高层住宅太阳能热水系统的节能环保分析

王东萍 焦志鹏

（1 河南建筑职业技术学院，河南 郑州 450064 2 中国建筑东北设计研究院有限公司郑州分公司，河南 郑州 450000）

党的十九大报告再次强调“树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策。”为了实现节能减排，保护环境，建设美丽中国，利用可再生能源和清洁能源必不可少。

太阳能作为一种可再生的清洁能源，已越来越被人们所接受。太阳能热水应用技术在诸多太阳能热利用技术中，是技术最成熟、应用最广泛的一种技术，主要应用于多层、低层建筑中。随着我国城市快速发展，建筑用地资源越来越少，高层住宅已成为我国大中城市新建住宅的主要类型，因此在高层住宅中利用太阳能解决生活热水问题更具有现实意义，也更能节约能源和实现节能减排。本文以已建成的某高层住宅小区为例，重点进行节能减排分析。

本小区由8栋18层板式高层住宅楼组成，小区共26个单元，分L、M、N三种户型。采用集中集热—分户储热的太阳能热水系统。每户卫生间放置一个加热水箱，采用铜盘管间接换热方式。为解决阴雨天气或季节变化造成的太阳能热水供应不足问题，每户设燃气壁挂炉作为辅助热源，每户设置温度传感器和可靠的电磁阀控制热媒流量，以保证分户水箱的热量不会传递到系统中去。太阳能设备、各户的加热水箱、温度传感器、电磁阀、太阳能设备与各分户加热水箱之间的管道系统均由开发商出资并负责日常维护管理，辅助热源由开发商出资各户自行管理。设置太阳能系统增加了开发商的投资，但跟目前的高房价相比还在可接受的范围内，并且集中热水供应也是楼盘的一个卖点。系统原理如图1所示。

图1 太阳能热水系统原理图

下面以L单元为例进行该住宅太阳能热水系统节能减排计算，L单元共54户。

1 集热面积的计算

1.1 直接系统太阳能集热器总面积计算

太阳能集热器面积有两种不同的定义：总面积和采光面积。总面积参与计算确定需要使用的太阳能集热器数量、太阳能集热系统的定位和总占地面积。采光面积则用于判断某一太阳能集热器产品的性能指标是否合格。

根据太阳能热水系统的使用情况，气象参数做如下选定：四季使用时，采用全年平均气象参数；春季、夏季、秋季使用时，采用春分或秋分所在月的月平均气象参数；冬季时，采用12月份的月平均气象参数。该系统四季供应生活热水，采用全年平均气象参数。

直接系统集热器总面积可根据用户的每日用水量和用水温度确定，按下式计算（1）：

式中AC—直接系统集热器总面积，m2；

QW—日平均用热水量，k g；（6048kg）

CW—水的定压比热容，4.187kJ/（kg·℃）；

tend—储热水箱内水的设计温度，℃；（55℃）

tL—水的初始温度，℃；（10℃）

JT—当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，kJ/ m2；（17000kJ/ m2）

f—太阳能保证率，一般在0.30～0.80范围内；（0.50）

ηcd—集热器的年平均集热效率，根据经验取值宜为0.25～0.50，具体取值应根据集热器产品的实际测试结果而定；（0.45）

ηL—储热水箱和管路的热损失率，根据经验取值宜为0.20～0.30。周边环境温度较低，热水温度较高，保温较差时取上限，反之取下限。（0.30）

1.2 集热器面积的补偿

对太阳能集热器定位时，需要考虑集热器倾角和方位对太阳能辐射量吸收的影响。其中年太阳辐射量最大的一组数据面积补偿比R=100%，某安装方位和倾角的面积补偿比R是该安装方位和倾角表面上接收到的全年太阳辐照量与最大年太阳辐照量比值。

本小区集热器设置在平屋面上，建筑物周围环境不会对安装方位和倾角产生限定条件，因此R为100%，不需进行面积补偿。

当进行规划和建筑设计时条件不允许，即R小于95%时，需要用增加集热器面积的方式来补偿。

1.3 本工程集热器面积确定

本工程采用直接集热系统，将数据代入上述面积计算公式（1）计算

在对集热器构架进行设计时，考虑到高层住宅电梯机房、楼梯间、伸顶通气管等所占据的屋顶面积及建筑自身的遮挡，根据集热总面积合理分配屋面空间，为尽可能多地利用太阳能，集热器面积按围护结构表面最大容许安装面积确定。在建筑设计阶段就将集热器构架进行整合设计，与建筑主体一体化，避免后期施工对屋面的破坏。主要部件和控制装置的安装位置在设计中就加以细化，充分利用建筑空间，提高各部件安装的统筹性与合理性。

根据建筑物屋顶平面图，L户型单元集热系统采用直接系统，可以安装13块MK-58*1800-50×1-83型横插双排集热器，系统采用全玻璃真空管集热器，这种集热器不设水箱，而是通过联箱将真空管有效地组合在一起，结构比较紧凑，安装方便，集热效率高。真空管只数为650 只，轮廓采光面积为105.17m2（小区总的轮廓采光面积为2588.80m2）。

2 太阳能热水系统的节能环保分析

使用太阳能热水系统的主要目的就是充分利用太阳能，节约常规能源，减少污染物排放，保护环境。下面对本太阳能热水系统进行节能和经济、环保效益的分析计算。

2.1 太阳能热水系统节能分析

太阳能热水系统的年节约能量评估是根据已确定的太阳能热水系统，依据太阳能集热器面积及集热器性能参数、设计的集热器倾角及当地气候参数等条件，计算得出太阳能集热系统提供的有用热量。计算公式如下：

（1）直接式太阳能集热系统提供的有用热量

式中△Qsave—太阳能集热系统提供的有用热量，MJ；

AC—直接系统的太阳能集热器面积，m2；（105.17 m2）

JA—太阳能集热器采光面上的年总太阳辐照量，MJ/m2；（5227.14MJ/m2）

ηcd—集热器的年平均集热效率，%；（0.45）

ηL—贮热水箱和管路的热损失率；（0.30）

（2）太阳能热水系统的年节能量

太阳能热水系统的年节能量是相对于常规能源加热系统的节能量，辅助热源系统所使用的常规能源形式和设备的工作效率与系其有关。在考虑辅助热源系统工作效率影响因素后，将太阳能集热系统提供的有用得热量折算成系统的节能量。

①以电为辅助热源 电力不是一次能源，先将节能量先换算为kW·h单位，再按系统建设当年我国的单位供电煤耗直接折算成标准煤后，得出太阳能热水系统的节能量。计算公式见下式（1）（3）

式中△Qs—太阳能热水系统的年节能量，MJ；

ηs—辅助热源系统的工作效率；

Ce—系统建设当年我国单位供电煤耗，g/kW·h。

②以天然气作为辅助热源，太阳能热水系统年节能量的计算公式见下式（4）

（3）本工程太阳能热水系统的年节能量

本工程L单元集热器面积105.17 m2，太阳辐照量5227.14MJ/m2。太阳能热水系统的年节能量根据（2）式△Qsave=ACJA（1-ηL）ηcd

L单元△Qsave=105.17×5227.14×（1-0.3）×0.45=173167.57MJ

小区总△Qsave=2588.80×5227.14×（1-0.3）×0.45=4262586.31MJ

取天然气壁挂炉的热效率为85%，太阳能热水系统的年节能量

2.2 太阳能热水系统环保分析

太阳能热水系统的环保效益，体现在因节省常规能源而减少了污染物排放，包括二氧化碳、二氧化硫和粉尘等的减排量。在计算这些指标时，需先将系统寿命期内的节能量折算成标准煤质量，计算公式如下式：

n-系统寿命期，年；（15年）

△Qs—按式（3）、（4）计算，（5014807.42 MJ）

（1）二氧化碳减排量评估

不同能源的单位质量含碳量不同，燃烧时生成二氧化碳数量也各不相同。常用二氧化碳减排量的计算方法是：根据系统所使用的辅助能源，将系统寿命期内不同工况下的节能量折算成标准煤的质量，再乘以该种能源所对应的碳排放因子，将标准煤中碳的含量折算成该种能源的含碳量，然后计算该太阳能热水系统的二氧化碳减排量。其计算公式如下式（2）：

表1 碳排放因子

（2）二氧化硫减排量评估

根据环保部门的计算方法，生活源的二氧化硫排放量可按下式计算：

生活源SO2排放量＝生活及其他煤炭消费量×含硫率×0.8×2 （7）

煤炭含硫率未知时，则按每公斤标准煤减排0.02kg二氧化硫计算二氧化硫的排放量，见下式：

（3）烟尘减排量评估

烟尘的减排量与烟尘的产生量、除尘设施的去除率有关。计算时，按每公斤标准煤减排0.01kg烟尘计算烟尘的排放量，见下式：

（4）本工程太阳能热水系统的环保效益

根据上面公式计算得每年节能量折合标准煤L单元为6.95t、小区为171.11t；二氧化碳排放因子为0.404，二氧化硫排放因子为0.02，烟尘排放因子为0.01，则太阳能热水系统年二氧化碳减排量L单元为10.30t、小区为253.47t；二氧化硫减排量L单元为0.14t、小区为3.42t；烟尘减排量L单元为0.07t、小区为1.71t。

3 结束语

太阳能热水系统实质是在于利用太阳能，倡导的生活理念是节能、环保，从此角度出发，将太阳能热水系统的供应定位于日常的生活用热水，更具现实意义。在做太阳能热水系统的设计时，根据建筑物的实际情况，合理而灵活地选择热水供应系统，运行管理也需根据实际情况来选择。相信只要我们设计出运行安全可靠、管理方便、经济实惠、又能与建筑完美结合的太阳能热水系统，那么太阳能的使用就会为更多的人所接受，节能、环保的理念会更深入人心，才能使这种清洁环保绿色能源——太阳能在建筑工程中得到更加广泛的应用。

[1] GB50364-2005，民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S]

[2] 郑瑞澄主编. 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册第二版[M]. 化学工业出版社，2011.5

[3] 何梓年，朱敦智. 太阳能供热采暖应用技术手册[M]. 化学工业出版社，2009.4

[4] GB50015-2003，建筑给水排水设计规范[S]

[5] GB18713太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范[S].

[6] 06SS128太阳能集中热水系统选用与安装.