太陽能熱水系統在上海保障性住房配套教育公建項目的應用

陳 敏

上海市住宅建設發展中心 上海 200003

目前教育公建項目中運行的太陽能熱水系統很多，但對其運行效果缺乏真實的數據，對系統運行的測量比較缺乏，從而對太陽能利用的經濟性無法作真實評估。本項目以已安裝竣工的全日制寄宿學校為測試點，通過實測數據與分析研究，為太陽能熱水系統在上海保障性住房教育公建配套項目中的推廣和應用提供全面的經濟性分析、社會效益分析等。

測試結果表明，該太陽能耦合空氣源熱泵熱水系統平均集熱效率可以達到62%，秋季平均太陽能保證率可達75%，具有良好的環保和經濟效益。在上海市保障性住房教育公建配套項目中具有示范和推廣的意義，可為下一步上海市保障房公建配套乃至保障房太陽能熱水系統的推廣與運用提供數據保障，為國家與地方的政策制訂提供可靠的理論基礎。

我國既是一個煤炭、石油以及天然氣等常規能源消耗的大國，又是常規能源資源短缺的國家。以常規能源為主的能源結構產生大量的污染物，給我國整體環境造成了巨大的污染，一次性能源為主的能源開發利用模式與生態環境矛盾的日益激化，使人類社會的可持續發展受到嚴峻挑戰。因此，大力開發利用清潔可再生能源——太陽能，是優化能源結構、改善環境、促進經濟社會可持續發展的戰略之一[1-5]。

1 保障房公建配套教育用房中的熱水應用

1.1 背景介紹

在保障房公建配套教育中，全日制寄宿學校對熱水需求的量與質越來越高，在提倡節能減排的今天，用可再生能源代替常規能源已成為趨勢。所需的可再生能源除了能滿足學校學生使用要求外，還應具備幾大特點：前期投入相對較低，使用管理簡單，運行費用低，后期維護費用低，要滿足經濟、環保、成本低等要求。

太陽能作為綠色可再生能源，對于節能減排具有的顯著的社會效益已為大家所認可。本項目擬以上海保障房配套教育公建項目為突破口，通過實測數據與理論研究，為太陽能熱水系統在上海保障性住房教育公建配套項目中的推廣和應用提供全面的熱利用的經濟性和投資回報分析。研究成果還將有利于提升太陽能熱水系統應用水平、有利于太陽能技術的推廣和專利成果的轉化，并對上海保障性住房教育公建配套項目乃至保障房項目中太陽能熱利用具有示范和推廣的意義，為國家與地方政策的制訂提供可靠的理論基礎。

1.2 項目簡介

上海市浦江鎮原選址基地配套寄宿制完全中學為教育系統公建項目，總建筑面積約26 818 m2，學校辦學規模為48個班。根據設計要求，用水性質為確定時間段內用水，其余時間內不用水。學生宿舍計520人，需每天提供26 t的淋浴及洗漱用熱水。

1.3 太陽能熱水系統

根據學校熱水需求，設置了1套太陽能熱水系統，系統為定時用水強制循環開式雙水箱系統，集熱器形式采用平板型太陽能集熱器（圖1），為了使系統在光照不足及寒冷天氣的情況下滿足熱水需求，并配備空氣源熱泵為輔助熱源。

圖1 項目安裝太陽能集熱器示意

1.4 測試設備

計劃以已竣工的浦江鎮全日制寄宿學校屋面太陽能熱水系統為測試點，安裝熱水系統熱性能測試系統，收集實時數據供分析。

主要測試儀器配置：太陽能測試系統（主機）1臺、太陽能總輻射傳感器（一級表）5臺、精密溫度傳感器15套、環境溫度傳感器（帶防太陽能輻射罩）1套、流量傳感器2套、遠傳電表3套。

2 常規能源配置與消耗

在熱水系統所采用的常規能源鍋爐中，燃油熱水鍋爐、電熱水鍋爐、燃氣熱水鍋爐三者的一次性投資相差不大，但經常費用相差甚遠，而燃氣鍋爐在三者中經常費是最便宜的，因此我們選用常規能源中的燃氣鍋爐來進行比較。

選用2臺300 kW史密斯燃氣鍋爐，每臺產水量5.04 t/h，每臺小時燃氣耗量30 m3，每臺燃氣鍋爐價格16萬元，2臺總計32萬元，天然氣熱值3.56×104kJ/m3，天然氣價格3.79 元/m3，按3.5 h工作時間計，每天成本為795.9元。

一年燃氣按9個月、每月20 d計，費用為14.3萬元。

3 太陽能配置與消耗

3.1 太陽能集熱器配置

太陽能系統的配置，首先需要確定所采用的集熱器類型和面積。根據國家標準GB 50364—2005《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》相關公式計算，集熱器采光面積理論值為364.09 m2。考慮到屋頂集熱面積有限，配置集熱器共159塊。每組集熱面積2 m2，總集熱面積318 m2。系統配4臺7 350 W的空氣源熱泵，即使在長期陰雨天氣下，也可以保證26 t的60 ℃熱水用水。

3.2 空氣源熱泵系統的額定溫升計算

為了使系統在光照不足及寒冷天氣的情況下滿足熱水需求，太陽能熱水系統擬采用4臺7 350 W空氣源熱泵，每臺功率為8.57 kW，總功率為34.28 kW，為太陽能輔助加熱。

根據太陽能及熱泵聯動節能運行方案，在保證26 t/d的用戶用水需求和分時段用水特點的條件下，在學生使用熱水時段之前利用太陽能充分預熱水箱，縮短熱泵工作運行時間，降低熱泵機組耗電量，達到最大限度的節能運行。預計熱泵機組工作時間為12 h。

3.3 太陽能＋空氣源熱泵投資費用

太陽能集熱系統價格為65萬元，空氣源熱泵價格每臺5萬元，共計20萬元，太陽能系統＋輔助熱源（空氣源熱泵）總價為85萬元。

4 常規能源與太陽能熱水系統比較

1）常規能源熱氣鍋爐、水箱及其他配件投資費用約為45萬元，一年消耗燃氣費用按9個月計，約為14.3萬元。

2）太陽能系統＋輔助熱源（空氣源熱泵）總價為85萬元。

3）經測算，試點學校太陽能系統年運行費用為5.43萬元。

5 太陽能熱水系統投資回收年限計算

1）常規能源與太陽能熱水系統投資與一年運行費用如表1所示。

表1 常規能源與太陽能熱水系統費用對比

2）投資回收期：兩者均以使用年限15 a計，太陽能熱水系統（含空氣源熱泵）比燃氣鍋爐投資增加40萬元，年運行費減少了8.90萬元；當學校學生每天用水量均按規范的用水量標準使用時，也即太陽能熱水系統使用效率最高時，與燃氣鍋爐比較其投資回收期為4.5 a。

本保障房配套教育公建項目太陽能熱水系統雖然一次性投資要比燃氣鍋爐多，但其每年節約了運行費用，理論上4.5 a即可收回投資成本。

6 太陽能熱水系統投資經濟效益評估

燃氣鍋爐與太陽能熱水系統在相同使用年限15 a內，考慮每年的維護成本相同的條件下，在全壽命周期內太陽能熱水系統可產生的經濟效益為93.45萬元。

在上海保障房配套教育公建項目中如采用太陽能熱水系統，在使用周期內，1套太陽能熱水系統（含空氣源熱泵）所產生的經濟效益又可投資1套相同規模的學校的熱水系統，其經濟效益是相當可觀的。

7 試點工程總結與建議

7.1 試點工程總結

通過對試點工程的測試，得出以下結論：

該太陽能熱水系統在測試運行期間的平均集熱效率為62%，平均太陽能保證率為75%。

通過試驗和模擬可以看出，該太陽能熱水系統的集熱效率和太陽能保證率都較高，隨著太陽輻照度的提高，該系統集熱效率和太陽能保證率都會隨之提高。室外環境溫度對于系統集熱效率的影響主要在于平板集熱器的散熱熱損。

7.2 推廣的價值及意義

從經濟效益分析可以看到，雖然該太陽能耦合空氣源熱泵熱水系統相較于傳統的常規能源燃氣鍋爐系統初投資較高，但該系統的運行費用更低，節約能源。

從環保效益分析可以看到，該太陽能耦合空氣源熱泵熱水系統相比于燃氣鍋爐，可有效減少燃煤用量以及碳氧化物、粉塵排放量，節能環保。

同時，該太陽能耦合空氣源熱泵熱水系統解決了太陽能熱水系統不穩定、不持續的問題，保證了用戶的用水質量。

此外，該系統是獨立集中分散式系統，在建筑設計時比較容易實現建筑一體化的目的。

在提倡節能環保的的背景下，太陽能耦合空氣源熱泵熱水系統具有廣闊的推廣前景。需要注意的是與建筑的結合程度，在建筑設計初期應將系統設計進去，以便達到美觀和實用的雙重特性。

7.3 建議與意見

7.3.1 ?落實推廣的牽頭部門

低碳建筑已成為未來建筑設計施工的發展趨勢和方向，作為建設行業主管部門的住房和城鄉建設委員會有職責和義務對其大力推行。在輿論上大力提倡、鼓勵太陽能的運用。

1）組織編制和制訂太陽能熱水使用規范和標準，做到有規可依、設計融合、利于施工。

2）在重點領域重點推進落實。由建設主管部門牽頭落實太陽能熱水系統在低密度住宅、教育、托老等項目建設中的推廣運用。

3）出臺太陽能熱水系統的相關政策和建設流程，便于審批和驗收。

7.3.2 ?建設資金傾斜和財政支持

太陽能作為一種儲量豐富取之不盡的可再生能源，是減少常規能源消耗的有效途徑，在建筑領域有廣闊的發展前景。

考慮到太陽能熱水建設前期投入較大，收支平衡有一個周期。一方面，建設部門須在建設預算中先期投入建設資金；另一方面，地方財政也需拿出一部分財政資金予以補貼，利于推廣運用，同時也利于太陽能熱水系統建設行業的良性循環和發展。

7.3.3 ?建設情況和新能源領域的跟蹤和評估

太陽能熱水系統是目前建筑節能建設方面的重要一環和一段時間的發展方向。新能源建設的快速發展將促使我們要時刻注意這一領域的新的需求內容，敏銳地捕捉并跟上新能源的發展步伐。

首先要不斷加快太陽能熱水系統并跟上太陽能熱水系統的升級換代步伐；其次要對太陽能熱水系統在設計、安裝和使用過程中的問題提出解決方案并能跟蹤和評估，以利于不斷進步和提高。

8 結語

在目前日益緊張的能源市場，在保障房配套教育公建項目中充分合理地開發與利用太陽能資源，減少常規能源的消耗，對改善居民生活質量，促進環境可持續發展，將具有廣闊的市場前景，從課題的實測數據與理論分析上也證明了其具有可觀的環境保護效益與經濟效益。