安徽省某住宅小区太阳能热水系统的测评及分析

江宏玲，贺传友，戴新荣

（安徽省建筑工程质量监督检测站，安徽 合肥230088）

0 引 言

随着常规能源的大量消耗，能源危机日益显著，开发和利用可再生能源已被列为我国能源战略的首要任务［1，2］。太阳能这种取之不尽用之不竭的洁净能源因其显著优势得到公众普遍关注，也伴随着国家对建筑节能要求的不断深化提高而得到了大规模推广，其中太阳能热水系统是目前太阳能热利用中发展最为成熟且已商业化［3，4］。为了科学准确地评判太阳能热水应用技术的能效结果，更好地普及和推广太阳能应用，必须开展相关能效测评工作［5］，但我省对于太阳能热水系统整体的性能检测及能效评估仍处于起步阶段［6］。

本文通过检测安徽省黄山市某住宅小区太阳能热水系统的运行参数，计算分析出该系统的能效指标，并对系统的能效级别进行了判定。该实际案例中对太阳能热利用系统能效测评过程详细的介绍，为可再生能源应用工程的能效测评工作提供了有价值的参考。

1 工程概况

1.1 建筑信息

本太阳能热水工程位于安徽省黄山市某住宅小区，建筑类型为新建居住类，总建筑面积2.34万m2，示范面积0.702万m2，采用一户一套紧凑式家用太阳能热水系统形式，共计为225户提供太阳能生活热水。

1.2 技术原理

太阳能热水系统是利用太阳能集热器吸收太阳辐射转化为热能的一种装置，由集热器、储水箱、连接管道及其它辅材料组成，其中集热器一般采用真空集热管，吸收太阳辐射并通过热传递传至管内，管内温度升高比重减轻的热水便经上升水管不断上移进入储水箱上部，与此同时储水箱下部的冷水流至集热管再受热上升，如此不断循环加热，直至热量平衡水温升高为一定的温度。由于真空集热管圆柱面有太阳自然跟踪特性，因此只要有太阳辐射，真空管就可以工作，即使寒冷的冬季也能正常运行。太阳能热水系统原理见图2［7］。

2 测评方案

2.1 检测依据

检测依据有《可再生能源建筑应用工程评价标准》［8］（后简称《标准》），《家用太阳热水系统热性能试验方法》［9］，《家用太阳热水系统技术条件》［10］，《太阳能热水系统性能评定规范》［11］及该小区可再生能源建筑应用示范项目申报材料、竣工图纸、验收资料等。

2.2 测评内容

依据《标准》的相关要求，可再生能源建筑应用工程的测评内容包括形式检查、系统性能检测和系统评价三部分。表1为该项目测评内容的汇总。

表1 太阳能热水系统测评内容

2.3 测试条件

太阳能热水系统的短期测试应在连续运行的状态下完成，运行工况应尽量接近系统的设计工况，测试期间的系统平均负荷率不应小于50%。测试的室外环境平均温度的允许范围应为年平均环境温度±10℃。太阳辐照量短期测试不应少于4d，每一太阳辐照量区间测试天数不应少于1d，太阳辐照量区间的划分为：J1＜8MJ／（m2·d）；8MJ／（m2·d）≤J2＜12MJ／（m2·d）；12MJ／（m2·d）≤J3＜16MJ／（m2·d）；J4≥16MJ／（m2·d）。

2.4 检测仪器

该项目的检测采用可再生能源太阳能应用能效检测系统设备，检测仪器及性能参数如表2所示。仪器经过安徽省计量院检定，均在检定有效期内。

3 检测记录与数据分析

3.1 检测布置

按照《标准》中对太阳能热水系统测试抽样方法及数量的规定，本工程中225套同一类型的太阳能热水系统随机抽检2%，即抽检5套，选用的太阳能热水器集热管规格型号为18支×Φ58×2100，采光面积为2.64m2，水箱容量为0.16m3。

在贮热水箱内分上中下三层均匀布置温度传感器，在屋顶太阳能热水器附近无任何遮挡处安装环境风速和温度传感器，与集热器相同倾角安装一个用以记录太阳辐照量的总辐射表，总辐射表实时记录投射到单位采光面积上的辐照量。

3.2 数据分析

3.2.1 集热系统得热量

集热系统得热量是太阳能热水系统的关键性指标，短期测试时的试验时间为上午8时至达到所需要的太阳辐射量为止。太阳能集热系统得热量Qj的测试方法有两种，可由热量表直接测量得出，也可通过分别测量流量、温度等参数后计算得到：

式中：Qj—集热系统得热量，MJ；

n—测试时总的记录数；

mji—集热系统平均流量的第i次记录值，m3／s；

ρw—水的密度，kg／m3；

cpw—水的比热容，J／（kg·℃）；

tdji—集热系统出口温度的第i次记录值，℃；

tbji—集热系统进口温度的第i次记录值，℃；

ΔTji—第i次记录时的时间间隔，s。

3.2.2 系统总能耗

短期测试时，每日测试的时间应从上午8时开始至次日8时结束。系统总能耗Qz的测试方法有两种，可由热量表直接测量得出，也可通过分别测量流量、温度等参数后计算得到：

式中：Qz—系统总能耗，MJ；

n—总记录数；

mzi—第i次记录的系统总流量，m3／s；

ρw—水的密度，kg／m3；

cpw—水的比热容，J／（kg·℃）；

tdzi—第i次记录的热水温度，℃；

tbzi—第i次记录的冷水温度，℃；

ΔTzi—第i次记录的时间间隔，s。

3.2.3 单日集热系统效率

短期测试单日的集热系统效率按式（3）计算：

式中：η—单日集热系统效率，%；

Qj—集热系统得热量，MJ；

A—集热系统集热器总面积，m2；

H —太阳总辐照量，MJ／m2。

3.2.4 单日太阳能保证率

短期测试单日的太阳能保证率按式（4）计算：

式中：f—太阳能保证率；

Qj—太阳能集热系统得热量，MJ；

Qz—系统能耗，MJ。

以其中的一套太阳能热水系统为例，列出其详细原始检测数据，并计算得出其性能参数如表3所示。

表3 系统性能参数

4 系统评价

4.1 节能效益评估

4.1.1 贮热水箱热损因数

贮热水箱热损因数的测试时间从晚上8时至次日6时，测试时保证水箱起始水温不低于50℃，与周围环境温度的差值不小于20℃。整个测试期间应确保无冷热水流进或流出，且水箱水位均应处于正常水位。

贮热水箱热损因数按式（5）计算：

式中：USL—贮热水箱热损因数，W／（m3·K）；

ρw—水的密度，kg／m3；

cpw—水的比热容，J／（kg·℃）；

Δτ—温度下降的时间，s；

ti—贮热水箱起始水温，℃；

tf—贮热水箱结束水温，℃；

tas（av）—降温期间平均环境温度，℃。

计算得到太阳能热水系统的贮热水箱热损因数如表4所示。

表4 贮热水箱热损因数

贮热水箱热损因数较低可以有效降低系统热损失，充分利用太阳能，依据《标准》，太阳能集热系统的贮热水箱热损因数取值为USL不应大于30W／（m3·K），则此项性能参数判定为合格。

4.1.2 太阳能保证率

对于短期测试，设计使用期内的太阳能热利用系统的太阳能保证率按式（6）计算：

4.1.3 集热系统效率

对于短期测试，设计使用期内的集热系统效率按式（7）计算：

上述公式中x1～x4，f1～f4，η1～η4分别为四个太阳辐照量区间对应的测试天数、单日太阳能保证率和单日集热系统效率。

表5 太阳能保证率和集热系统效率

4.1.4 常规能源替代量

Qj1～Qj4分别表示四个太阳辐照量区间对应的单日集热系统得热量，对于短期测试的常规能源替代量按式（8）计算：

Qtr—常规能源替代量，kgce；

q—标准煤的热值，这里取q＝29.307MJ／kgce；

ηt—热源为传统能源时的运行效率，这里取ηt＝0.6。

4.2 环境效益评估

根据项目常规能源替代量的计算结果，对以下三种污染物的减排量进行评估：

二氧化碳减排量（kg）：

二氧化硫减排量（kg）：

粉尘减排量（kg）：

式中：Qtr—常规能源替代量，kgce；

2.47 ，0.02，0.01为标准煤的各污染物排放因子。

4.3 经济效益评估

4.3.1 系统费效比

太阳能热利用系统的费效比CBRr按式（12）计算：

CBRr—系统费效比，元／kWh；Czr—太阳能热水系统的增量成本（元），一般项目单位提供的申报书中有明确的计算和说明，本项目增量成本为562500元；

Qtr—常规能源替代量，kgce；

q—标准煤热值，取q＝29.307MJ／kgce；

N—系统寿命期，根据项目立项文件等资料确定，当无明确规定，N取15年。

4.3.2 静态投资回收期

太阳能热利用系统的静态投资回收年限按式（13）计算：

Nh—静态投资回收年限；

Czr—太阳能热利用系统的增量成本，元；

Csr—太阳能热利用系统的年节约费用，元；

其中年节约费用Csr计算式为：

P—常规能源的价格（元／kWh），项目申报决算书中对此无明确规定时，可根据当时实际能源状况确定选取，本项目按当地民用用电价格0.56元／kWh计算；

Qtr—常规能源替代量，kgce；

q—标准煤热值，取q＝29.307MJ／kgce；

Mr—每年运行维护太阳能热水系统需要增加的费用（元），可由项目立项报告等相关文件查阅测算，本项目年运行维护增加费用取22500元

计算得到各项参数结果如表6所示。

表6 参数结果

4.3.3 判定和分级

按照《标准》，太阳能热利用系统应采用太阳能保证率和集热系统效率进行性能分级评价，黄山市属于太阳能资源较富区，级别划分依据见表7。

表7 太阳能热水系统的太阳能保证率f（%）和集热效率η（%）级别划分

根据上述计算结果判定，太阳能保证率f（%）的级别为1级，集热效率η（%）级别为3级，综合判定取二者的较低级别，判定为3级。

5 结 论

通过计算得出，该太阳能热利用系统的太阳能保证率为70.41%，集热系统效率为42.03%，性能分级综合判定为3级；常规能源替代量为72.33吨标准煤，实现了较为客观的节能效益，同时带来的环境效益也较为显著；预计1.83年收回成本。综合考虑可知，该项目具有较好的示范推广性。

1 李思岑，杜威，严中亮.1MWp屋顶光伏并网系统设计与分析［J］.山西电力，2013（4）：4－8.

2 张剑.太阳能开发与利用展望［J］.河南科技，2013（12）：192.

3 吴镝.太阳能热水系统检测及节能评估［J］.福建建设科技，2013（4）：54－55.

4 张树君.促进建筑利用太阳能热水系统［J］.建设科技，2013（22）：50－54.

5 季柳金，朱妍，黄凯等.太阳能热水系统建筑应用项目能效测评分析研究［J］.建筑节能，2013（10）：66－68.

6 王元曦，廖绍锋，解建侠等.安徽省民用建筑能效测评与标识现状研究［J］.安徽建筑工业学院学报：自然科学版，2013，21（4）：65－67.

7 太阳能热水器原理［OL］.http：／／www.bj989.com／news／html／？447.html，2012－06－13.

8 GB／T 50801－2013，可再生能源建筑应用工程评价标准［S］.

9 GB／T 18708－2002，家用太阳热水系统热性能试验方法 ［S］.

10 GB／T19141－2003，家用太阳热水系统技术条件［S］.

11 GB／T 20095－2006，太阳热水系统性能评定规范［S］.

12 中国气象局信息中心气象资料室.中国建筑热环境分析专用气象数据集［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.