劉　劍

(華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海　200041)

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村鎮(zhèn)住宅太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

劉劍

(華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200041)

隨著社會(huì)主義新農(nóng)村的發(fā)展以及人民生活水平和需求的不斷提高，我國(guó)的村鎮(zhèn)住宅建設(shè)進(jìn)入了更新?lián)Q代的高峰期且村鎮(zhèn)住宅的能耗也相應(yīng)地不斷增大[1-3]。相對(duì)于城市地區(qū)，村鎮(zhèn)地區(qū)的建筑密度較低且以低層建筑為主，故而遮擋較少且屋面和立面的可利用面積大，為太陽(yáng)能的利用提供了便利的條件[4-5]。此外，村鎮(zhèn)地區(qū)的能源供給形式較為單一，太陽(yáng)能可作為一種有效的能源補(bǔ)充形式。

與常規(guī)能源相比，太陽(yáng)能具有清潔、儲(chǔ)量豐富和獲取方便等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)國(guó)家政策的大力扶持和太陽(yáng)能集熱器技術(shù)的不斷完善，為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在村鎮(zhèn)地區(qū)的應(yīng)用提供了更好的政策和技術(shù)的支持[6]。當(dāng)前，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在村鎮(zhèn)地區(qū)已得到了廣泛應(yīng)用。而對(duì)于村鎮(zhèn)地區(qū)，由于其能源供應(yīng)形式單一，主要為電力，為減少作為輔助熱源的電力能源的消耗，常會(huì)設(shè)置較高的太陽(yáng)能保證率。但由于缺乏針對(duì)性的設(shè)計(jì)和科學(xué)的指導(dǎo)，高保證率的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在實(shí)際使用中常出現(xiàn)系統(tǒng)夏季過(guò)熱以至無(wú)法使用和冬季熱水供應(yīng)不足而消耗過(guò)多的輔助熱源以至經(jīng)濟(jì)性不高的問(wèn)題[7]，而目前針對(duì)村鎮(zhèn)地區(qū)的太陽(yáng)能系統(tǒng)研究主要集中于進(jìn)一步提高系統(tǒng)的節(jié)能性能[8-9]。

本文以一個(gè)三口之家的太陽(yáng)能熱水使用為分析案例，結(jié)合村鎮(zhèn)住宅的熱水需求特點(diǎn)，對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討。

1村鎮(zhèn)住宅的熱水需求特點(diǎn)

本文以上海周邊地區(qū)的一個(gè)三口之家的村鎮(zhèn)住戶為分析案例。對(duì)于村鎮(zhèn)住戶而言，隨著季節(jié)的不同，熱水的用途也有較大區(qū)別：在夏季，熱水的主要需求為沐浴用水和少量的廚房洗碗用水；在冬季，熱水的主要需求為沐浴用水、盥洗用水、部分廚房洗碗用水以及部分洗衣用水。

表1住宅建筑分項(xiàng)給水百分率和用水量

項(xiàng)目沖廁廚房沐浴盥洗洗衣百分率/[%]2120~1929.3~326.7~622.7~22用水量/L·人-1·d-12120~1929.3~326.7~622.7~22

表2日均熱水用量表

季節(jié)廚房/L沐浴/L盥洗/L洗衣/L總計(jì)/L夏季309600126冬季30481833129

為使分析案例具備普遍性，各使用功能的用水量主要依據(jù)《民用建筑節(jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50555-2010)[10]確定。依據(jù)節(jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，上海地區(qū)中、小城市有熱水器和淋浴設(shè)備的住宅的節(jié)水用水定額為100～160 L/(人·d)；村鎮(zhèn)地區(qū)用水相對(duì)較少，本文取最低值100 L/(人·d)；結(jié)合住宅建筑的分項(xiàng)給水百分率表，可得住宅建筑的分項(xiàng)給水用水量，如表1所示。

依據(jù)《家庭廚房用水耗能狀況研究報(bào)告》，上海地區(qū)居民廚房洗碗的日均用水量約占廚房日均總用水量的一半，因而本文中洗碗用熱水量按廚房用水量的一半計(jì)算；村鎮(zhèn)地區(qū)的居民從事農(nóng)作等體力勞動(dòng)較多，因而對(duì)洗浴的需求較多，本文按照夏季每人每日一次、冬季每人每?jī)扇找淮斡?jì)算；冬季洗衣日均熱水用量按洗衣日均總用水量的一半計(jì)算。因而，可得到表2所示的夏季和冬季日均熱水用量表；其中夏季和冬季的日均熱水用量非常接近，分別為126 L和129 L，兩者的比值為0.98。

2系統(tǒng)性能分析指標(biāo)

2.1　太陽(yáng)能保證率

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)保證率f可定義為太陽(yáng)能提供的熱量與系統(tǒng)總熱負(fù)荷的比值，其表達(dá)式為

(1)

式中Qsolar——太陽(yáng)提供的熱量；

Qload——熱水系統(tǒng)的總熱負(fù)荷。

提高太陽(yáng)能保證率，可在保證熱水供應(yīng)質(zhì)量的基礎(chǔ)上減少輔助能源的消耗，達(dá)到充分利用可再生能源并提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的目的。

2.2　系統(tǒng)是否易出現(xiàn)過(guò)熱

設(shè)置較高的太陽(yáng)能保證率雖然可以提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，但若系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，極易在夏季出現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)熱，從而引發(fā)系統(tǒng)損壞故障以及安全事故。本文定義太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)運(yùn)行一年出現(xiàn)的過(guò)熱時(shí)長(zhǎng)ho來(lái)作為分析太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是否過(guò)熱的指標(biāo)。

3系統(tǒng)方案比較分析

3.1　系統(tǒng)形式的選擇

當(dāng)前村鎮(zhèn)地區(qū)采用的家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要為緊湊式和分體式兩種。家用緊湊式太陽(yáng)能熱水器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜和采用無(wú)需輔助循環(huán)動(dòng)力的熱虹吸式循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，在早期的太陽(yáng)熱水應(yīng)用中占據(jù)了較大的比例；且由于其成本優(yōu)勢(shì)，目前的市場(chǎng)占有率仍然較高。

但隨著人們對(duì)太陽(yáng)能熱水質(zhì)量和對(duì)建筑美觀要求的提高，緊湊式系統(tǒng)存在的保溫性能差、和輔助熱源結(jié)合難以及破壞建筑外觀效果等問(wèn)題日益凸顯。尤其對(duì)于村鎮(zhèn)地區(qū)，冬季的盥洗和洗衣用熱水常為需要隔夜使用的熱水，因而對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的保溫性能有較高的要求。而緊湊式系統(tǒng)是由儲(chǔ)熱水箱和全玻璃集熱管相集成的一體式系統(tǒng)且均置于室外，故而在寒冷的冬季夜晚系統(tǒng)通過(guò)儲(chǔ)熱水箱和集熱管的散熱損失很大，無(wú)法保證第二天清晨的使用需求，而若在儲(chǔ)熱水箱中內(nèi)置輔助加熱器會(huì)造成更多的散熱損失且運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)?；诖?，分體式系統(tǒng)由于其與建筑結(jié)合度好、可采用間接加熱來(lái)保證水質(zhì)、儲(chǔ)熱水箱可置于室內(nèi)來(lái)減少熱損等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到消費(fèi)者的青睞。下文將對(duì)分體式系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

3.2　常規(guī)設(shè)計(jì)方案

太陽(yáng)能集熱器作為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)化和收集部件，其參數(shù)的設(shè)置對(duì)熱水系統(tǒng)的性能有著決定性的影響。一般家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集熱器面積可依據(jù)系統(tǒng)的日平均用水量、用水溫度等參數(shù)按如下公式進(jìn)行計(jì)算

(2)

式中Ac——集熱器面積/m2；

Qw——設(shè)計(jì)日平均用熱水量/L，取冬季值設(shè)定，取值129 L；

c——熱水的定壓比熱容/kJ·kg-1·℃-1；

ρ——水的密度/kg·L-1；

tr——熱水設(shè)計(jì)水溫/℃，取值60℃；

tl——水的初始溫度/℃，取值15℃；

f——年太陽(yáng)能保證率；

JT——當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗?yáng)能輻射量/kJ·m-2；

η——集熱器的集熱效率/[%]，取值50%；

ηL——系統(tǒng)的熱損失率，取值0.12。

表3年日均累計(jì)太陽(yáng)能輻射量

集熱器傾角/°0102030405060708090日均輻照量/MJ·m-2)12.9713.4213.6313.5813.2812.7512.0011.049.988.64

基于盡可能地充分利用太陽(yáng)能資源從而減少所需集熱器面積以節(jié)約初投資成本的目的，當(dāng)前太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思路為選取年累計(jì)太陽(yáng)能輻射量最大的采光面作為集熱器的安裝斜面，進(jìn)而確定集熱器的安裝傾角、方位角以及面積。

對(duì)于村鎮(zhèn)地區(qū)的家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，考慮到其集熱器的布置與住宅主朝向的結(jié)合問(wèn)題，集熱器布置方位角僅考慮正南向。表3所示為方位角為正南向的情況下，采用Reindl模型計(jì)算得到的不同傾角斜面上的年日均累計(jì)太陽(yáng)能輻射量。

由表3可知當(dāng)集熱器傾角為20°時(shí)，單位面積上的年日均累計(jì)輻射量達(dá)到最大為13.63 MJ/m2。因此，選取20°作為集熱器的安裝傾角。此外，考慮到村鎮(zhèn)地區(qū)選取較高太陽(yáng)能保證率的特點(diǎn)，本文中的太陽(yáng)能保證率取值65%。結(jié)合公式(2)可計(jì)算得到，熱水系統(tǒng)所需的集熱器面積為2.63 m2，取整為3 m2。儲(chǔ)熱水箱的容積可設(shè)為150 L。則常規(guī)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)方案的參數(shù)如表4所示。

表4常規(guī)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)方案的參數(shù)

項(xiàng)目數(shù)值集熱器面積/m22.5集熱器安裝傾角/°20儲(chǔ)熱水箱容積/L150

3.3　優(yōu)化方案

區(qū)別于3.2中所述的常規(guī)設(shè)計(jì)方法，本文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案以匹配熱水系統(tǒng)的夏、冬季熱水用量和全年的太陽(yáng)能輻射分布為目標(biāo)，具體為根據(jù)夏季和冬季的熱水用量比例選取集熱器采光面上夏季和冬季的累計(jì)輻射比例與之接近的傾斜面作為集熱器的安裝平面，進(jìn)而確定集熱器的面積等系統(tǒng)參數(shù)。表5所示為不同傾角斜面上的夏季和冬季日均累計(jì)輻射值以及兩者的比值。

表5夏季和冬季的日均累計(jì)太陽(yáng)能輻射量以及兩者的比例

集熱器傾角/°0102030405060708090夏季日均輻射量/MJ·m-218.1018.0317.6216.9015.9114.6813.2511.669.968.26冬季日均輻射量/MJ·m-28.819.7910.5711.1311.4711.5711.4211.0210.399.52比值2.061.841.671.521.391.271.161.060.960.87

由表5可知，在集熱器傾角為80°時(shí)，夏季和冬季的熱水用量比值與太陽(yáng)輻射量比值最為接近，分別為0.98和0.96。因此，選取80°作為集熱器的安裝傾角。在太陽(yáng)能保證率仍設(shè)定為65%的情況下，結(jié)合公式(2)可計(jì)算得到所需集熱器面積為3.59 m2，取整為4 m2。則比較設(shè)計(jì)方案的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)參數(shù)如表6所示。

表6比較設(shè)計(jì)方案的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)參數(shù)

項(xiàng)目數(shù)值集熱器面積/m23.5集熱器安裝傾角/°80儲(chǔ)熱水箱容積/L150

4比較分析與討論

為比較分析常規(guī)設(shè)計(jì)方案和比較設(shè)計(jì)方案兩者的性能，本文采用動(dòng)態(tài)模擬軟件TRNSYS分別建立了兩者的系統(tǒng)模型，并選取TRNSYS中上海地區(qū)的典型氣象年(TMY)文件作為氣象數(shù)據(jù)，對(duì)兩者的全年性能作了動(dòng)態(tài)模擬分析。其中，過(guò)渡季的熱水需求分布按夏季和冬季的平均值進(jìn)行設(shè)置。

4.1　實(shí)際太陽(yáng)能保證率

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，其性能受用水時(shí)間分布和太陽(yáng)輻射波動(dòng)的影響較大。對(duì)于本系統(tǒng)而言，由于熱水的使用時(shí)間主要集中在太陽(yáng)輻射較差的清晨和夜晚，與太陽(yáng)輻射最好的日間時(shí)刻相錯(cuò)開(kāi)。因而，易出現(xiàn)系統(tǒng)在下午時(shí)刻達(dá)到保護(hù)水溫而使集熱環(huán)路停止運(yùn)行的情況。從而系統(tǒng)不能充分利用當(dāng)天的太陽(yáng)能輻射，而使得保證率降低。圖1所示為兩種方案下的各月太陽(yáng)能保證率的分布。

圖1　兩種方案下的各月太陽(yáng)能保證率

如圖1所示：常規(guī)方案的各月太陽(yáng)能保證率隨著月份的變化呈現(xiàn)為增加后減小的趨勢(shì)，與各月太陽(yáng)輻射的強(qiáng)弱變化相一致，其冬季和夏季的太陽(yáng)能保證率差異較大，冬季一月份的保證率僅為22%，而夏季七月保證率高達(dá)74%，兩者相差52%，全年保證率為47%；相對(duì)而言，比較方案的冬季和夏季太陽(yáng)能保證率差異較小，冬季一月份的保證率為39%，夏季八月份的保證率為59%，兩者相差20%，保證率在過(guò)渡季的九月份達(dá)到最高為70%，全年保證率為51%。比較兩種方案下的太陽(yáng)能保證率分布，可以發(fā)現(xiàn)比較方案的數(shù)值分布與冬季和夏季的熱水用量分布更為接近，因而匹配性更好；此外，比較方案的年太陽(yáng)能保證率更高。

4.2　是否出現(xiàn)過(guò)熱

過(guò)熱現(xiàn)象的出現(xiàn)不僅會(huì)讓系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，同時(shí)也會(huì)加劇系統(tǒng)管件連接處的泄漏、部件損壞等問(wèn)題的出現(xiàn)，甚至?xí)谙到y(tǒng)泄壓時(shí)引起安全事故。因而，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中應(yīng)盡量避免過(guò)熱問(wèn)題的出現(xiàn)。圖2所示為兩種系統(tǒng)方案在各個(gè)月的過(guò)熱時(shí)長(zhǎng)分布。

如圖2所示：常規(guī)方案的系統(tǒng)在太陽(yáng)輻射較好的7至9月都出現(xiàn)了不同時(shí)長(zhǎng)的過(guò)熱狀況，其中八月份輻射最強(qiáng)的一周內(nèi)，其過(guò)熱時(shí)長(zhǎng)達(dá)到了12.7 h；比較方案的系統(tǒng)由于采用加大集熱器安裝傾角的設(shè)置，有效地降低了系統(tǒng)在夏季接受到的太陽(yáng)輻射，從而避免了過(guò)熱的出現(xiàn)；從圖中可以看出，比較方案的系統(tǒng)未出現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)熱的現(xiàn)象。通過(guò)比較兩種方案的過(guò)熱時(shí)長(zhǎng)可以發(fā)現(xiàn)，比較方案的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性要優(yōu)于常規(guī)方案。

圖2　兩種系統(tǒng)方案在各個(gè)月的過(guò)熱時(shí)長(zhǎng)分布

4.3　經(jīng)濟(jì)性

對(duì)于村鎮(zhèn)地區(qū)，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性是推動(dòng)該系統(tǒng)在村鎮(zhèn)地區(qū)得到普遍應(yīng)用的主要因數(shù)，因此系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性必須作為考量的主要因素。圖3所示為兩種方案在各個(gè)月的輔助熱源的電耗分布。

圖3　兩種系統(tǒng)方案在各個(gè)月的輔助熱源的電耗分布

如圖3所示，常規(guī)方案系統(tǒng)在夏季的輔助熱源電耗略低于比較方案系統(tǒng)，而在其他月份的輔助熱源電耗均高于比較方案。常規(guī)方案系統(tǒng)的全年電耗為5 531 MJ，即1 536 kW·h；比較方案系統(tǒng)的全年電耗為4 997 MJ，即1 388 kW·h；則比較方案比常規(guī)方案每年節(jié)約電耗148 kW·h。按照0.7元/kW·h折算，比較方案比常規(guī)方案每年節(jié)約電費(fèi)104元。比較方案比常規(guī)方案多設(shè)置了1 m2集熱器面積，按800元/m2計(jì)算，則比較方案相對(duì)于常規(guī)方案的回收期為7.7年，而太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的使用壽命一般為15年，故而在使用期內(nèi)，比較方案的增量成本可以得到回收。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，比較方案的運(yùn)行更具有經(jīng)濟(jì)性。

5結(jié)論

本文結(jié)合村鎮(zhèn)地區(qū)的太陽(yáng)能熱水使用特點(diǎn)，分析了村鎮(zhèn)地區(qū)適宜的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)形式，并基于此提出了一種以匹配全年熱水需求分布與輻射分布

為目標(biāo)，進(jìn)而確定集熱器傾角、面積等參數(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，且通過(guò)建立動(dòng)態(tài)分析模型比較了該方案與常規(guī)方案的性能。結(jié)果表明：

(1)基于村鎮(zhèn)地區(qū)居民的熱水使用特點(diǎn)和對(duì)熱水質(zhì)量以及系統(tǒng)與建筑結(jié)合度的要求，相較于緊湊式系統(tǒng)，分體式系統(tǒng)更適宜作為村鎮(zhèn)地區(qū)的家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)形式。

(2)本文提出的優(yōu)化方案與常規(guī)方案相比，集熱器安裝傾角有大幅度的增大，使得單位采光面積上的年太陽(yáng)能輻射有所減少；但夏、冬季的太陽(yáng)輻射分布與對(duì)應(yīng)的熱水用量的匹配性更好，從而一方面增強(qiáng)了系統(tǒng)冬季的集熱量，另一方面也有效地降低了系統(tǒng)在夏季接受到的太陽(yáng)輻射，進(jìn)而避免了系統(tǒng)過(guò)熱的出現(xiàn)。

(3)與常規(guī)方案相比，本文提出的比較方案的實(shí)際年太陽(yáng)能保證率更高，且集熱器面積增加的初投資成本也可以在系統(tǒng)一半的使用年限內(nèi)得到回收。因而，本文提出的系統(tǒng)方案在村鎮(zhèn)地區(qū)有著很大的推廣價(jià)值。

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摘要：以改善村鎮(zhèn)住宅中常用的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能為目的，結(jié)合村鎮(zhèn)地區(qū)的生活熱水使用特點(diǎn)，分析了適宜的系統(tǒng)形式，并提出了一種以匹配全年熱水用水量分布和太陽(yáng)輻射分布為目標(biāo)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用TRNSYS動(dòng)態(tài)模擬的方法，比較分析了所提出的優(yōu)化方案與常規(guī)方案的系統(tǒng)性能。結(jié)果表明：所提出的優(yōu)化方案在夏季不出現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)熱，而常規(guī)方案在夏季有23.6 h的過(guò)熱時(shí)長(zhǎng)；此外，優(yōu)化方案的全年太陽(yáng)能保證率比常規(guī)方案高4%,且集熱器增加的初投資成本可在7.7年內(nèi)得到回收。

關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能；村鎮(zhèn)住宅；太陽(yáng)能熱水；系統(tǒng)優(yōu)化；模擬分析

Optimal Study on the Design of Solar Hot Water Heater Applied in Rural Residential BuildingsLIU Jian

(East China Architectural Design & Research Institute CO., LTD, Shanghai 200041, China)

Abstract：In order to improve the performance of domestic hot water system applied in rural areas, a proper system type was analyzed according to the character of hot water consumption and，a new kind of system design was proposed based on the match of the layout of the hot water consumption and solar radiation. In addition, performance of the proposed and conventional designs were compared and analyzed by building dynamic simulation models with TRNSYS. Results indicated that: the proposed system had no overheat problem while the conventional system had the overheat duration of about 23.6 hours; the solar fraction of proposed system was 4% higher than the conventional one and the investment of added solar collectors could be paid back in 7.7 years.

Key words：energy-saving for buildings;rural residential buildings;solar domestic hot water;system optimization;simulation analysis

作者簡(jiǎn)介：劉劍(1987~)，男，碩士，主要從事建筑節(jié)能方面工作。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2014BAJ01B02);“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2013BAJ10B10)。

收稿日期2014-12-11修訂稿日期2015-01-08

中圖分類號(hào)：TK515

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6339 (2015) 06-0526-04