城镇住宅太阳能热水系统调研分析

2019-02-14同济大学徐尤锦李峥嵘

太阳能 2019年1期

同济大学■ 徐尤锦李峥嵘

丹麦科技大学■ 黄俊鹏

IMSIA国际金属太阳能产业联盟■ 陈讲运

0 引言

2014年，我国太阳能热利用市场开始逐年下滑，城镇太阳能热水市场亦是如此。为准确评估我国城镇太阳能热水市场下滑的原因，2015～2017年间，IMSIA国际金属太阳能产业联盟组织专家和企业对全国多个省份正在运行的太阳能热水工程进行了调研，得到了热水工程用户，以及万科、招商地产、朗诗地产等房地产开发企业和物业部门的大量反馈。

本次的调研对象主要是与太阳能热水工程应用相关的地产商负责人、物业管理人员、个体太阳能热水用户等；调研范围涵盖北京、上海、天津、宁夏、山东、湖南、浙江、云南、安徽、河南、江苏、江西等12个省(市、自治区)；实地考察了50多个太阳能热水工程项目，其中85%为大型太阳能热利用企业建设的热水工程；实地入户走访18户居民；期间，还以问卷调研的方式发放大量问卷，经过分析，实际有效样本为33个。

调研的热水系统类型主要有3类：集中集热-集中供热式太阳能热水系统、集中集热-分户供热式太阳能热水系统、分散集热-分户供热式太阳能热水系统，如图1所示，并且这3种太阳能热水技术在国内城镇的应用也较为成熟。

图1 3种常见的太阳能热水系统

集中集热-集中供热式太阳能热水系统是指集热器集中铺设，将利用太阳能加热的热水输送到集中储热水箱(水箱可位于屋顶或地面)，为一栋或多栋建筑物提供生活热水服务的系统。该系统也可称为集中集热-分户计量-集中辅助加热系统，热水采用分户计量的方式，方便物业收取费用。太阳能系统与常规能源结合可实现24 h热水供应。集中集热-集中供热式太阳能热水系统的评估如表1[1-3]所示。

表1 集中集热-集中供热式太阳能热水系统的优、缺点及适用范围

集中集热-分户供热式太阳能热水系统是指集热器集中铺设，储热水箱安装于用户家中的系统。该系统也称为集中集热-分户储热-分户加热系统，用户的用水系统与太阳能系统分开，用户无需另外缴纳热水费用。太阳能系统与电加热结合可实现24 h热水供应，这样有利于降低运行费用，物业管理较为容易[1-3]。集中集热-分户供热式太阳能热水系统的评估如表2所示。

表2 集中集热-分户供热式太阳能热水系统的优、缺点及适用范围

分散集热-分户供热式太阳能热水系统是指采用集热器单户铺设和储热水箱单户安装的方式为用户提供生活热水需求的系统，又可分为自然循环系统和强制循环系统。该系统的集热器通常铺设于屋面或阳台，应用较多的是集热器铺设在屋面的非承压整体式多层住宅太阳能热水系统和阳台壁挂式中高层太阳能热水系统，太阳能与电加热结合可实现24 h热水供应[1-3]。分散集热-分户供热式太阳能热水系统的评估如表3所示。

表3 分散集热-分户供热式太阳能热水系统的优、缺点及适用范围

1 城镇太阳能热水市场调研结论

对城镇太阳能热水市场调研后得出以下结论：

1)平板集热器是城镇住宅太阳能热水系统主要采用的集热器。调研发现，在城镇太阳能热水系统中，61%采用的是平板集热器，39%采用的是真空管集热器。平板集热器在城镇住宅中得到大量应用，得益于建筑一体化集成优势及多省太阳能热水强制安装政策；真空管集热器由于产品本身的特点与其的安装安全性问题，开发商对其并不认可。在以中、高层建筑为主的一线城市，平板集热器的市场份额将更大。深圳市太阳能热水系统的调研结果显示，93%的项目采用的是平板集热器，平板集热器的面积占比达到76%[4]。

2)地产开发商安装太阳能热水系统的意愿明确。通过对众多地产开发商进行调研后发现：87%的地产开发商在建筑规划设计阶段就考虑运用太阳能热水系统，只有13%的地产开发商在后续阶段才考虑应用太阳能热水系统。这主要有两方面的原因：绿色建筑发展驱动力和各省太阳能热水系统强制安装政策。进一步调研后发现，18%的地产开发商是因为政府强制安装政策才考虑运用太阳能热水系统，82%的地产开发商则是主动提出安装太阳能热水系统，这也间接反映了我国绿色建筑的发展趋势。

3)设计院参与度低。调研发现：57%的太阳能热水系统设计方案是由地产开发商决定，29%是由地产开发商和太阳能企业共同决定，14%是由太阳能企业决定；建筑设计院基本未参与太阳能热水系统的设计。系统设计参数选取时，只有50%来自太阳能企业，29%来自于建筑设计院单位，21%来自地产开发商。图2为太阳能热水系统方案决定权及设计参数来源的占比情况，从中可以发现，开发商、太阳能企业、建筑设计院之间缺乏合作，或方案设计直接由太阳能企业包办，这会引发一体化设计的一系列问题。建筑设计单位在设计时由于缺乏对相关系统进行后期调研，对不同系统出现的问题只停留在理论层面，造成设计的系统达不到运行要求[5]。

图2 太阳能热水系统方案决定权及设计参数来源占比情况

4)开发商介入太阳能热水系统施工的程度高。调研发现，开发商对太阳能热水工程施工工艺的介入度较高。在调研的太阳能热水项目中，71%的项目地产开发商介入了施工工艺，29%的地产开发商并未介入。开发商的介入更加有利于太阳能热水工程施工的规范化。

2 城镇太阳能热水系统调研结论及诊断分析

2.1 城镇太阳能热水系统调研结论

对我国城镇太阳能热水系统进行调研后得到以下结论：

1)太阳能资源不足、无法24 h热水供应、缺乏成熟方案是我国城镇太阳能热水系统面临的3大难题。地产商进行太阳能热水系统的规划设计时也遇到很多难题，其中，项目地太阳能资源不足是地产商遇到的最大问题，占比为30%；其次是对热水供应稳定性要求高和无成熟可参考方案，占比皆为18%；缺乏政府强制性规定，占比为15%；建筑物朝向、楼间距不允许，占比为11%；太阳能集热器安装空间受限，占比为8%，如图3所示。

图3 太阳能热水系统各设计难点的占比情况

2)太阳能保证率及集蓄比采用粗放式设计。太阳能的能流密度低，无法持续稳定地供给热量，所以在进行太阳能热水系统设计时，有必要选取最佳的太阳能热水保证率。在调研的太阳能热水系统中，35%是基于成本及使用体验而选取的太阳能保证率数据；而仅以使用体验为主选取的占比为29%；按最大集热器安装面积选取的占比为29%；以政府规定最低值选取的占比为7%。对于集蓄比的选取，63%是基于集热器轮廓安装面积及水箱内胆尺寸进行计算而得到的；21%是基于集热器采光面积和水箱有效尺寸进行计算而得到的；16%是根据经验选取的。我们从中也可以发现，太阳能保证率的选取并未进行严格的计算，也未采用太阳能热水系统设计软件进行模拟分析，而是采用粗放式选取。集蓄比的选取也非常不规范，大量基于轮廓面积和水箱内胆容积计算得出。具体如图4所示。

图4 太阳能保证率及集蓄比选取依据

3)设计参数浮动值不同成为竞标方案差异大的主因。调研发现，参与竞标的太阳能热水系统的设计方案差异很大，仅有57%的系统设计方案与集热器的计算面积基本一致；43%的系统设计方案与集热器的计算面积差异较大。总结设计差异的来源主要有：设计参数浮动值不同、太阳能热水系统设计不同、太阳能产品质量不同、设计参数不明确。具体如图5所示。

图5 太阳能热水系统设计方案的差异来源

2.2 城镇太阳能热水系统的诊断分析

太阳能热水系统主要包含集热器、水箱、水泵、管道和辅助加热系统等，无论是单个组件，还是太阳能热水系统本身都存在大量问题。此外，即使太阳能组件质量好，也不代表该系统的运行效果就会好，太阳能热水系统的优化设计对稳定供应适宜温度的生活热水非常重要，调研中我们也发现了很多的组件质量问题和系统设计不合理的地方。

1)集热器存在漏水、破损、吸热效率衰减、闷晒及安装位置不合理等问题，如图6所示。

图6 集热器存在的问题

2)水箱存在内胆和外壳爆裂的问题。承压水箱在使用过程中漏水较多，尤其是水箱与管道的接口处，这主要是由于施工安装不规范造成的。承压水箱的内胆质量不过关，以及感温探头与内胆连接不当，都会导致内胆漏水。

3)管路问题。调研中，76%的项目及58%的集热器铺设面积中，连接时都采用PPR管进行连接，但这样做会存在漏水、保温差及阀门生锈的问题，如图7所示。

图7 调研中的管路问题

4)热水泵存在生锈、启停控制失灵、未设置备用泵及未做减噪降震处理的问题。

5)太阳能热水系统设计缺乏前期调研。未合理设定太阳能保证率，缺乏对当地辐照度、气候、投资回收等的综合考虑。对用户生活习惯、热水需求量不清楚[6-8]，太阳能热水系统设计组件偏大或偏小，导致辅助热源加热时间过长，未充分利用太阳能，或热水温度较低达不到用户需求。选择太阳能热水系统时未考虑建筑的气候分区，未提供防冻解决方案及未进行供水软化处理，导致冬季集热器冻坏、管道结冰、接头水垢堵塞等，从而导致用户投诉多或直接拆除太阳能热水系统。

6)集热器安装位置、倾角、集蓄比、水泵压头、连接管件等设计不合理[9]。未采用专业软件进行模拟优化，连接管件未考虑腐蚀、防冻、漏水等，并且对大型生活热水系统缺乏有效的监控管理。

3 城镇太阳能热水系统运维调研结论及诊断分析

3.1 城镇太阳能热水系统运维调研结论

冬季热水不足、漏水、缺乏专业运维人员是城镇太阳能热水系统运维中的3大问题。本次调研发现，只有43%的太阳能企业对物业公司管理人员进行了运维培训，57%的太阳能企业并未提供运维培训。太阳能热水系统在运行中也暴露出很多问题，其中，冬季热水不足，占比为29%；漏水，占比为21%；缺乏专业维修管理人员，占比为19%；水温不稳定，占比为10%；系统存在安全隐患，占比为9%；水泵电耗大，占比为7%；夏季热水过热，占比为5%。具体如图8所示。

图8 太阳能热水系统运行中的问题

图9对太阳能热水系统运行中出现的问题进行了分类统计。由图9可知，问题中的50%源于系统设计不合理，22%源于系统施工粗糙，设备选型不合理与缺乏专业运维人员的占比皆为14%。

图9 运行问题来源的占比情况

3.2 城镇太阳能热水系统运维诊断结论

1)热水舒适性与价格不匹配。对200户居民进行调研后发现，只有37%的用户认为太阳能热水系统“很舒适”，而认为电热水器和燃气热水器“很舒适”的占比分别为42%和44%。其中，上海地区的调研显示，太阳能热水器在上海地区的市场份额仅为10%；在使用太阳能热水器的住户中，对太阳能热水器“不满意”的占比为51.43%，“比较满意”的仅为28.57%，“不满意”的原因主要是热水量不够、洗澡时温度不高，“满意”的原因主要是太阳能热水方便洗澡和厨房洗涤[10-11]。

2)运行维护费用高。调研中发现，城镇太阳能热水系统的运行费用高、常发生系统故障、系统设计不合理及产品质量差是主要问题。部件的故障率从高到低的排序依次是集热器、水泵、管网。

3)系统安全性缺失。主要表现在系统使用中出现的漏水、漏电、支架倒塌、无防雷电措施。太阳能热水系统安全事故多发生于严寒地区，突出问题表现在真空管炸管漏水、电伴热质量差引发的保温层着火、漏水引发的屋面结冰等[10,12]。

4)对全国70个集中式太阳能热水工程进行调研后发现，太阳能集热系统的集热效率普遍低于设计要求的值；设计系统时太阳能保证率偏小，常规能源利用比例偏大；建筑热水负荷与集热系统集热量匹配度仍需优化；系统设计容量小，使供水温度低、温度波动大；管路保温较差[13]。

4 总结及建议

4.1 宿舍及公共建筑的运行满意度较高[4]

宿舍及公共建筑的太阳能热水系统均运行良好，尽管存在管道及水箱漏水等问题，但在物业可控范围内，无用户投诉。

4.2 住宅建筑运行的管理投诉频繁[4]

住宅建筑的太阳能热水系统运行状况一般，用户投诉较多。住户投诉的焦点是屋顶制热设备及水泵的噪音、热水收费问题、承压水箱的爆裂、管道及设备漏水、集热板堵塞、控制系统失灵、水泵无法正常运转等问题。同时，部分小区的太阳能热水项目虽已建成，但由于入住率偏低，且热水费定价不明朗，导致系统至今未投入使用。

4.3 全天候24 h热水承诺

大部分开发商对用户承诺全天候24 h提供生活热水，但原则上仅依靠太阳能是无法全天候提供生活热水的，必须有其他辅助能源才能达到24 h提供热水，但其他辅助能源的使用也必然会带来相关费用，因此，事实上并不存在免费的24 h太阳能热水系统。

1)太阳能不是万能的。对于住宅项目的太阳能热水工程，开发商应对业主如实告知太阳能热水工程的实际情况，对其进行工程项目的讲解和宣导，如实际安装的太阳能集热面积、预计可能达到的热水水温、受限于屋顶面积导致太阳能热水温度可能不够高、需要收取一定的太阳能热水系统运营费用等。以避免业主对太阳能热水系统的期望过高，造成后期的运营投诉。

2)多能互补太阳能热水系统。由于楼顶安装面积限制、系统散热等原因，太阳能热水系统冬天也许无法提供50 ℃的热水，这些必须和消费者讲明白。即使只能达到30 ℃的水温，在此基础上加热也较为经济，太阳能热水系统能够最大程度地利用太阳能，不足部分可用燃气、电等进行补充，一样可以给用户带来良好的热水使用体验。这方面需要开发商和太阳能企业共同对广大用户进行相关科普讲解。

3)免费热水系统。在某些项目中，开发商承诺项目的生活热水是免费的，而后期用户使用过程中还要花费一定的电费或燃气费，造成用户不满。同时，运营单位(如物业公司)需要花费大量的财力、物力对太阳能热水系统进行维护，这部分的维护费用无法分摊到用户，也会给运营单位造成很重的负担。

4.4 售后服务

太阳能热水系统的保修期通常为2年，而住宅项目的实际销售进度通常也在2年或2年以上。这2年中，项目的入住率不超过80%，太阳能热水系统无法按照经济模式正常运营，甚至无法运行。大量的设备暴露在室外风吹雨淋，集热系统空晒严重，很容易失效；金属构件若保护不当则易生锈，出现管件老化、漏水等。因此，很多太阳能热水系统往往还等不到正式启用，就已经出现诸多故障，甚至无法正常运行。针对以上情况，笔者提出以下2点建议：

1)倡导适当延长太阳能热水系统的保修期。可以通过在合同中与太阳能企业约定延长太阳能热水系统的保修期，尽量与项目的开发销售期保持同步。

2)根据项目的开发、销售进度合理安排太阳能热水系统的施工进度。太阳能热水系统的管路、强弱电等隐蔽工程可随项目主体同时施工，集热器、水箱、控制系统等可根据项目的实际情况分批次安装，以确保系统能在满足入住率的前提下，以最佳的状态交付使用。

4.5 热水系统维护费用

目前，太阳能热水系统的运行、维护费用是由物业公司垫付的，系统的长期运行使物业公司苦不堪言。希望国家出台相应的收费标准、政策或指导意见，明确运维费用应如何收费、收取多少合适等。针对上述问题，笔者给出了以下2点建议：

1)太阳能企业应在系统设计时，根据项目的实际情况估算太阳能热水系统逐年的运行与维护费用，并明确告知开发商和运营单位(如物业公司)。在此基础上，开发商与用户约定一个合理的收费标准，以确保系统可长期、稳定运行。

2)系统设计时，太阳能热水系统的水、电、燃气等应独立计量，同时，太阳能企业应提供易损件的清单及价格，以此可统计出太阳能热水系统的运行费用及收费依据。

4.6 城镇太阳能热水系统的发展建议

建筑一体化太阳能热水系统已成为太阳能热水应用的主要形式，“十三五”期间太阳能热水系统发展的主要任务是借助政府强制安装政策，加快推进太阳能与建筑一体化的发展，进一步提高技术水平，彻底扭转过去普遍存在的低价竞争等不利于行业发展的市场局面。应加快推进建筑一体化太阳能热水集中系统的集成优化设计、系统自动控制和热计量，以及模块化、分离式家用系统的性能提升和新产品开发[14]。为解决太阳能能流密度低，无法保证长期稳定供给热水的情况，应推进多能互补太阳能热水系统的发展，以保证24 h热水的稳定供应。同期，深圳市的调研结果表明，50%的太阳能热水系统采用电锅炉辅助加热，21%采用热泵辅助加热；按集热器面积计算，则是46%采用热泵辅助，19%采用电锅炉辅助。同时，应根据生活热水需求，确定太阳能是作为主热源还是预热热源，以便合理设计蓄热容积及集热器铺设面积[15]。仅采用太阳能保证率评价太阳能热水系统性能具有一定的局限性，增加太阳能利用率、常规能源有效替代率和系统散热比3个参数作为太阳能热水系统性能评价指标[16]。对于工程类太阳能热水系统，应借助物联网技术对其进行运行监测，既有利于及时发现问题，也有利于收集数据，以便对太阳能热水系统进行技术分析和系统改进。