太陽能熱水系統的性能分析

丁力勤，馬超

（1.寧夏建設職業技術學院，銀川750000；2.北方民族大學，銀川750000）

1 引言

太陽能是指太陽的熱輻射能[1]。隨著化石燃料等不可再生能源的數量日趨減少，同時世界各國對環保問題越來越重視，太陽能和地熱能作為可再生能源和清潔能源，逐漸成為人們使用能源的組成部分，并不斷得到發展。目前，太陽能的利用有光熱轉換和光電轉換[2]兩種方式。

太陽能熱水系統[3]是一種將光轉換成熱的裝置，即通過集熱器吸收太陽能，轉換成的熱量存儲到水箱中，提供所需的生產或生活熱水。一般，太陽能熱水系統按照動態流動方式可分為循環式和直流式。而循環式又可以按照循環動力分為自然循環和強制循環兩種。自然循環式[4]太陽能熱水系統是依靠集熱器和水箱內流體的溫差形成熱虹吸壓頭，使系統中的水循環流動。強制循環式[5]是在集熱器系統中添加了水泵，泵提供系統中水循環的動力。而直流式太陽能熱水系統是指集熱器吸收太陽輻射后內部水溫升高，系統中則形成熱虹吸壓頭，熱水通過上升管流入水箱中，補給水箱中的冷水后自動下降進入集熱器，實現水的循環流動。

2 太陽能熱水系統的搭建

太陽能熱水系統主要由太陽能集熱器、循環水泵、存儲水箱以及控制系統等組成。在已建立的太陽能-土壤源熱泵復合式系統中，太陽能集熱系統只有在供暖季節使用，非供暖期則停止運行，這樣就會降低系統整體的經濟性能，延長投資回收期。論文提出在復合式系統的基礎上非供暖期太陽能集熱系統供應生產或生活熱水的方案，這樣不僅可以最大限度利用太陽能這種清潔能源，減少化石燃料的使用，而且能夠提高復合式系統的經濟性和節能環保效益，實現一舉兩得的效果。

太陽能熱水系統搭建初期，需要確定與熱水密切相關的幾個參數，即設計冷水初溫、設計熱水溫度、設計日用水量和設計小時用水量。根據《建筑給水排水設計規范》，設計冷水溫度應該以當地最冷月平均水溫資料確定，此處冷水溫度取4℃。

假設辦公建筑中人員數量為5～7m2/人計算，大概估算人數為220 人。根據《辦公室建筑設計規范》及《建筑給水排水設計規范》，可確定熱水系統的設計小時用水量及設計熱水溫度，如表1 所示。

表1 辦公建筑的設計日用水量及水溫

對于設計小時熱水用量，由于工作時間為早八點到晚六點，考慮到中午和晚上的滯留人員和加班人員，按照一定比例估算所需要的生活熱水量及設計小時熱水用量，表2 為不同時間段熱水用量和設計小時熱水用量的情況。

表2 熱水用量時間變化情況

在太陽能-土壤源熱泵復合式系統的基礎之上，建立太陽能熱水系統，為建筑提供非供暖期所需的生產或生活熱水量，系統圖如圖1 所示。

圖1 太陽能熱水系統示意圖

3 室外氣象參數

太陽能熱水系統模型中，需從外部導入建筑物所在地的氣象數據。本文中選取的建筑物所在地的地理位置為北緯33°39′～34°45′，東經107°40′～109°49′。利用Trnsys 瞬時動態模擬軟件[6]模擬了當地環境溫度、水平面太陽能日輻射量及太陽日總輻射變化情況。易知，當地的太陽能年輻射總量水平約為4574MJ·m-2·a-1，太陽能年均日輻射量12.53MJ·m-2。

4 太陽能熱水系統的性能分析

由于太陽能集熱系統在供暖期需要給建筑提供熱量，所以使用太陽能集熱系統供熱水的時間是有要求的，即在非供暖期才可以使用，計算可知，通過太陽能集熱系統提供熱水的天數為245 天。利用太陽能集熱系統后，建筑的年節能量達到123798.96MJ。相比于用煤、天然氣等常規的生產熱水方式，使用太陽能集熱系統生產熱水時可以不同程度地節約燃料，最大限度地開發利用太陽能這種可再生清潔能源，年節約費用和系統壽命期內節約費用具體如表3 所示。

表3 太陽能熱水系統的節能費用比較

太陽能熱水系統通過收集太陽能提供熱量，因不使用常規能源而減少了向環境排放的污染物，體現了其明顯的環保優勢。太陽能-土壤源熱泵復合式系統在非供暖期利用太陽能集熱系統生產生活熱水的方式相比于用煤生產熱水方式而言，系統壽命期二氧化碳排放量減少了374841.01kg。

5 結論

利用太陽能-土壤源熱泵復合式系統搭建太陽能熱水系統，在非供暖期為建筑物提供熱水。此種熱水供應方式與用煤生產熱水供應方式相比，不僅能夠節約能源，減少運行費用，還能降低二氧化碳排放量，具有較好的經濟性和環保性。