熱水系統的市場價格（即采購太陽能熱水器的費用）約為3200元/臺，為項目的初始投資。武漢市實行階梯電價措施，以戶為單位，具體為：年用電量在2160 kWh以內，執行的電價標準為0.5580元/kWh；年用電量在2160～4800 kWh，執行的電價標準為0.6080元/kWh；年用電量在4800 kWh以上，執行的電價標準為0.8580元/kWh。使用太陽能熱水系統的住戶每戶每年可節約電費約896元，則本項目H1、H2、H3、H4這4塊地塊每年節約電費分別約為35.50萬、34.77萬、66.43萬、53.56萬元，4個地塊每年節約電費共計約為190.26萬元。考慮太陽能熱水系統的后期維修等費用，以其使用壽命期為15年計算其靜態投資回收期，如圖4所示。

從圖4可以看出：本項目太陽能熱水系統的靜態投資回收期接近4年。

2.4" 小結

在住宅建筑的給排水系統中，熱水系統發揮著非常關鍵的作用，但也會消耗較多的能源，同時還會帶來一定程度的環境污染。熱水系統節能屬于住宅建筑節能中重要的一部分，合理選用熱水的制備方式意義重大。太陽能為清潔能源，其可直接作為熱源替代傳統熱水系統所需能源，可明顯降低住宅建筑給排水系統的整體能源消耗，不僅可以節約經濟成本，而且可以減少對外界環境的污染及住宅建筑物使用中的碳排放量，有助于創建資源節約與環境友好型社會，實現可持續發展[10-11]。本項目的分析結果顯示，使用太陽能熱水系統在一定程度上可以滿足住宅建筑中用戶的生活熱水用水需求，并且具有顯著的節能成效。

3" 結論

本文以武漢市某住宅項目為例，將太陽能熱水系統應用于住宅建筑的給排水系統中，根據本項目的生活熱水需求及特征，從碳排放量計算、太陽能熱水系統設置和經濟效益3個方面，對太陽能熱水系統相應設計參數的取值和實際運行的經濟效益進行了分析。研究結果表明：太陽能熱水系統在一定程度上可以滿足住宅建筑中用戶的生活熱水用水需求，其能夠節約經濟成本，并且具有顯著的節能成效。能源是社會發展的基礎和動力，加大對太陽能的利用可以減少對環境的污染，對助力城鄉建設領域碳達峰的實施具有正面價值，并對促進城鄉建設領域綠色低碳轉型具有積極作用。

[參考文獻]

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RESEARCH ON APPLICATION OF SOLAR HOT WATER SYSTEM IN ENERGY CONSERVATION AND CARBON

REDUCTION OF RESIDENTIAL BUILDINGS

Hu Sha，Zhou Cheng，Lyu Mingjie，Hu Yi

（MCC South Wuhan Architectural Design Co.，Ltd.，Wuhan 430061，China）

Abstract：The promotion of urbanization has led to an increasing energy consumption，and energy conservation and environmental protection are receiving more and more attention. The requirements for water supply and drainage system of residential buildings have been further improved. In the water supply and drainage system，the hot water system plays a crucial role，but it is also a part of the high energy consumption in residential buildings. Therefore，the reasonable selection of hot water preparation methods is of great significance. Solar energy belongs to clean and renewable energy，which is easy to collect，can be directly developed and utilized，and has great potential for utilization. It is an important energy source to replace traditional energy and reduce urban and rural carbon emissions. This paper taking a residential project in Wuhan City as an example to apply solar hot water systems in the water supply and drainage system of residential buildings. From three aspects：solar hot water system setting，carbon emission calculation，and economic benefits，value of corresponding design parameters for the solar hot water system and the economic benefits of actual operation are analyzed. The research results show that solar hot water systems can to some extent meet the domestic hot water needs of users in the residential buildings. Solar hot water systems can save economic costs and have significant energy conservation effects.

Keywords：solar hot water system；energy conservation；carbon reduction；residential buildings；solar collector；economic benefits