陳 敏

上海市住宅建設(shè)發(fā)展中心 上海 200003

目前教育公建項(xiàng)目中運(yùn)行的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)很多，但對(duì)其運(yùn)行效果缺乏真實(shí)的數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的測(cè)量比較缺乏，從而對(duì)太陽(yáng)能利用的經(jīng)濟(jì)性無(wú)法作真實(shí)評(píng)估。本項(xiàng)目以已安裝竣工的全日制寄宿學(xué)校為測(cè)試點(diǎn)，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與分析研究，為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在上海保障性住房教育公建配套項(xiàng)目中的推廣和應(yīng)用提供全面的經(jīng)濟(jì)性分析、社會(huì)效益分析等。

測(cè)試結(jié)果表明，該太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵熱水系統(tǒng)平均集熱效率可以達(dá)到62%，秋季平均太陽(yáng)能保證率可達(dá)75%，具有良好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。在上海市保障性住房教育公建配套項(xiàng)目中具有示范和推廣的意義，可為下一步上海市保障房公建配套乃至保障房太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的推廣與運(yùn)用提供數(shù)據(jù)保障，為國(guó)家與地方的政策制訂提供可靠的理論基礎(chǔ)。

我國(guó)既是一個(gè)煤炭、石油以及天然氣等常規(guī)能源消耗的大國(guó)，又是常規(guī)能源資源短缺的國(guó)家。以常規(guī)能源為主的能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量的污染物，給我國(guó)整體環(huán)境造成了巨大的污染，一次性能源為主的能源開(kāi)發(fā)利用模式與生態(tài)環(huán)境矛盾的日益激化，使人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，大力開(kāi)發(fā)利用清潔可再生能源——太陽(yáng)能，是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略之一[1-5]。

1 保障房公建配套教育用房中的熱水應(yīng)用

1.1 背景介紹

在保障房公建配套教育中，全日制寄宿學(xué)校對(duì)熱水需求的量與質(zhì)越來(lái)越高，在提倡節(jié)能減排的今天，用可再生能源代替常規(guī)能源已成為趨勢(shì)。所需的可再生能源除了能滿足學(xué)校學(xué)生使用要求外，還應(yīng)具備幾大特點(diǎn)：前期投入相對(duì)較低，使用管理簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低，后期維護(hù)費(fèi)用低，要滿足經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、成本低等要求。

太陽(yáng)能作為綠色可再生能源，對(duì)于節(jié)能減排具有的顯著的社會(huì)效益已為大家所認(rèn)可。本項(xiàng)目擬以上海保障房配套教育公建項(xiàng)目為突破口，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論研究，為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在上海保障性住房教育公建配套項(xiàng)目中的推廣和應(yīng)用提供全面的熱利用的經(jīng)濟(jì)性和投資回報(bào)分析。研究成果還將有利于提升太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用水平、有利于太陽(yáng)能技術(shù)的推廣和專利成果的轉(zhuǎn)化，并對(duì)上海保障性住房教育公建配套項(xiàng)目乃至保障房項(xiàng)目中太陽(yáng)能熱利用具有示范和推廣的意義，為國(guó)家與地方政策的制訂提供可靠的理論基礎(chǔ)。

1.2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

上海市浦江鎮(zhèn)原選址基地配套寄宿制完全中學(xué)為教育系統(tǒng)公建項(xiàng)目，總建筑面積約26 818 m2，學(xué)校辦學(xué)規(guī)模為48個(gè)班。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，用水性質(zhì)為確定時(shí)間段內(nèi)用水，其余時(shí)間內(nèi)不用水。學(xué)生宿舍計(jì)520人，需每天提供26 t的淋浴及洗漱用熱水。

1.3 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

根據(jù)學(xué)校熱水需求，設(shè)置了1套太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，系統(tǒng)為定時(shí)用水強(qiáng)制循環(huán)開(kāi)式雙水箱系統(tǒng)，集熱器形式采用平板型太陽(yáng)能集熱器（圖1），為了使系統(tǒng)在光照不足及寒冷天氣的情況下滿足熱水需求，并配備空氣源熱泵為輔助熱源。

圖1 項(xiàng)目安裝太陽(yáng)能集熱器示意

1.4 測(cè)試設(shè)備

計(jì)劃以已竣工的浦江鎮(zhèn)全日制寄宿學(xué)校屋面太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)為測(cè)試點(diǎn)，安裝熱水系統(tǒng)熱性能測(cè)試系統(tǒng)，收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)供分析。

主要測(cè)試儀器配置：太陽(yáng)能測(cè)試系統(tǒng)（主機(jī)）1臺(tái)、太陽(yáng)能總輻射傳感器（一級(jí)表）5臺(tái)、精密溫度傳感器15套、環(huán)境溫度傳感器（帶防太陽(yáng)能輻射罩）1套、流量傳感器2套、遠(yuǎn)傳電表3套。

2 常規(guī)能源配置與消耗

在熱水系統(tǒng)所采用的常規(guī)能源鍋爐中，燃油熱水鍋爐、電熱水鍋爐、燃?xì)鉄崴仩t三者的一次性投資相差不大，但經(jīng)常費(fèi)用相差甚遠(yuǎn)，而燃?xì)忮仩t在三者中經(jīng)常費(fèi)是最便宜的，因此我們選用常規(guī)能源中的燃?xì)忮仩t來(lái)進(jìn)行比較。

選用2臺(tái)300 kW史密斯燃?xì)忮仩t，每臺(tái)產(chǎn)水量5.04 t/h，每臺(tái)小時(shí)燃?xì)夂牧?0 m3，每臺(tái)燃?xì)忮仩t價(jià)格16萬(wàn)元，2臺(tái)總計(jì)32萬(wàn)元，天然氣熱值3.56×104kJ/m3，天然氣價(jià)格3.79 元/m3，按3.5 h工作時(shí)間計(jì)，每天成本為795.9元。

一年燃?xì)獍?個(gè)月、每月20 d計(jì)，費(fèi)用為14.3萬(wàn)元。

3 太陽(yáng)能配置與消耗

3.1 太陽(yáng)能集熱器配置

太陽(yáng)能系統(tǒng)的配置，首先需要確定所采用的集熱器類型和面積。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50364—2005《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》相關(guān)公式計(jì)算，集熱器采光面積理論值為364.09 m2?？紤]到屋頂集熱面積有限，配置集熱器共159塊。每組集熱面積2 m2，總集熱面積318 m2。系統(tǒng)配4臺(tái)7 350 W的空氣源熱泵，即使在長(zhǎng)期陰雨天氣下，也可以保證26 t的60 ℃熱水用水。

3.2 空氣源熱泵系統(tǒng)的額定溫升計(jì)算

為了使系統(tǒng)在光照不足及寒冷天氣的情況下滿足熱水需求，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)擬采用4臺(tái)7 350 W空氣源熱泵，每臺(tái)功率為8.57 kW，總功率為34.28 kW，為太陽(yáng)能輔助加熱。

根據(jù)太陽(yáng)能及熱泵聯(lián)動(dòng)節(jié)能運(yùn)行方案，在保證26 t/d的用戶用水需求和分時(shí)段用水特點(diǎn)的條件下，在學(xué)生使用熱水時(shí)段之前利用太陽(yáng)能充分預(yù)熱水箱，縮短熱泵工作運(yùn)行時(shí)間，降低熱泵機(jī)組耗電量，達(dá)到最大限度的節(jié)能運(yùn)行。預(yù)計(jì)熱泵機(jī)組工作時(shí)間為12 h。

3.3 太陽(yáng)能＋空氣源熱泵投資費(fèi)用

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)價(jià)格為65萬(wàn)元，空氣源熱泵價(jià)格每臺(tái)5萬(wàn)元，共計(jì)20萬(wàn)元，太陽(yáng)能系統(tǒng)＋輔助熱源（空氣源熱泵）總價(jià)為85萬(wàn)元。

4 常規(guī)能源與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)比較

1）常規(guī)能源熱氣鍋爐、水箱及其他配件投資費(fèi)用約為45萬(wàn)元，一年消耗燃?xì)赓M(fèi)用按9個(gè)月計(jì)，約為14.3萬(wàn)元。

2）太陽(yáng)能系統(tǒng)＋輔助熱源（空氣源熱泵）總價(jià)為85萬(wàn)元。

3）經(jīng)測(cè)算，試點(diǎn)學(xué)校太陽(yáng)能系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為5.43萬(wàn)元。

5 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)投資回收年限計(jì)算

1）常規(guī)能源與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)投資與一年運(yùn)行費(fèi)用如表1所示。

表1 常規(guī)能源與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)費(fèi)用對(duì)比

2）投資回收期：兩者均以使用年限15 a計(jì)，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)（含空氣源熱泵）比燃?xì)忮仩t投資增加40萬(wàn)元，年運(yùn)行費(fèi)減少了8.90萬(wàn)元；當(dāng)學(xué)校學(xué)生每天用水量均按規(guī)范的用水量標(biāo)準(zhǔn)使用時(shí)，也即太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)使用效率最高時(shí)，與燃?xì)忮仩t比較其投資回收期為4.5 a。

本保障房配套教育公建項(xiàng)目太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)雖然一次性投資要比燃?xì)忮仩t多，但其每年節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用，理論上4.5 a即可收回投資成本。

6 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)投資經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

燃?xì)忮仩t與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在相同使用年限15 a內(nèi)，考慮每年的維護(hù)成本相同的條件下，在全壽命周期內(nèi)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為93.45萬(wàn)元。

在上海保障房配套教育公建項(xiàng)目中如采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，在使用周期內(nèi)，1套太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)（含空氣源熱泵）所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益又可投資1套相同規(guī)模的學(xué)校的熱水系統(tǒng)，其經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。

7 試點(diǎn)工程總結(jié)與建議

7.1 試點(diǎn)工程總結(jié)

通過(guò)對(duì)試點(diǎn)工程的測(cè)試，得出以下結(jié)論：

該太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在測(cè)試運(yùn)行期間的平均集熱效率為62%，平均太陽(yáng)能保證率為75%。

通過(guò)試驗(yàn)和模擬可以看出，該太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集熱效率和太陽(yáng)能保證率都較高，隨著太陽(yáng)輻照度的提高，該系統(tǒng)集熱效率和太陽(yáng)能保證率都會(huì)隨之提高。室外環(huán)境溫度對(duì)于系統(tǒng)集熱效率的影響主要在于平板集熱器的散熱熱損。

7.2 推廣的價(jià)值及意義

從經(jīng)濟(jì)效益分析可以看到，雖然該太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵熱水系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的常規(guī)能源燃?xì)忮仩t系統(tǒng)初投資較高，但該系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用更低，節(jié)約能源。

從環(huán)保效益分析可以看到，該太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵熱水系統(tǒng)相比于燃?xì)忮仩t，可有效減少燃煤用量以及碳氧化物、粉塵排放量，節(jié)能環(huán)保。

同時(shí)，該太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵熱水系統(tǒng)解決了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)不穩(wěn)定、不持續(xù)的問(wèn)題，保證了用戶的用水質(zhì)量。

此外，該系統(tǒng)是獨(dú)立集中分散式系統(tǒng)，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)比較容易實(shí)現(xiàn)建筑一體化的目的。

在提倡節(jié)能環(huán)保的的背景下，太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵熱水系統(tǒng)具有廣闊的推廣前景。需要注意的是與建筑的結(jié)合程度，在建筑設(shè)計(jì)初期應(yīng)將系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)去，以便達(dá)到美觀和實(shí)用的雙重特性。

7.3 建議與意見(jiàn)

7.3.1 ?落實(shí)推廣的牽頭部門

低碳建筑已成為未來(lái)建筑設(shè)計(jì)施工的發(fā)展趨勢(shì)和方向，作為建設(shè)行業(yè)主管部門的住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)有職責(zé)和義務(wù)對(duì)其大力推行。在輿論上大力提倡、鼓勵(lì)太陽(yáng)能的運(yùn)用。

1）組織編制和制訂太陽(yáng)能熱水使用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，做到有規(guī)可依、設(shè)計(jì)融合、利于施工。

2）在重點(diǎn)領(lǐng)域重點(diǎn)推進(jìn)落實(shí)。由建設(shè)主管部門牽頭落實(shí)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在低密度住宅、教育、托老等項(xiàng)目建設(shè)中的推廣運(yùn)用。

3）出臺(tái)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的相關(guān)政策和建設(shè)流程，便于審批和驗(yàn)收。

7.3.2 ?建設(shè)資金傾斜和財(cái)政支持

太陽(yáng)能作為一種儲(chǔ)量豐富取之不盡的可再生能源，是減少常規(guī)能源消耗的有效途徑，在建筑領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。

考慮到太陽(yáng)能熱水建設(shè)前期投入較大，收支平衡有一個(gè)周期。一方面，建設(shè)部門須在建設(shè)預(yù)算中先期投入建設(shè)資金；另一方面，地方財(cái)政也需拿出一部分財(cái)政資金予以補(bǔ)貼，利于推廣運(yùn)用，同時(shí)也利于太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)建設(shè)行業(yè)的良性循環(huán)和發(fā)展。

7.3.3 ?建設(shè)情況和新能源領(lǐng)域的跟蹤和評(píng)估

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是目前建筑節(jié)能建設(shè)方面的重要一環(huán)和一段時(shí)間的發(fā)展方向。新能源建設(shè)的快速發(fā)展將促使我們要時(shí)刻注意這一領(lǐng)域的新的需求內(nèi)容，敏銳地捕捉并跟上新能源的發(fā)展步伐。

首先要不斷加快太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)并跟上太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的升級(jí)換代步伐；其次要對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、安裝和使用過(guò)程中的問(wèn)題提出解決方案并能跟蹤和評(píng)估，以利于不斷進(jìn)步和提高。

8 結(jié)語(yǔ)

在目前日益緊張的能源市場(chǎng)，在保障房配套教育公建項(xiàng)目中充分合理地開(kāi)發(fā)與利用太陽(yáng)能資源，減少常規(guī)能源的消耗，對(duì)改善居民生活質(zhì)量，促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，將具有廣闊的市場(chǎng)前景，從課題的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析上也證明了其具有可觀的環(huán)境保護(hù)效益與經(jīng)濟(jì)效益。