太阳能光热应用系统中太阳能年节能率的计算分析方法

郑军龙

摘 要：介绍了太阳能光热应用热水系统中年节能率的一种比较科学准确的计算分析方法；以广西环境保护厅危旧房改住房改造建设项目的子项目“太阳能空气源耦合热水系统”为例，对太阳能的年节能率进行了详细的分析计算。从计算过程和计算依据来看，这种计算方法都较为科学可靠，对采用太阳能光热应用系统的节能减排分析计算，有着重要的参考意义。

关键词：太阳能 空气源热泵 节能率 计算分析方法

中图分类号：TU822.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（b）-0202-02

广西属于属南亚热带季风气候，气候温和，平均年日照时数1600 h，平均每年太阳能辐照量约为4578 MJ/m2，太阳能资源十分丰富，利用太阳能潜力巨大。目前，社会上正推广和普及集中供应式的太阳能空气源耦合热水系统，然而，太阳能空气源耦合热水系统在设计及项目申报时首先要进行节能量的计算分析，太阳能光热应用系统中节能量的计算分析目前没有一种较为科学可靠、具有很强说服力的计算分析方法，因此，本文以广西环境保护厅危旧房改住房改造建设项目的子项目“太阳能空气源耦合热水系统”为例，实践一种新的计算分析方法。

1 项目的概况

广西环境保护厅危旧房改住房改造建设项目是将原来的低、矮、旧的职工住宅楼拆除，在原来土地上新建一栋33层的高楼，项目地址为广西南宁市民族大道78号。为了响应国家节能减排的号召，该项目采用了一种可再生能源建筑应用形式—— 太阳能空气源耦合热水系统，本集中式热水系统总计供应186户约651人日常生活热水需求。设计每天人均热水定额为80 L，使用时间为24 h，最大用热水季节每天用热水总量为52 m3。本热水工程项目总计安装了2600支太阳能真空集热管，总计配备空气源热泵60匹，节能效果极为显著。

2 热水系统中太阳能集热系统的年节能率的计算分析

2.1 热水系统的工作过程

太阳能空气源耦合热水系统通过自动控制模块的控制，实现完全自动化控制。有充足的太阳能辐射时，热水系统优先采用太阳能来制取生活热水，阴雨天气或太阳能辐射不足时，启动空气源热泵来作为辅助热源制取生活热水。

2.2 年节能率的定义

太阳能热水系统的年节能率，是指太阳能热水系统在每年运行中，相对于常规的热水加热方式，太阳能集热系统节省的电量（不包括其它辅助热源节省的电量）占常规热水加热方式所消耗电量的比例。

2.3 热效率的计算

2.3.1 太阳能集热系统热效率

太阳能集热系统的热效率计算方法，以配备有循环水泵的集中式太阳能集热系统为例，通常太阳能集热系统在太阳辐照下热水从初始温度加热到设定温度，太阳能集热系统只有循环水泵消耗少量电能，其它任何设备都不消耗电能，以本系统为例配备的循环水泵额定输入功率为0.265 kW，循环1000 kg已经温升35 ℃的水所需要时间为0.128 h，耗电为0.034度。因此得出配备有循环水泵的集中式太阳能集热系统实际热值为：

35000/0.034=1029411.76 kCal/度；

综合热效率为：1029411.76/860=119699%

2.3.2 电热水器热效率

本地区居民生活热水的常规加热设备为各家各户独立安装的电热水器，电热水器的工作原理实际是电阻加热，电热水器热效率为95%，即能效比为0.95。

2.4 节能率计算

2.4.1 热水热量计算的统一条件设定

南宁位于北回归线以南，地理坐标东经108°22′，北纬22°48′，阳光充足，雨量充沛，霜少无雪，气候温和，夏长冬短，年平均气温在21.6 ℃。冬季最冷的1月平均12.8 ℃，夏季最热的7、8月平均28.2 ℃。年均降雨量达1304.2 mm，平均相对湿度为79%。这里一年四季都非常适合旅游观光。亚热带季风气候。

根据南宁市气候特点，生活热水需求量按照夏季、冬季和过渡季节划分。夏季为5～9月，共计153天，热水需求系数取0.6；冬季为1、2、12月，共计90天，热水需求系数取1；过渡季为3、4、10、11月，共计122天，热水需求系数取0.8。

2.4.2 全年制热需求及普通电热水器能耗的计算

按这样的方法计算得到每支￠58×1800太阳能真空集热管在每个月份的集热量编成表格得到表3。

经计算得到每支￠58×1800太阳能真空集热管全年的集热量总计为91.313 kW·h。本节能项目整个小区总计安装这种规格的太阳能真空集热管为2600支，全年的集热量总计为23.74138万kW·h。

要采集这些热量，太阳能集热系统所消耗的电能为：

2374138÷119699%=198.34（kW·h）

即本项目太阳能集热系统年节能量为：

2374138-198.34=237215.46（kW·h）

本项目太阳能集热系统年节能率为：

太阳能集热系统年节能量÷常规热水加热方式的年用电量×100%

=237215.46÷563980.5×100%

=42.1%

本项目太阳能集热系统年节能率为42.1%。

2.5 误差分析

从计算过程和计算依据来分析，本项目太阳能集热系统年节能率的计算方法可称之为“逐日计算法”。逐日计算法的计算分析结果的误差是存在的，误差的大小主要与几个参数有关。

（1）太阳能辐照量数据是参考《中国气象辐射资料年册（2001年）》得到，每年的气候都会或多或少与2001年的有变化，但通常变化量不大。

（2）太阳能真空集热管集热效率取92%，这是太阳能真空集热管的生产厂家提供的实验数据，该参数我们也可通过实验测出；

（3）管路和水箱的热损失率，在实际工程中，如果保温措施做得很好，可直接降低热损失率。

（4）用户每年的实际用热量总和，每年实际用热量与季节和气候有关，因此各季节的用热系数不同。

2.6 常规计算分析方法

常规的计算分析方法见文献[1]。

3 结语

在能源危机压力下，国家大力提昌开发利用可再生清洁能源。其中，太阳能光热应用技术是可再生清洁能源的开发应用技术中最为成熟和广泛应用的技术之一。采用“逐日计算法”来对太阳能光热应用系统中年节能率的计算分析，相对于常规方法，从计算过程和计算依据来看，这种计算方法都较为科学可靠，有较强的说服力，对采用太阳能光热应用系统的节能减排分析计算，有着重要的参考意义。

参考文献

[1] 肖菊，丁文萍，杨敏芝，工程型太阳能热泵热水系统节能效益分析[J].河南科学，2013（6）：829-832.

[2] 国家气象中心.2002年中国气象辐射资料年册（2001）[Z].endprint

摘 要：介绍了太阳能光热应用热水系统中年节能率的一种比较科学准确的计算分析方法；以广西环境保护厅危旧房改住房改造建设项目的子项目“太阳能空气源耦合热水系统”为例，对太阳能的年节能率进行了详细的分析计算。从计算过程和计算依据来看，这种计算方法都较为科学可靠，对采用太阳能光热应用系统的节能减排分析计算，有着重要的参考意义。

关键词：太阳能 空气源热泵 节能率 计算分析方法

中图分类号：TU822.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（b）-0202-02

广西属于属南亚热带季风气候，气候温和，平均年日照时数1600 h，平均每年太阳能辐照量约为4578 MJ/m2，太阳能资源十分丰富，利用太阳能潜力巨大。目前，社会上正推广和普及集中供应式的太阳能空气源耦合热水系统，然而，太阳能空气源耦合热水系统在设计及项目申报时首先要进行节能量的计算分析，太阳能光热应用系统中节能量的计算分析目前没有一种较为科学可靠、具有很强说服力的计算分析方法，因此，本文以广西环境保护厅危旧房改住房改造建设项目的子项目“太阳能空气源耦合热水系统”为例，实践一种新的计算分析方法。

1 项目的概况

广西环境保护厅危旧房改住房改造建设项目是将原来的低、矮、旧的职工住宅楼拆除，在原来土地上新建一栋33层的高楼，项目地址为广西南宁市民族大道78号。为了响应国家节能减排的号召，该项目采用了一种可再生能源建筑应用形式—— 太阳能空气源耦合热水系统，本集中式热水系统总计供应186户约651人日常生活热水需求。设计每天人均热水定额为80 L，使用时间为24 h，最大用热水季节每天用热水总量为52 m3。本热水工程项目总计安装了2600支太阳能真空集热管，总计配备空气源热泵60匹，节能效果极为显著。

2 热水系统中太阳能集热系统的年节能率的计算分析

2.1 热水系统的工作过程

太阳能空气源耦合热水系统通过自动控制模块的控制，实现完全自动化控制。有充足的太阳能辐射时，热水系统优先采用太阳能来制取生活热水，阴雨天气或太阳能辐射不足时，启动空气源热泵来作为辅助热源制取生活热水。

2.2 年节能率的定义

太阳能热水系统的年节能率，是指太阳能热水系统在每年运行中，相对于常规的热水加热方式，太阳能集热系统节省的电量（不包括其它辅助热源节省的电量）占常规热水加热方式所消耗电量的比例。

2.3 热效率的计算

2.3.1 太阳能集热系统热效率

太阳能集热系统的热效率计算方法，以配备有循环水泵的集中式太阳能集热系统为例，通常太阳能集热系统在太阳辐照下热水从初始温度加热到设定温度，太阳能集热系统只有循环水泵消耗少量电能，其它任何设备都不消耗电能，以本系统为例配备的循环水泵额定输入功率为0.265 kW，循环1000 kg已经温升35 ℃的水所需要时间为0.128 h，耗电为0.034度。因此得出配备有循环水泵的集中式太阳能集热系统实际热值为：

35000/0.034=1029411.76 kCal/度；

综合热效率为：1029411.76/860=119699%

2.3.2 电热水器热效率

本地区居民生活热水的常规加热设备为各家各户独立安装的电热水器，电热水器的工作原理实际是电阻加热，电热水器热效率为95%，即能效比为0.95。

2.4 节能率计算

2.4.1 热水热量计算的统一条件设定

南宁位于北回归线以南，地理坐标东经108°22′，北纬22°48′，阳光充足，雨量充沛，霜少无雪，气候温和，夏长冬短，年平均气温在21.6 ℃。冬季最冷的1月平均12.8 ℃，夏季最热的7、8月平均28.2 ℃。年均降雨量达1304.2 mm，平均相对湿度为79%。这里一年四季都非常适合旅游观光。亚热带季风气候。

根据南宁市气候特点，生活热水需求量按照夏季、冬季和过渡季节划分。夏季为5～9月，共计153天，热水需求系数取0.6；冬季为1、2、12月，共计90天，热水需求系数取1；过渡季为3、4、10、11月，共计122天，热水需求系数取0.8。

2.4.2 全年制热需求及普通电热水器能耗的计算

按这样的方法计算得到每支￠58×1800太阳能真空集热管在每个月份的集热量编成表格得到表3。

经计算得到每支￠58×1800太阳能真空集热管全年的集热量总计为91.313 kW·h。本节能项目整个小区总计安装这种规格的太阳能真空集热管为2600支，全年的集热量总计为23.74138万kW·h。

要采集这些热量，太阳能集热系统所消耗的电能为：

2374138÷119699%=198.34（kW·h）

即本项目太阳能集热系统年节能量为：

2374138-198.34=237215.46（kW·h）

本项目太阳能集热系统年节能率为：

太阳能集热系统年节能量÷常规热水加热方式的年用电量×100%

=237215.46÷563980.5×100%

=42.1%

本项目太阳能集热系统年节能率为42.1%。

2.5 误差分析

从计算过程和计算依据来分析，本项目太阳能集热系统年节能率的计算方法可称之为“逐日计算法”。逐日计算法的计算分析结果的误差是存在的，误差的大小主要与几个参数有关。

（1）太阳能辐照量数据是参考《中国气象辐射资料年册（2001年）》得到，每年的气候都会或多或少与2001年的有变化，但通常变化量不大。

（2）太阳能真空集热管集热效率取92%，这是太阳能真空集热管的生产厂家提供的实验数据，该参数我们也可通过实验测出；

（3）管路和水箱的热损失率，在实际工程中，如果保温措施做得很好，可直接降低热损失率。

（4）用户每年的实际用热量总和，每年实际用热量与季节和气候有关，因此各季节的用热系数不同。

2.6 常规计算分析方法

常规的计算分析方法见文献[1]。

3 结语

在能源危机压力下，国家大力提昌开发利用可再生清洁能源。其中，太阳能光热应用技术是可再生清洁能源的开发应用技术中最为成熟和广泛应用的技术之一。采用“逐日计算法”来对太阳能光热应用系统中年节能率的计算分析，相对于常规方法，从计算过程和计算依据来看，这种计算方法都较为科学可靠，有较强的说服力，对采用太阳能光热应用系统的节能减排分析计算，有着重要的参考意义。

参考文献

[1] 肖菊，丁文萍，杨敏芝，工程型太阳能热泵热水系统节能效益分析[J].河南科学，2013（6）：829-832.

[2] 国家气象中心.2002年中国气象辐射资料年册（2001）[Z].endprint

摘 要：介绍了太阳能光热应用热水系统中年节能率的一种比较科学准确的计算分析方法；以广西环境保护厅危旧房改住房改造建设项目的子项目“太阳能空气源耦合热水系统”为例，对太阳能的年节能率进行了详细的分析计算。从计算过程和计算依据来看，这种计算方法都较为科学可靠，对采用太阳能光热应用系统的节能减排分析计算，有着重要的参考意义。

关键词：太阳能 空气源热泵 节能率 计算分析方法

中图分类号：TU822.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（b）-0202-02

广西属于属南亚热带季风气候，气候温和，平均年日照时数1600 h，平均每年太阳能辐照量约为4578 MJ/m2，太阳能资源十分丰富，利用太阳能潜力巨大。目前，社会上正推广和普及集中供应式的太阳能空气源耦合热水系统，然而，太阳能空气源耦合热水系统在设计及项目申报时首先要进行节能量的计算分析，太阳能光热应用系统中节能量的计算分析目前没有一种较为科学可靠、具有很强说服力的计算分析方法，因此，本文以广西环境保护厅危旧房改住房改造建设项目的子项目“太阳能空气源耦合热水系统”为例，实践一种新的计算分析方法。

1 项目的概况

广西环境保护厅危旧房改住房改造建设项目是将原来的低、矮、旧的职工住宅楼拆除，在原来土地上新建一栋33层的高楼，项目地址为广西南宁市民族大道78号。为了响应国家节能减排的号召，该项目采用了一种可再生能源建筑应用形式—— 太阳能空气源耦合热水系统，本集中式热水系统总计供应186户约651人日常生活热水需求。设计每天人均热水定额为80 L，使用时间为24 h，最大用热水季节每天用热水总量为52 m3。本热水工程项目总计安装了2600支太阳能真空集热管，总计配备空气源热泵60匹，节能效果极为显著。

2 热水系统中太阳能集热系统的年节能率的计算分析

2.1 热水系统的工作过程

太阳能空气源耦合热水系统通过自动控制模块的控制，实现完全自动化控制。有充足的太阳能辐射时，热水系统优先采用太阳能来制取生活热水，阴雨天气或太阳能辐射不足时，启动空气源热泵来作为辅助热源制取生活热水。

2.2 年节能率的定义

太阳能热水系统的年节能率，是指太阳能热水系统在每年运行中，相对于常规的热水加热方式，太阳能集热系统节省的电量（不包括其它辅助热源节省的电量）占常规热水加热方式所消耗电量的比例。

2.3 热效率的计算

2.3.1 太阳能集热系统热效率

太阳能集热系统的热效率计算方法，以配备有循环水泵的集中式太阳能集热系统为例，通常太阳能集热系统在太阳辐照下热水从初始温度加热到设定温度，太阳能集热系统只有循环水泵消耗少量电能，其它任何设备都不消耗电能，以本系统为例配备的循环水泵额定输入功率为0.265 kW，循环1000 kg已经温升35 ℃的水所需要时间为0.128 h，耗电为0.034度。因此得出配备有循环水泵的集中式太阳能集热系统实际热值为：

35000/0.034=1029411.76 kCal/度；

综合热效率为：1029411.76/860=119699%

2.3.2 电热水器热效率

本地区居民生活热水的常规加热设备为各家各户独立安装的电热水器，电热水器的工作原理实际是电阻加热，电热水器热效率为95%，即能效比为0.95。

2.4 节能率计算

2.4.1 热水热量计算的统一条件设定

南宁位于北回归线以南，地理坐标东经108°22′，北纬22°48′，阳光充足，雨量充沛，霜少无雪，气候温和，夏长冬短，年平均气温在21.6 ℃。冬季最冷的1月平均12.8 ℃，夏季最热的7、8月平均28.2 ℃。年均降雨量达1304.2 mm，平均相对湿度为79%。这里一年四季都非常适合旅游观光。亚热带季风气候。

根据南宁市气候特点，生活热水需求量按照夏季、冬季和过渡季节划分。夏季为5～9月，共计153天，热水需求系数取0.6；冬季为1、2、12月，共计90天，热水需求系数取1；过渡季为3、4、10、11月，共计122天，热水需求系数取0.8。

2.4.2 全年制热需求及普通电热水器能耗的计算

按这样的方法计算得到每支￠58×1800太阳能真空集热管在每个月份的集热量编成表格得到表3。

经计算得到每支￠58×1800太阳能真空集热管全年的集热量总计为91.313 kW·h。本节能项目整个小区总计安装这种规格的太阳能真空集热管为2600支，全年的集热量总计为23.74138万kW·h。

要采集这些热量，太阳能集热系统所消耗的电能为：

2374138÷119699%=198.34（kW·h）

即本项目太阳能集热系统年节能量为：

2374138-198.34=237215.46（kW·h）

本项目太阳能集热系统年节能率为：

太阳能集热系统年节能量÷常规热水加热方式的年用电量×100%

=237215.46÷563980.5×100%

=42.1%

本项目太阳能集热系统年节能率为42.1%。

2.5 误差分析

从计算过程和计算依据来分析，本项目太阳能集热系统年节能率的计算方法可称之为“逐日计算法”。逐日计算法的计算分析结果的误差是存在的，误差的大小主要与几个参数有关。

（1）太阳能辐照量数据是参考《中国气象辐射资料年册（2001年）》得到，每年的气候都会或多或少与2001年的有变化，但通常变化量不大。

（2）太阳能真空集热管集热效率取92%，这是太阳能真空集热管的生产厂家提供的实验数据，该参数我们也可通过实验测出；

（3）管路和水箱的热损失率，在实际工程中，如果保温措施做得很好，可直接降低热损失率。

（4）用户每年的实际用热量总和，每年实际用热量与季节和气候有关，因此各季节的用热系数不同。

2.6 常规计算分析方法

常规的计算分析方法见文献[1]。

3 结语

在能源危机压力下，国家大力提昌开发利用可再生清洁能源。其中，太阳能光热应用技术是可再生清洁能源的开发应用技术中最为成熟和广泛应用的技术之一。采用“逐日计算法”来对太阳能光热应用系统中年节能率的计算分析，相对于常规方法，从计算过程和计算依据来看，这种计算方法都较为科学可靠，有较强的说服力，对采用太阳能光热应用系统的节能减排分析计算，有着重要的参考意义。

参考文献

[1] 肖菊，丁文萍，杨敏芝，工程型太阳能热泵热水系统节能效益分析[J].河南科学，2013（6）：829-832.

[2] 国家气象中心.2002年中国气象辐射资料年册（2001）[Z].endprint