天津某小区太阳能热水系统设计及节能效益分析

卢娜 崔学海 侯延铭

（北京市住宅建筑设计研究院有限公司 北京 100005）

天津某小区太阳能热水系统设计及节能效益分析

卢娜 崔学海 侯延铭

（北京市住宅建筑设计研究院有限公司 北京 100005）

天津生态城某住宅小区太阳能热水系统选用集中集热、分户供热设计方案，采用安全可靠的热管式真空管太阳能集热器。通过比较，系统的运行费用远远低于几种常规能源热水系统，回收周期平均在3～5年，具有较大的社会、经济和环保效益。该项目投资合理，应用成功，效益可观。

太阳能热水系统；集中集热-分户供热；节能；效益

1 前言

跨入21世纪以来，能源已经成为全球热点、焦点问题。太阳能以其各种优势日益受到世界各国的重视，美国对太阳能做了积极探索，其中“百万太阳能屋顶计划”将生产相当于2～3个燃煤发电厂的电力[1]。我国太阳能资源丰富，约占全国国土面积2/3的地区年平均太阳能辐照总量在3340MJ/m2～8400MJ/m2，年日照时数超过2200h[2]。一般来说，在年日照时数大于1200h，年太阳辐射量大于3500MJ/m2的地区，宜设计选用太阳能系统[3]。

目前在我国，太阳能热水器的利用占主导地位，已成为太阳能应用最为广泛、产业化最迅速的产业之一[4]。本文以天津生态城某住宅小区为例，研究了太阳能热水与建筑一体化，并对其社会、经济和节能效益进行了分析。

2 工程实例概况

本住宅小区项目位于天津生态城内，太阳能条件为资源较富区，等级Ⅱ级，年日照时数3000h～3200h，水平面上年太阳辐照量5400MJ/m2·a～6700MJ/m2·a，太阳能保证率50%～70%，极为适合利用太阳能。

该项目总用地面积33500m2，总建筑面积72471m2，住宅面积52588m2，共10栋住宅楼。设计每人热水用水标准为30L/d。

3 设计依据

国家现行设计规范、标准。

相关参数：国家标准规定标准太阳能日平均辐照量，17.00MJ（/d· m2）；冷水基础水温，取年平均13℃；热水设计温度：取年平均50℃；分户供热系统，热水水量90L/户。

4 热水系统设计

4.1 设计方案

针对本项目特点和要求，经方案评比及论证，选用集中集热、分户供热的太阳能热水系统方案，具体设计如下：

4.1.1 每栋安装1套太阳能热水系统，每个系统独立运行，由太阳能集热器、循环水箱、循环泵组、用户换热水箱（带辅助电加热）、管道及控制仪表等设备组成；

4.1.2 集热器集中安装在屋顶，循环水箱、太阳能循环泵安装在楼顶设备层；

4.1.3 用户用90L水箱安装在卫生间内，通过立管与太阳能系统连接，形成换热回路。

4.2 主要设备选型

4.2.1 太阳能集热器：选用安全可靠的热管式真空管太阳能集热器作为本工程的核心设备。

4.2.2 用户换热水箱：用户换热水箱采用搪瓷内胆换热水箱，配有电加热等单元。

4.3 系统工作过程

以优先使用太阳能产热，电加热辅助产热为设计原则，管路系统采用三管同程式，防止热水短路。系统为双循环方式，即集热循环和热水循环，集热循环在太阳集热器和换热盘管之间，热水循环在水箱内，为自然循环。

5 系统计算

5.1 确定样板系统

由于多层住户户型相近，因此选择典型户型系统作为计算模板。

5.2 单元（12户）独立系统耗热量计算

5.2.1 12户日耗热量、热水量计算：

取qr=30L/(人.d)；C=4187J/(kg.℃)；Pr=1kg/L；Tr=50℃；Tl=13℃，m=36人（每户按3.0人计）

则系统设计日用热水量为1080L/d，系统日耗热量为1936.49W。

5.2.2 设计小时耗热量计算：

计算得到Qh=7997.69W。

5.3 太阳能集热器集热面积计算

太阳能集热器组数是通过国标GB50364-2005中的计算公式得到，公式如下：

Ac=Q×C×(tend-ti)×f÷[JT×ηcd×(1-ηL)] 公式（1）

Ac——直接系统集热器总面积，m2；

Q——日均用水量，90kg；

C——水的定压比热容，KJ/(Kg·℃)；取值4.18kJ/(kg·℃)；

tend——贮水箱内水的设计温度，℃；取值50℃；

ti——水的初始温度，℃；取值13℃；

JT——当地集热器采光面上的年平均日太阳能辐照量，15.8×103kJ/m2；

f——太阳能保证率，取值0.70；

ηcd——集热器的平均集热效率；根据集热器的检测报告，66.20%；

ηL——系统管路和储水箱热损失率，20%；

由于以上计算出来的为直接系统的集热面积，根据直接系统与间接系统集热面积之间的关系（如公式2），可以得出间接系统集热器面积AIN。

AC-直接系统集热器面积；

FRUL-集热器总热损失系统；

AHX-换热面积（每户换热水箱里的换热面积）

取FRUL＝5.5W/(m2.℃)，UHX＝300W/(m2.℃)，AHX＝0.35m2，计算平板集热器每户90L水所需的集热面积AC（一次系统），AIN(二次系统)：

将以上热管集热器相关数据代入公式(1)，计算得AC：=1.16m2再将AC的值代入公式(2)，计算得AIN：AIN=1.24m2。

5.4 小结

计算得到：太阳能系统集热器总面积：472.56m2；太阳能系统提供的总热水量：34299L/d；设计所需热水量定额为：37056L/d；太阳能系统提供热水量所占总热水需求量的比例为：34299/ 37056=92.56%。

6 效益分析

6.1 社会效益

太阳能无污染，且取之不尽用之不竭，因此开发、推广太阳能产品具有良好的社会效益和长远的社会意义。太阳能热水器是目前太阳能产品中技术最成熟、应用最广泛的一种，具有环保节能和安全方便的特点，它的更普遍、合理的应用，势必会带来更可观的社会效益。

该住宅小区是集太阳能节能技术、建筑一体化技术于一体的综合性的中高层居民住宅小区，太阳能系统投资合理。小区所有住宅楼的热水均由太阳能供应，为国家、为社会节约了能源，是切实可行的。

6.2 经济效益

6.2.1 与常规能源运行费比较

本项目太阳能系统集热器总面积：472.56m2，太阳能系统提供的总热水量：34299L/d，设计所需热水量定额为：37056L/d。

不考虑各种方式的初投资成本，运行费用对比如表1所示。

表1 不同能源运行费用对比

6.2.2 太阳能系统回收年限

太阳能热水系统投资计算：每平米太阳能造价约2000元，本项目太阳能系统集热器总面积472.56m2；故系统投资为2000元/m2×472.56m2=94.5万元。

太阳能热水系统回收年限：经计算，与电加热、燃煤锅炉、燃油和燃气常规能源相比，投资回收年限分别为：3.15年、4.44年、2.42年和3.02年。

可见，采用太阳能热水系统是经济合理的投资方式。

6.2.3 节能环保效益

由上节计算比较可知，太阳能的节能性是毫无疑问的，下面的计算会更为直观的看到太阳能热水器的节能效益。

知太阳能提供热水总量为34299L/d，冷水年平均温度13℃，热水设计温度取年平均50℃，每年按365天计

故每年太阳能得热量为：1.94×109kJ

（1）与电加热比较

知电的热值为3600kJ/kW·h，电的效率按90%计算，假定电费0.5元/kW·h，

则每年可节约的电量为6.0×105kW·h，节约电费30万元。

（2）与燃煤锅炉比较

知煤的热值为20920kJ/kg，电的效率按50%计算，假定煤的价格1000元/t，

则每年可节约的煤量为1.86×105kg，节约燃煤的价值18.6万元。

（3）环保效益分析

由《太阳能供热采暖工程技术规范》（GB50495-2009）中太阳能供热采暖系统的二氧化碳减排量公式可计算C减排量，公式如下：

式中QCO2——系统寿命期内二氧化碳减排量，kg；

ΔQsave——太阳能供热系统的年节能量，MJ；

n——分析节省费用年限，从系统开始运行算起，一般取集热器寿命15年；

W——标准煤热值，29.308MJ/kg；

Eff——常规能源水加热装置的效率，%；

FCO2——二氧化碳排放因子。

计算可得太阳能热水系统使用寿命中（一般为15年），相对于电、煤、石油和天然气不同常规能源系统的二氧化碳年减排量分别为2.34×105kg、3.53×105kg、1.65×105kg和1.40×105kg。

上述分析可知，应用太阳能热水系统真正做到了节能减排，符合社会和全球的需要，具有较大的节能环保效益。

7 结论

本项目住宅小区采用的太阳能热水系统投资合理，应用成功，通过比较，系统的运行费用远远低于几种常规能源热水系统，回收周期平均在3a～5a，具有较大的经济效益。系统每年节约的常规能源折合如下：节约电量6.0×105kW·h，节约电费30万元，CO2年减排量2.34×105kg；节约煤量1.86×105kg，节约燃煤的价值18.6万元，CO2年减排量3.53×105kg。因此，今后该类型住宅小区热水系统可以在其他城市大力推广。

[1]张扬,高辉.太阳能利用与环境可持续发展是统一框架之下的系统工程—美国百万太阳能屋顶计划之启示[J].新能源,2000,22（9）：51-54.

[2]牛志恒,李云鹏.我国太阳能建筑发展的现状及太阳能与建筑一体化[J].中国科技博览,2010,17：7.