夏熱冬冷地區可再生能源熱水系統探討

王 麗, 楊 修

(廣西大學土木建筑工程學院,廣西工程防災與結構安全重點實驗室，廣西南寧 530004)

隨著《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》等“1+N”政策體系的陸續發布，充分顯示了國家對于降低碳排放量，調整“大量生產、大量消耗、大量排放”產業的決心。而據調查顯示我國的建筑能耗占能源總消耗的比例已經達到27%甚至更高，這說明實現建筑能源的綠色化對于降低碳排放，解決整個社會能源問題的重要意義。目前常用的可再生能源熱水系統有太陽能+空氣源熱泵系統、太陽能+電熱水器系統、地源熱泵系統、空氣源熱泵系統，如何從這些可再生能源熱水系統中選擇經濟適用的一套系統，也是夏熱冬冷地區在可再生能源熱水系統利用方面迫切需要解決的問題。

1 研究對象地區(桂林)概況

在氣候上，桂林是廣西緯度較高的地區，年溫不高、氣候溫和。輻射量和日照較少而季節變化大、熱量水平低。年太陽輻射3 726～4 354MJ/m2，年日照率在28%～38%間，夏、秋2季日照率較高，桂林等地最高的月份達59%，是廣西的高值區之一；冬、春兩季日照率較低，多在20%以下，2、3月多為16%～17%，是廣西的主要低值區[1]。

研究將以高校宿舍太陽能建筑一體化設計為例，探討在廣西夏熱冬地區這個特定的自然環境和地理條件下熱水系統輔助能源研究及其能源經濟效益，為今后該地區對于太陽能熱水系統輔助能源的利用尋找一條經濟適用的道路。

2 工程實例

2.1 項目概況

本項目為桂林某高校宿舍樓，位于桂林市雁山區，北緯25°03′，東經110°18′。坡屋頂，傾角為21°，方位角為16°公寓樓地上共6層，共住612(學生)+1(管理員)=613人。目前校區內已建有1#～8#宿舍樓，與本項目相鄰，建筑風格也與本項目相似，皆為帶有傳統桂北建筑風格的多層宿舍建筑。

2.2 可再生能源熱水系統選擇

幾種可再生能源熱水系統的經濟性對比見表1。

根據表1幾種供熱水系統的經濟性數據對比，可以明顯地看出太陽能熱泵系統相較于地源熱泵和空氣源熱泵具有幾點優勢：

表1 可再生能源熱水系統經濟性對照

(1)同等供應熱水量條件下，1年的燃料耗量只有地源熱泵和空氣源熱泵的1/5，相對應的燃料價也較另2種系統節省4/5。

(2)雖然3種系統都需要專用機房，但對于地源熱泵來說由于土壤的導熱系數較小，埋管內的載能流體與管外的土壤之間能流密度很小，換熱量小，所以需要的地下換熱器的表面積很大，占據較大的地下和地上空間[2]；而空氣源熱泵布置在地面上，占地面積大；相比起來，在相同熱負荷條件下，太陽能熱泵所需要的集熱器面積與蓄能裝置容積等都比其他2種系統要小得多，并且經過一體化設計后能讓系統結構更緊湊，對建筑風貌干擾不大。

(3)地源熱泵部分系統需鋪設在土壤中，會對土壤環境造成一定的影響；空氣源熱泵則有可能使外部空間環境局部惡化，引起熱島效應；而太陽能清潔、安全，幾乎不會造成環境污染。

(4)地源熱泵、空氣源熱泵運行時噪音較大，對居住、工作都有較大干擾，太陽能熱泵則無這個問題。

(5)地源熱泵埋置于土壤的部分較難維修；空氣源熱泵則有可能在供熱工況下，蒸發器上會結霜，需要定期除霜[3]；而太陽能熱泵相對來說維修界面較為直接，且受外界影響較小。

(6)3種能源中，地源熱泵的初始投資是最大的，太陽能熱泵相對適中，但因為太陽能熱泵的年花費最少，所以匯總對比后仍然是太陽能熱泵的經濟性占有較大優勢。

相較于地源熱泵和空氣源熱泵，太陽能熱泵有如此多種的優點，因此本項目選擇采用太陽能熱水系統，具體輔助能源選擇電能還是空氣能還需要進一步比較決定。

2.3 太陽能熱水系統設計

2.3.1 集熱參數設定

桂林全年的太陽能輻射量差異較大，采用年平均值不足以說明建設地的氣候特點。因此，需要利用桂林逐月氣溫和太陽輻射量等數據，計算出各個季節該地區每戶所需的集熱面積，為建筑師進行立面設計提供可靠數據。項目主要經濟指標如表2所示。

表2 項目主要經濟指標

2.3.2 集熱器選型

目前，國內大部分熱水系統采用真空管集熱器，而在和建筑的結合上，平板集熱器在國外已經運用得相當成熟，更容易與建筑相結合。在外觀上，國內外應用最廣的是深藍色和深褐色的平板型太陽能集熱器，項目在結合宿舍樓的外墻設計時，結合原有的紅色瓦屋面色彩采用了深褐色的集熱器，更符合建筑一體化的美觀要求，如圖1所示。

圖1 屋頂太陽能板特寫

2.3.3 集熱系統設計

根據太陽能熱水系統與多層學生宿舍的適配性，考慮到該學生宿舍的屋面面積的局限性、造價高、桂林地區硬水水質、日照情況以及用水要求等多方面因素，因此該項目采用集中集熱—集中儲熱—強制循環—間接換熱的熱水系統,相對于分戶供熱水系統，熱水得到合理分配與管理，更適合集合住宅的形式。項目采用1個單元1個集中熱水系統，按每間人數4人，人均用水量50L/d計算，得出每單元每天用水量(表3)。

表3 每單元宿舍間數及其每天用水量

項目熱水系統的設計按照每個單元作為1個循環，由統一的儲熱水箱通過管道井向各層用水點提供熱水，水壓一般可至屋面。由于桂林所處的地理環境并非太陽能輻射量高產區，陰雨天與冬季的部分時期太陽能輻射量達不到熱水使用要求，則需要一定的輔助熱源來滿足供熱水要求。關于輔助能源到底是使用空氣源熱泵還是電熱水器，本研究進行了測算比較，見表4。

經計算1年大概只有120天沒有太陽光照，需要空氣源熱泵輔助加熱，電費按1元/(kW·h)計算。

由表4可知，本項目使用太陽能+空氣源熱泵輔助加熱比太陽能+電熱水器輔助加熱每年節約158 585.5kW·h，節約標準煤為60.3t(按標煤0.38kg/kW·h),減少二氧化碳排放158.1t,4.8t二氧化硫(S02)的污染排放。無論是從環保程度、系統效率還是經濟效益都是采用空氣源熱泵更優于采用電熱水器。因此，在水箱處均安裝有空氣源熱泵與集熱循環泵，當檢測溫度低于50 ℃時，會自動啟動循環加熱裝置，以保證最不利工況時能及時供熱、即開即熱的使用要求，防止冬季陰雨天氣集熱面積不夠的情況；而夏季集熱面積遠遠超出用戶的需求量，所以可以考慮關掉部分工質循環，避免造成浪費，或是用于其他用途，例如宿舍庭院的花草灌溉。這樣做方便管理與維修，計量收費簡單易行，還能平衡宿舍間用熱水量，充分利用集熱器與太陽散射輻射集熱功能。并且如果人人都有多用熱水的意識習慣，則集中集熱儲熱管線過長的問題就會弱化。

2.3.4 施工設計

綜合以上設計與分析結果，可以得出相應的建筑施工圖，為具體施工提供可靠依據，并可計算出該項目的總建筑工程費用，得出熱水計量收費標準。為了不破壞屋面防水層，屋面集熱器的固定采用安裝預埋件的固定方式，平屋面預留了太陽能熱水立管出屋面、太陽能熱水器電路出屋面的孔洞，并相應進行了建筑構造做法處理。夾層內置儲水箱，并不外露，使得外觀更美觀。樓梯間可通往夾層。夾層與屋面、夾層與其余樓層之間預留孔洞和管井。為了增加管井的使用效率，方便維修，將各房間的太陽能熱水立管與冷水管整體考慮，共同置于樓梯間的管道井內。并設置可上人樓梯用于維修與維護。

表4 輔助能源使用空氣源熱泵和電熱水器的對比研究數據(2種能源系統使用期內成本計算30650L/d熱水器的比較)

3 結束語

從上文分析可知，在廣西北區相同設計條件下的多種可再生能源熱水系統從燃料消耗、系統占地面積、初始投資、污染性、噪音影響、設備維護、運行費用等多方面進行測算對此之后，可知設計選擇太陽能+空氣源熱泵熱水系統比其他幾種可再生能源熱水系統擁有的優點：

(1)初始投資適中，年運行費用較低，投資總額度小，回報率較高。

(2)年燃料消耗低，二氧化碳排放量較之其他幾種更少，從節能、環保上占據更多優勢。

(3)設備布置靈活，占地面積小，在經過一體化設計后，可與建筑外觀緊密結合，不影響建筑風貌。

(4)對周邊環境無污染，無噪音。

(5)后期維修、維護直觀、方便。

今后該地區在進行熱水系統選擇時，都可以參照本研究結論去進行選擇，優先考慮太陽能+空氣源熱泵熱水系統，這種相對環保、經濟、節能的熱水系統。