高層住宅太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保分析

王東萍 焦志鵬

（1 河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450064 2 中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450000）

黨的十九大報(bào)告再次強(qiáng)調(diào)“樹(shù)立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策?！睘榱藢?shí)現(xiàn)節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，建設(shè)美麗中國(guó)，利用可再生能源和清潔能源必不可少。

太陽(yáng)能作為一種可再生的清潔能源，已越來(lái)越被人們所接受。太陽(yáng)能熱水應(yīng)用技術(shù)在諸多太陽(yáng)能熱利用技術(shù)中，是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)，主要應(yīng)用于多層、低層建筑中。隨著我國(guó)城市快速發(fā)展，建筑用地資源越來(lái)越少，高層住宅已成為我國(guó)大中城市新建住宅的主要類(lèi)型，因此在高層住宅中利用太陽(yáng)能解決生活熱水問(wèn)題更具有現(xiàn)實(shí)意義，也更能節(jié)約能源和實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。本文以已建成的某高層住宅小區(qū)為例，重點(diǎn)進(jìn)行節(jié)能減排分析。

本小區(qū)由8棟18層板式高層住宅樓組成，小區(qū)共26個(gè)單元，分L、M、N三種戶(hù)型。采用集中集熱—分戶(hù)儲(chǔ)熱的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。每戶(hù)衛(wèi)生間放置一個(gè)加熱水箱，采用銅盤(pán)管間接換熱方式。為解決陰雨天氣或季節(jié)變化造成的太陽(yáng)能熱水供應(yīng)不足問(wèn)題，每戶(hù)設(shè)燃?xì)獗趻鞝t作為輔助熱源，每戶(hù)設(shè)置溫度傳感器和可靠的電磁閥控制熱媒流量，以保證分戶(hù)水箱的熱量不會(huì)傳遞到系統(tǒng)中去。太陽(yáng)能設(shè)備、各戶(hù)的加熱水箱、溫度傳感器、電磁閥、太陽(yáng)能設(shè)備與各分戶(hù)加熱水箱之間的管道系統(tǒng)均由開(kāi)發(fā)商出資并負(fù)責(zé)日常維護(hù)管理，輔助熱源由開(kāi)發(fā)商出資各戶(hù)自行管理。設(shè)置太陽(yáng)能系統(tǒng)增加了開(kāi)發(fā)商的投資，但跟目前的高房?jī)r(jià)相比還在可接受的范圍內(nèi)，并且集中熱水供應(yīng)也是樓盤(pán)的一個(gè)賣(mài)點(diǎn)。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)原理圖

下面以L單元為例進(jìn)行該住宅太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)節(jié)能減排計(jì)算，L單元共54戶(hù)。

1 集熱面積的計(jì)算

1.1 直接系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器總面積計(jì)算

太陽(yáng)能集熱器面積有兩種不同的定義：總面積和采光面積。總面積參與計(jì)算確定需要使用的太陽(yáng)能集熱器數(shù)量、太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的定位和總占地面積。采光面積則用于判斷某一太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)品的性能指標(biāo)是否合格。

根據(jù)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的使用情況，氣象參數(shù)做如下選定：四季使用時(shí)，采用全年平均氣象參數(shù)；春季、夏季、秋季使用時(shí)，采用春分或秋分所在月的月平均氣象參數(shù)；冬季時(shí)，采用12月份的月平均氣象參數(shù)。該系統(tǒng)四季供應(yīng)生活熱水，采用全年平均氣象參數(shù)。

直接系統(tǒng)集熱器總面積可根據(jù)用戶(hù)的每日用水量和用水溫度確定，按下式計(jì)算（1）：

式中AC—直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；

QW—日平均用熱水量，k g；（6048kg）

CW—水的定壓比熱容，4.187kJ/（kg·℃）；

tend—儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水的設(shè)計(jì)溫度，℃；（55℃）

tL—水的初始溫度，℃；（10℃）

JT—當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗?yáng)輻照量，kJ/ m2；（17000kJ/ m2）

f—太陽(yáng)能保證率，一般在0.30～0.80范圍內(nèi)；（0.50）

ηcd—集熱器的年平均集熱效率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值宜為0.25～0.50，具體取值應(yīng)根據(jù)集熱器產(chǎn)品的實(shí)際測(cè)試結(jié)果而定；（0.45）

ηL—儲(chǔ)熱水箱和管路的熱損失率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值宜為0.20～0.30。周邊環(huán)境溫度較低，熱水溫度較高，保溫較差時(shí)取上限，反之取下限。（0.30）

1.2 集熱器面積的補(bǔ)償

對(duì)太陽(yáng)能集熱器定位時(shí)，需要考慮集熱器傾角和方位對(duì)太陽(yáng)能輻射量吸收的影響。其中年太陽(yáng)輻射量最大的一組數(shù)據(jù)面積補(bǔ)償比R=100%，某安裝方位和傾角的面積補(bǔ)償比R是該安裝方位和傾角表面上接收到的全年太陽(yáng)輻照量與最大年太陽(yáng)輻照量比值。

本小區(qū)集熱器設(shè)置在平屋面上，建筑物周?chē)h(huán)境不會(huì)對(duì)安裝方位和傾角產(chǎn)生限定條件，因此R為100%，不需進(jìn)行面積補(bǔ)償。

當(dāng)進(jìn)行規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)時(shí)條件不允許，即R小于95%時(shí)，需要用增加集熱器面積的方式來(lái)補(bǔ)償。

1.3 本工程集熱器面積確定

本工程采用直接集熱系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)代入上述面積計(jì)算公式（1）計(jì)算

在對(duì)集熱器構(gòu)架進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到高層住宅電梯機(jī)房、樓梯間、伸頂通氣管等所占據(jù)的屋頂面積及建筑自身的遮擋，根據(jù)集熱總面積合理分配屋面空間，為盡可能多地利用太陽(yáng)能，集熱器面積按圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面最大容許安裝面積確定。在建筑設(shè)計(jì)階段就將集熱器構(gòu)架進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，與建筑主體一體化，避免后期施工對(duì)屋面的破壞。主要部件和控制裝置的安裝位置在設(shè)計(jì)中就加以細(xì)化，充分利用建筑空間，提高各部件安裝的統(tǒng)籌性與合理性。

根據(jù)建筑物屋頂平面圖，L戶(hù)型單元集熱系統(tǒng)采用直接系統(tǒng)，可以安裝13塊MK-58*1800-50×1-83型橫插雙排集熱器，系統(tǒng)采用全玻璃真空管集熱器，這種集熱器不設(shè)水箱，而是通過(guò)聯(lián)箱將真空管有效地組合在一起，結(jié)構(gòu)比較緊湊，安裝方便，集熱效率高。真空管只數(shù)為650 只，輪廓采光面積為105.17m2（小區(qū)總的輪廓采光面積為2588.80m2）。

2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保分析

使用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的主要目的就是充分利用太陽(yáng)能，節(jié)約常規(guī)能源，減少污染物排放，保護(hù)環(huán)境。下面對(duì)本太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能和經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益的分析計(jì)算。

2.1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)節(jié)能分析

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的年節(jié)約能量評(píng)估是根據(jù)已確定的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，依據(jù)太陽(yáng)能集熱器面積及集熱器性能參數(shù)、設(shè)計(jì)的集熱器傾角及當(dāng)?shù)貧夂騾?shù)等條件，計(jì)算得出太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供的有用熱量。計(jì)算公式如下：

（1）直接式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供的有用熱量

式中△Qsave—太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供的有用熱量，MJ；

AC—直接系統(tǒng)的太陽(yáng)能集熱器面積，m2；（105.17 m2）

JA—太陽(yáng)能集熱器采光面上的年總太陽(yáng)輻照量，MJ/m2；（5227.14MJ/m2）

ηcd—集熱器的年平均集熱效率，%；（0.45）

ηL—貯熱水箱和管路的熱損失率；（0.30）

（2）太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的年節(jié)能量

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的年節(jié)能量是相對(duì)于常規(guī)能源加熱系統(tǒng)的節(jié)能量，輔助熱源系統(tǒng)所使用的常規(guī)能源形式和設(shè)備的工作效率與系其有關(guān)。在考慮輔助熱源系統(tǒng)工作效率影響因素后，將太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供的有用得熱量折算成系統(tǒng)的節(jié)能量。

①以電為輔助熱源 電力不是一次能源，先將節(jié)能量先換算為kW·h單位，再按系統(tǒng)建設(shè)當(dāng)年我國(guó)的單位供電煤耗直接折算成標(biāo)準(zhǔn)煤后，得出太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的節(jié)能量。計(jì)算公式見(jiàn)下式（1）（3）

式中△Qs—太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的年節(jié)能量，MJ；

ηs—輔助熱源系統(tǒng)的工作效率；

Ce—系統(tǒng)建設(shè)當(dāng)年我國(guó)單位供電煤耗，g/kW·h。

②以天然氣作為輔助熱源，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)年節(jié)能量的計(jì)算公式見(jiàn)下式（4）

（3）本工程太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的年節(jié)能量

本工程L單元集熱器面積105.17 m2，太陽(yáng)輻照量5227.14MJ/m2。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的年節(jié)能量根據(jù)（2）式△Qsave=ACJA（1-ηL）ηcd

L單元△Qsave=105.17×5227.14×（1-0.3）×0.45=173167.57MJ

小區(qū)總△Qsave=2588.80×5227.14×（1-0.3）×0.45=4262586.31MJ

取天然氣壁掛爐的熱效率為85%，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的年節(jié)能量

2.2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)環(huán)保分析

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的環(huán)保效益，體現(xiàn)在因節(jié)省常規(guī)能源而減少了污染物排放，包括二氧化碳、二氧化硫和粉塵等的減排量。在計(jì)算這些指標(biāo)時(shí)，需先將系統(tǒng)壽命期內(nèi)的節(jié)能量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量，計(jì)算公式如下式：

n-系統(tǒng)壽命期，年；（15年）

△Qs—按式（3）、（4）計(jì)算，（5014807.42 MJ）

（1）二氧化碳減排量評(píng)估

不同能源的單位質(zhì)量含碳量不同，燃燒時(shí)生成二氧化碳數(shù)量也各不相同。常用二氧化碳減排量的計(jì)算方法是：根據(jù)系統(tǒng)所使用的輔助能源，將系統(tǒng)壽命期內(nèi)不同工況下的節(jié)能量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤的質(zhì)量，再乘以該種能源所對(duì)應(yīng)的碳排放因子，將標(biāo)準(zhǔn)煤中碳的含量折算成該種能源的含碳量，然后計(jì)算該太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的二氧化碳減排量。其計(jì)算公式如下式（2）：

表1 碳排放因子

（2）二氧化硫減排量評(píng)估

根據(jù)環(huán)保部門(mén)的計(jì)算方法，生活源的二氧化硫排放量可按下式計(jì)算：

生活源SO2排放量＝生活及其他煤炭消費(fèi)量×含硫率×0.8×2 （7）

煤炭含硫率未知時(shí)，則按每公斤標(biāo)準(zhǔn)煤減排0.02kg二氧化硫計(jì)算二氧化硫的排放量，見(jiàn)下式：

（3）煙塵減排量評(píng)估

煙塵的減排量與煙塵的產(chǎn)生量、除塵設(shè)施的去除率有關(guān)。計(jì)算時(shí)，按每公斤標(biāo)準(zhǔn)煤減排0.01kg煙塵計(jì)算煙塵的排放量，見(jiàn)下式：

（4）本工程太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的環(huán)保效益

根據(jù)上面公式計(jì)算得每年節(jié)能量折合標(biāo)準(zhǔn)煤L單元為6.95t、小區(qū)為171.11t；二氧化碳排放因子為0.404，二氧化硫排放因子為0.02，煙塵排放因子為0.01，則太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)年二氧化碳減排量L單元為10.30t、小區(qū)為253.47t；二氧化硫減排量L單元為0.14t、小區(qū)為3.42t；煙塵減排量L單元為0.07t、小區(qū)為1.71t。

3 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是在于利用太陽(yáng)能，倡導(dǎo)的生活理念是節(jié)能、環(huán)保，從此角度出發(fā)，將太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的供應(yīng)定位于日常的生活用熱水，更具現(xiàn)實(shí)意義。在做太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)建筑物的實(shí)際情況，合理而靈活地選擇熱水供應(yīng)系統(tǒng)，運(yùn)行管理也需根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇。相信只要我們?cè)O(shè)計(jì)出運(yùn)行安全可靠、管理方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、又能與建筑完美結(jié)合的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，那么太陽(yáng)能的使用就會(huì)為更多的人所接受，節(jié)能、環(huán)保的理念會(huì)更深入人心，才能使這種清潔環(huán)保綠色能源——太陽(yáng)能在建筑工程中得到更加廣泛的應(yīng)用。

[1] GB50364-2005，民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S]

[2] 鄭瑞澄主編. 民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊(cè)第二版[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社，2011.5

[3] 何梓年，朱敦智. 太陽(yáng)能供熱采暖應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社，2009.4

[4] GB50015-2003，建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[5] GB18713太陽(yáng)熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及工程驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范[S].

[6] 06SS128太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝.