集中式太陽能熱水系統的實際運行效果分析

淮海工學院土木工程系 ■ 李永華

太陽雨新能源集團有限公司 ■ 焦青太

一 引言

太陽能是一種取之不盡、安全、清潔無污染的可再生能源。太陽能熱利用是減少建筑能耗、緩解能源與環境危機的重要途徑之一[1]，太陽能熱水系統已廣泛應用于建筑領域。由于太陽能熱水系統的運行效果受季節和天氣影響較大，熱流密度低[2]，少有實際運行情況方面的研究報告，而對其投資、運行費用、投資回收期等經濟指標的計算及節能效果的評價，多從理論角度進行分析，系統的全天候實際運行數據較少。

本文選擇兩個較為典型的太陽能熱水系統工程，這兩個工程在投資太陽能熱水系統的同時，根據研究的需要和有關部門的要求，建立全天候24h運行數據監測系統，真實地反映太陽能熱水系統的得熱量、能量消耗、運行費用及節能效果。

二 常熟錦弘印染廠500t熱水項目

2010年9月，常熟錦弘印染廠500t太陽能熱水工程(圖1)正式投入運行。作為中國印染行業技術領先的工業熱水工程，該工程可日供60℃熱水500t，能基本滿足工廠日常生產所需的工業用熱水，大幅降低熱水生產成本。該熱水工程裝配了太陽能行業領先的遠程監控系統，能夠對處于運行中的熱水系統水位、水溫、上水進行實時監控，同時實現自動上水、自動輔助加熱、自動報警、防凍循環、防雷、防漏電、防干燒故障診斷，并自動生成系統運行記錄表及數據曲線，為熱水工程穩定、高效運行提供保障。

1 系統設計

太陽輻照量一年中差別很大，盛夏光照時間長，氣溫高，冬季光照時間短，氣溫低。如果按冬季設計增加配置，夏季則會熱水過剩或水溫過高，對系統和使用產生危害；如果按夏季設計減少配置，降低投資，則無法滿足冬季使用，需增加輔助熱源。因此該工程是以春秋季(全年平均)設計集熱器數量。

工程設計采用ˉ58×1800mm全玻璃真空管，橫排式聯箱集熱管，集熱器傾角4?安裝在屋面，采用太陽雨280管/組的集熱器140組，200管/組的集熱器28組，共計44800支，集熱面積7460m2。

當白天可提供合格熱水時，溫度、水位控制：

(1)太陽能系統定溫直流方式工作，設定太陽能熱水箱內最佳熱水溫度，要求不低于50℃。只要有光照，集熱器內水溫達到50℃時，自動通過集熱器向熱水箱充熱水，直至熱水箱水滿。

(2)系統隨時檢測太陽能熱水箱內的水溫、水位。當集熱器內水溫低于50℃且低于進水水位20%時，由太陽能系統進水；當進水水位達到停水水位且水溫達到最佳水溫時，恢復到定溫直流工作狀態。

當白天不能提供合格熱水時(陰雨雪低溫天)，太陽能熱水箱350t、150t各一只，共500t，埋地安裝，鋼筋混凝土制作，聚氨酯整體發泡保溫，保溫層厚60mm。

2 工作原理

為保證熱水箱內24h有熱水可供應，太陽能加熱循環系統采用“定溫不定量”的設計原理，最大化地利用太陽能，最小化地使用輔助熱源，如圖2所示。溫度、水位控制：

(1)當太陽能集熱器不能提供合格高溫水時，通過水位控制使自來水先進入太陽能集熱器，以充分利用太陽能，初步加熱自來水。

(2)若用水時水溫不夠，則由輔助熱源提供高溫熱水。輔助熱源采用甲方原配蒸汽鍋爐加熱系統，全自動控制，定溫向用水點送水，即用即送，出熱水快，熱損失小。

3 運行情況

項目自2010年9月投入運行以來，通過系統的監控系統，完整地記錄了太陽能熱水系統的得熱量情況。表1為系統運行近10個月的實際數據(標準煤的發熱量為29270kJ/kg)。

4 數據分析

(1)太陽能集熱系統各月的得熱量變化很大，無規律可循。以常熟地區為例，太陽輻照量約為4858MJ/(m2·a)(以清江地區1996～1998年數據作為參考)[3]，集熱器效率取55%，則太陽能熱水器的得熱量為2672MJ/(m2·a)，理論計算總得熱量為7460×2672=19933120MJ，項目實際得熱量為12653353×1.2=15184024MJ，相差24%。

(2)根據運行10個月實際數據分析，每年實際節約標準煤約520t，可減排二氧化碳約1360t，但與設計指標年均節約標準煤2000t有較大差距。

(3)電熱值為3.6MJ/kWh，電價為0.50元/kWh，則此太陽能熱水系統每年可節電15184024/3.6×0.50=210.89萬元。此項目太陽能熱水系統的投資約為600萬元，通過節省電費，3年即可收回投資，而真空管式太陽能熱水工程的使用壽命至少15年，如果考慮巨大的節能效益，項目的經濟效益及節能效益更為顯著。

三 三廠職工宿舍太陽能熱水項目

1 系統設計

三廠職工宿舍位于太陽雨太陽能有限公司內，熱水供應采用太陽能與熱泵結合的方式，設計采用太陽能集熱器MK58×1800?3×1-83-00，集熱器總面積290m2，每人按0.725m2計算，可滿足400人熱水用量，系統配3只熱水箱，每只3t，共計9t，配20匹空氣源熱泵一只，作為輔助熱源。系統的工作原理與常熟錦弘印染廠500噸熱水工程相同，如圖3所示。

將太陽能和空氣源熱泵兩者結合，揚長補短，優勢互補，既能節能減排，又能保證全年全日連續熱水供應，是近年來集中熱水系統供應的新動向。根據資料推斷，太陽能與熱泵結合的熱水系統可節能85%[4]。

2 運行情況

目前對于太陽能與熱泵結合的熱水系統，理論分析較多，但實際運行中能否達到節能85%的指標，經濟性如何，理論分析缺乏說服力。為了真實掌握系統的實際運行情況，項目在投資建造太陽能與熱泵結合的熱水系統同時，建立了相應的全天候監控系統，對使用過程中的熱水流量、集熱器獲得的熱能、熱泵消耗的電能、熱泵獲得的熱能進行24h全程記錄。表2為系統運行近8個月的實際情況。

3 數據分析

在系統設計過程中，考慮到冬季低溫天氣對熱泵效率的影響，為滿足全日連續熱水供應的要求，曾設想增加電輔助加熱。但從實際的使用情況看，太陽能與熱泵結合的熱水系統完全能滿足冬季極端天氣對熱水的使用要求，無需增加電輔助加熱，為本地區太陽能與熱泵結合的熱水系統設計提供了實踐依據。

由表2可以看出，整個運行期間，集熱器獲得的熱能為50434kWh，熱泵產生熱能65208kWh，熱泵所耗的電能為18562kWh，能耗比為(50434+65208)/18562=6.23，即節能84%，實際數據與理論數據相吻合。

項目的經濟與節能效益：節約電能50434+65208?18562=97080kWh，節約費用97080×0.50=48540元。整個系統的投資約15萬元，則靜態投資回收期為150000×8/48540=24.7月，項目的經濟效益與節能效益非常明顯。

表2 系統的實際運行參數

四 結論

(1)印染業是高能耗、高污染行業，節能減排、降低能耗是印染業面臨的主要問題。常熟錦弘印染廠500t太陽能熱水工程的實際運行情況表明：在印染業應用太陽能熱水系統，無論是經濟性還是節能降耗，都具有良好的推廣應用前景。

(2)太陽能與空氣源熱泵結合的熱水系統，完全能滿足三廠職工宿舍冬季全日連續供應熱水的要求，無需增加電輔助加熱系統，且節能84%，節能效果明顯。

(3)以上兩個太陽能熱水系統的實際運行情況表明：投資太陽能熱水系統，如果與每年節省的電費相比較，其投資回收期一般在5年以內，而太陽能熱水系統的使用壽命至少15年，經濟性效益明顯。

[1] 羅會龍, 鐵燕.空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統熱性能研究[J].建筑科學, 2009, 25(2):52－54.

[2] 徐國英, 張小松.太陽能空氣復合熱源熱泵熱水器的性能模擬與分析[J].太陽能學報, 2006, 27(11):1148－1154.

[3] 中國科學院地理科學與資源研究所.中國氣候資源數據庫[K].

[4] 林康立.太陽能與空氣源熱泵結合的熱水工程設計及技術經濟比較[J].制冷技術, 2009, (1):5－11.