高層住宅太陽能熱水系統(tǒng)經濟分析
摘要：本文以某高層住宅組團熱水系統(tǒng)設計為例，闡述了陽臺壁掛式太陽能熱水系統(tǒng)的主要計算、設計環(huán)節(jié)，對其進行了經濟性分析，并與常規(guī)電加熱系統(tǒng)進行了比較，從而對設計綠色建筑，節(jié)能降耗提供了設計思路與方法，以供參考交流。
關鍵詞：太陽能;熱水系統(tǒng);高層住宅;節(jié)能設計
Abstract: Taking the design of group hot water system of a high-rise residential building for example, this paper expounds the main links of calculation and design of the balcony wall-mounted solar hot water system, makes a economic analysis on it, and compares it with conventional electric heating systems, which is a reference for design ideas of green buildings, energy reduction.
Keywords: solar energy; hot-water systems, high-rise residence; design for energy efficient
中圖分類號：S214.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104(2012)
引言：
能源是支撐經濟社會發(fā)展的重要物質基礎，近年來，隨著經濟發(fā)展和人民生活水平的提高，能源需求不斷增加，能源供需矛盾日益突出，資源環(huán)境承載壓力逐漸增大。太陽能作為一種取之不竭的清潔可再生能源，已逐步成為替代常規(guī)化石能源的新型能源。太陽能光熱系統(tǒng)是成熟適用、清潔環(huán)保的重要新能源技術，推廣應用太陽能光熱系統(tǒng)對滿足能源增長需要、保護環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。
一、太陽能資源
太陽能設計首先要判斷工程所在地的太陽能資源分布情況，根據太陽能資源的豐富程度確定太陽能適用性。在太陽能資源豐富和較豐富低區(qū)，宜使用太陽能熱水系統(tǒng);在太陽能資源一般低區(qū)，宜優(yōu)先選擇和使用太陽能熱水系統(tǒng)，在太陽能資源貧乏低區(qū)，宜進行投資收益分析，再選擇和使用太陽能熱水系統(tǒng)。
下面以山東省濟南市某高層住宅工程為例，進行具體介紹分析。
1.1 氣候特點
山東省屬于三類太陽能輻照區(qū)，位于黃河下游，處于北緯34.25 ～38.23 ，東經114.36 ～122.43，之間。其濟南市位于北緯36°40′，東經117°00′。濟南市屬暖溫帶大陸性季風氣候。其主要氣候特征是：季風明顯，四季分明;冬冷夏熱，雨量集中。
1.2 太陽輻照量
計氣象參數可參照濟南市的氣象資料。年平均日照小時數為7.1h;水平面年總輻照量為4809.780MJ/(m2•a)，水平面年平均日輻照量為14.455MJ/(m2•a);當地緯度傾角平面年總輻照量為5277.709MJ/(m2•a)，當地緯度傾角平面年平均日輻照量為14.455MJ/(m2•a)。
1.3 適用性分析
Xx住宅小區(qū)1~6#樓項目位于濟南市，年日照時間2591小時左右，年太陽能輻射量5277.709兆焦耳/平方米，屬于三類太陽能輻照區(qū)，按《全國民用建筑工程設計技術措施-給水排水》(節(jié)能專篇)4.1.1規(guī)定：對于年日照時間數大于1400h，年太陽能輻射量大于4200兆焦耳/平方米的地區(qū)，氣候有利于使用太陽能熱水，本項目設計選用太陽熱水系統(tǒng)。
二、太陽能系統(tǒng)設計
2.1 項目概況
濟南XX住宅小區(qū)1~6#樓，共有6棟樓。項目總建筑面積為149345.60m2。
其中1#樓29F;2#樓28F;3#樓30F;4#~6#樓均為33F。
2.2方案設計
本項目均為高層建筑，建筑戶數多，相對屋頂面積較小，采用屋頂集中式太陽能熱水系統(tǒng)熱水供應量小，無法滿足用戶適用要求。若采用屋頂單戶式太陽能集熱器，也因屋頂面積無法滿足所有用戶安裝太陽能熱水器。山東太陽能資源豐富，當地太陽能廠家眾多，太陽能熱水系統(tǒng)經濟性較好。根據本項目特點和實際情況，并遵循可再生能源利用相關法規(guī)和規(guī)范的相關規(guī)定，采用分戶陽臺壁掛式太陽熱水系統(tǒng)提供居民生活熱水。太陽能集熱器掛在每戶南向陽臺外欄桿處。熱水經太陽能集熱器加熱后，進入每戶獨立的熱水水箱，系統(tǒng)正常情況下優(yōu)先使用太陽能，太陽能水溫不足時由住戶加熱裝置進行輔助加熱，水箱的電加熱功率為2000W。
2.3 系統(tǒng)原理
本方案為分戶集熱，分戶水箱，集熱器閉式，水箱承壓的自然式雙循環(huán)熱水系統(tǒng)。自然循環(huán)系統(tǒng)將儲熱水箱置于集熱器上方(最佳垂直距離為0.3～1 米)，循環(huán)介質在集熱器中接受太陽幅射的加熱，溫度上升，造成集熱器及儲熱水箱中溫度不同而產生密度差，因此引起浮力，此熱虹吸現(xiàn)象促使循環(huán)介質在儲熱水箱及集熱器中上下自然流動，不斷與儲熱水箱中的水進行熱交換，加熱水箱中的水。
2.3.1系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，最大工作壓力 3bar;循環(huán)管路采用Φ16 ×0.6mm 銅管;分體注液閥采用磁性鎖注液閥;連接管件喇叭口接頭連接;集熱器介質出口必須垂直方向低于水箱介質出口不小于 0.3m;水箱下介質進出口要高于集熱器介質進出口，管路絕對不允許有反坡出現(xiàn)。管路一定要有傾斜，盡量不水平走管，傾斜角度越大越好, 管路不宜有直角彎，彎曲半徑越大越好。
2.3.2安裝時，水箱底端與集熱器頂端的最佳垂直距離為 0.3～1 米;管路單向長度不宜超過2 米。本要求考慮大多數實際安裝情況，如有特殊情況，水箱與集熱器間距越小越好。集熱器安裝時，集熱器介質進出口端不低于集熱器底端。水箱進水口壓力不宜大于 0.40MPa; 注液閥、所有管路必須做保溫，室內介質循環(huán)管路也必須做保溫，南方保溫層厚 15mm 以上，北方地區(qū)保溫層厚20mm 以上。室外部分要在室內保溫材料厚度基礎上再加20mm 厚保溫材料。同時進出介質管不能合并在一起，要分開分別做保溫。安全閥泄壓口應采用熱水軟管接至地漏處。軟管不許折彎和堵塞，耐溫大于120℃(水箱安裝處一定要有地漏)
2.3.3太陽能集熱器的方向朝南、南偏西或南偏東30°以內。有偏向角度或垂直安裝時，會對集熱器效果有影響，應進行集熱面積補償。
2.4 設計計算
2.4.1 熱水量計算
按照每戶3.2 人進行熱水量計算，熱水的溫度選定為55℃，按照《全國民用建筑工程設計技術措施-給水排水》中表6.1.0-1，每人每日的熱水用水定額為45L，則每戶每日的熱水用量為3.2×45=144L。
2.4.2 集熱器面積計算
集熱器面積計算如下(具體參數取值略)：
由于是陽臺外掛式集熱器，垂直接受日光，因此要對其進行面積補償。根據《太陽能集熱系統(tǒng)設計與安裝》(06K503)附錄2 主要城市太陽能集熱器補償面積比，查得濟南市補償面積為0.65。因此最終確定的換熱器面積為：
2.5 系統(tǒng)選擇
陽臺壁掛式太陽能熱水系統(tǒng)：分戶集熱，分戶水箱，集熱器封閉，水箱承壓的自然循環(huán)熱水系統(tǒng)，采用太陽熱水系統(tǒng)型號：B-J-F-2-100/Ac/0.7-Z，其中：
B——玻璃-金屬真空管;
J——金屬管內走介質;
F——分體;
2——間接系統(tǒng);
100——水箱容量;
Ac——輪廓采光面積;
0.7——水箱耐壓0.7公斤;
Z——自然循環(huán)。
三、 經濟性分析
相對于常規(guī)熱水系統(tǒng)，太陽熱水系統(tǒng)在壽命期內消費的特點是初投資大而運行費用低。初投資大是因為太陽熱水系統(tǒng)是在常規(guī)熱水系統(tǒng)的基礎上增加了太陽集熱系統(tǒng)，因此增加了初投資;運行費用低，則是因為充分利用太陽能提供生活熱量而減少了常規(guī)能源的消耗。
太陽熱水系統(tǒng)綜合節(jié)能效益分析是根據太陽熱水系統(tǒng)形式，確定的集熱器面積及集熱器性能參數及氣象條件下在系統(tǒng)壽命期內的節(jié)能效益分析。主要包括太陽熱水系統(tǒng)壽命期內節(jié)省費用的分析，太陽熱水系統(tǒng)增加初投資的回收年限，以及太陽熱水系統(tǒng)環(huán)保效益分析等。
3.1 主要計算參數
a. 濟南太陽能輻照量：14.455MJ/m2;
b. 1KW•H = 3.6 MJ;
c. 電價:0.6元/度;
d. 太陽能使用壽命：15年。
3.2 壽命期內太陽熱水系統(tǒng)總節(jié)省費用的預評估
3.2.1 太陽供熱系統(tǒng)的年節(jié)能量
△Qsave—太陽熱水系統(tǒng)的節(jié)能量，MJ;
Ac—系統(tǒng)的太陽集熱器面積，本項目為 2105.39m2;
JT—太陽集熱器采光表面上的年平均日太陽輻照量，山東地區(qū)取14.455MJ/m2;
(根據各地區(qū)的太陽能輻照表選取，具體數值查詢GB50364-2005);
ηcd—太陽集熱器的全日集熱效率，取60%;(可選數值0.3～0.8);
ηL—管路和水箱的熱損失率，取20%;(推薦數值：0.1～0.2)。
代入數據得，△Qsave=5331934MJ，即 1481093Kwh
3.2.2 壽命期內太陽熱水系統(tǒng)的總節(jié)省費用
SAV—系統(tǒng)壽命期內總節(jié)省費用，元;
PI—折現(xiàn)系數;其中，e 為年燃料價格上漲率，取為1%，n 為經濟分析年限，取為15 年，d 為五年以上銀行貸款利率(按2008 年執(zhí)行)，取5.94%，則PI=9.89;
Cc—常規(guī)能源熱價，元/MJ，以單位電價計，電加熱設備效率按照95%考慮，假設電價0.6 元/度，則Cc=0.18 元/MJ;
Ad—太陽供熱系統(tǒng)總增投資，太陽能項目增投資大概在305 萬。
DJ—維修費用，每年用于與太陽熱水系統(tǒng)有關的維修費用占總增投資的百分
率，%，一般取1%。
將以上數據代入得，SAV=614.03 萬元。
3.3 太陽熱水系統(tǒng)增投資回收年限的預評估
當太陽能熱水系統(tǒng)運行n 年后節(jié)省的費用與系統(tǒng)的增加初投資相等時，這個年限n 即為投資回收年。
經過計算可得，本項目回收期N=3.7 年。
3.4 太陽能熱水系統(tǒng)環(huán)保效益的評估
太陽熱水系統(tǒng)的環(huán)保效益體現(xiàn)在因節(jié)省常規(guī)能源而減少污染物的排放，主要指標為CO2 的減排量。將系統(tǒng)壽命期的節(jié)能量折算成標準煤，然后將標準煤中碳的含量折算成CO2，即為該太陽熱水系統(tǒng)CO2 的減排量。
QCO2—系統(tǒng)壽命期內CO2 減排量，kg;
W—標準煤熱值，29.308MJ/kg;
n—系統(tǒng)回收年限，15;
FCO2—二氧化碳排放因子，0.866kg 碳/kg 標準煤;
Eff—常規(guī)能源電加熱裝置效率，本項目取0.95。
帶入數據，計算得：QCO2=9121275kg≈9121噸
綜上，該太陽能光熱系統(tǒng)壽命期內總節(jié)能量148.1萬KWh，總節(jié)省費用614.03萬元，投資回收期3.7年，CO2減排9121噸。
四、總結：
太陽能熱水系統(tǒng)一次投資，長期受益。開發(fā)利用太陽能既可節(jié)約能源，為企業(yè)提高經濟效益，又可減少常規(guī)能源的消耗和對環(huán)境的污染，有利于保持生態(tài)平衡，因此近年來國家及各級政府均高度重視太陽能推廣應用，連續(xù)出臺了加快新能源和節(jié)能環(huán)保產業(yè)發(fā)展的意見，明確了開發(fā)利用太陽能的目標、思路和政策措施，為推廣應用太陽能創(chuàng)造了良好的環(huán)境和條件。工程設計人員應大力推行太陽能與建筑一體化，大力提升太陽能光熱利用技術水平，為發(fā)展節(jié)能產業(yè)、綠色經濟作出更大貢獻。
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