太阳能热水系统在酒店项目中的应用

1 项目概况

该项目为北京市某五星级酒店建筑，分为主楼和裙楼两个独立的结构单元。酒店共有客房350间，并且设有餐厅、宴会厅、会议中心、健身房等场所。考虑到酒店建筑形式的影响，本项目采用太阳能热水仅作为员工淋浴的主要热源，辅助热源为市政高温热水，另外市政热网检修期间，由锅炉作为临时热源。

2 太阳能热水系统方案

2.1 设计要求

（1）系统产水量：系统设计春、秋晴好天气日产60℃洗浴热水28m3/h。

（2）晴好天气以太阳能为主，阴雨天气或阳光不足时，利用市政热力辅助。

（3）洗浴方式：全天候24小时供水。

2.2 热水系统负荷计算

太阳能仅提供员工洗浴用热水。使用热水的基本情况如表1。

2.3 太阳能集热系统的设计

本项目太阳能系统采用强制循环间接换热供水方式，集热器集热水作热媒，经换热器间接加热冷水供给热水。考虑到系统水容量较大，系统的经济性以及设备机房的条件限制，太阳能集热器产生的热水集中储存于开式不锈钢水箱中，通过与容积式热交换器的换热，传递储存热量。辅助加热设置在供热水罐中，从而有效地保证太阳能的最大化利用。屋面设置空气冷却器作为散热装置，防止系统过热。冬季采用防冻液作为传热介质，防止系统冻裂。

2.3.1 太阳能集热器的定位

本项目的集热器设置在酒店裙楼屋面，主楼设置在裙楼的北部，所以主楼的高度对塔楼并不会产生很大的影响。裙楼屋面为屋顶花园，因此初期在和建筑设计师的配合中，将集热器架高5m，水平铺设，而集热器的基础作为屋顶花园的花架，既保证了辐照量，又为夏季纳凉提供了一个理想的选择（图1）。

2.3.2 集热器面积计算

（1）太阳能保证率f的确定：北京属于太阳能资源较丰富区，系统全年运行，取保证率50%。

（2）确定管路及贮热水箱热损失率：太阳能集热系统的集热器管路设置在室外，换热器以及水箱等主要部件设置在室内，根据《建筑给排水设计规范》规定ηL取0.15。

直接式系统集热器面积Ac=

间接系统换热器换热面积Ahx=1.5Ac

以上数据代入公式，则Ahx=376.2m2，集热器有效采光面积为1.96m2/块，共选择192块集热器。

2.3.3 设备选型

（1）储热水箱

当地辐照条件下，按照每平方米集热器面积对应80L（50%保证率）贮热水箱容积确定：

水箱的有效容积Vr=80Ahx=30m3

保证太阳能最大化利用并且及时地将热量传递，保证供水需求，是太阳能系统设计的基本要求。本项目选用2个15m3的不锈钢储热水箱，优先加热一个水箱，保证用水需求。

（2）集热系统循环泵

集热器共分为3个区域，每个区域共铺设集热器64组，每4组集热器为一个单元串联。3个区域之间采用串联的方式连接。这样既能保证流量均匀地分配，又提高了集热效率。按每平方米集热器流量0.015kg/（m2•s）计算，集热系统流量为6.77m3/h。扬程考虑到沿程损失、局部损失，计算得：H=23mH2O。

（3）换热器的选型

根据表1耗热量按186kW设计，贮热量≥186×0.333=62kW，贮水量≥ 1.15×62 000×3 600/24×4 187=2 554L。

选用2台半容积式热交换器作为供热水罐，有效容积1.5m3。

3 系统节能效益分析

3.1 太阳能热水系统的年节能量

取 Ain=376.2m2，Jt=5 844.4MJ/m2；ηcd=74%；ηc=0.1，其中Ain为集热器铺设面积，Jt为北京市的年太阳辐照量，ηcd为集热器的全日集热效率，ηc为管路和水箱的热损失率。

表1 员工生活热水用水量

图1 集热器基础与屋顶花架结合

表2 集热器面积计算表

代入公式 ：Δqsave=Ain×Jt×(1-ηc) ×ηcd

可计算出：Δqsave=1 464 309.74MJ

其相当于每年节省电量：

1 464 309.74MJ/3.6=406 752.71kWh

3.2 寿命期内太阳能热水系统的总节省费用

SAV=PI×(Δqsave×Cc-Ad×DJ)-Ad

取年市场折现率，d=6.12%（2004年执行）；年燃料价格上涨率，e=1%；n=15年。

代入公式 ：PI=[1/(d-e)]×[1-(1+e)/(1+d)^n](d≠e)则，PI=10.22

式中：折现系数PI；常规能源热价Cc，0.15元/MJ；太阳能系统增加投资Ad，与常规系统比，系统增初投资约为630 400元。

维护费用Dj取值为1%，太阳能使用寿命n取15年，所以，本系统在寿命期内与常规能源设备相比可节省费用为：SAV=155万元。

若单纯考虑系统产生的热量节省的电量，可得出：

系统每年可节省电量：1 464 309.74MJ/3.6=406 752.71kWh

以商业电价1.0元/kWh计算，可得出每年可节省40.68万元

以系统寿命为15年计算，可得出寿命期内可节省纯用电费用（按照商业电价计算）为：40.68万×15年=610.2万元。

3.3 回收年限

回收年限为系统节省的总费用等于系统增加的投资时的年数即为回收年限。

此 时 折 现 系 数 ：PI=Ad/(Δqsave×Cc-Ad×Dj)=2.65，则回收年限： Ne=ln[1-PI(d-e)]/ln[(1+e)/(1+d)]=3年。

3.4 太阳能热水系统CO2减排量

取W=29 308kJ/kg；n=15年，FCO2=0.866kg（碳/kg标准煤）

代入公式：

QCO2=[(Δqsave×n)/(W×Eff)[FCO2(44/12)

则 QCO2=2 644 142.4t

可得出该系统寿命期内CO2减排量为QCO2=2644 142.4t

4 结论

综上所述，虽然太阳能热水系统的初投资相对较高，但是由于其在工作运行时间里使用了无偿的太阳能，节约了常规能源的使用，并且具有极大的环保效益。所以，安装太阳能热水系统的用户实际上因为节能、减少运行费用而获得更大的收益回报，这就是太阳热水系统节能效益的体现。

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