李 濤，余俊勇，姚璟儀，羅威龍，傅星宇，毛前軍

(武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

0 引 言

夏熱冬冷地區(qū)冬季陰冷[1]，缺乏集中供暖措施，居住建筑冬季室內(nèi)溫度低、舒適度差[2]，亟需通過供暖手段提升冬季室內(nèi)熱環(huán)境。但如若夏熱冬冷地區(qū)超過150億m2的居住建筑均采用全面供暖，勢必造成供暖能耗的急劇上升[3]。

已有大量研究表明居住建筑適宜于推行分散式供暖[4-5]。目前居民已經(jīng)采用單體分散式供暖形式如分體式空調(diào)、燃?xì)獗趻鞝t地板輻射供暖、電散熱器等改善室內(nèi)熱環(huán)境[6-8]，但如果每家每戶都新增傳統(tǒng)能源或者電能供暖措施，仍會造成供暖能耗增加，進(jìn)而造成碳排放量增加。太陽能供暖是降低建筑能耗的有效手段之一，且在西北太陽能資源富集地區(qū)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用[9-11]。倘若在夏熱冬冷地區(qū)能夠應(yīng)用太陽能供暖技術(shù)，將有利于削減能耗。但夏熱冬冷地區(qū)，大多位于太陽能資源可利用的Ⅲ區(qū)，甚至部分地區(qū)位于太陽能資源貧乏的Ⅵ區(qū)[12]，造成太陽能供暖保證率低，在很大程度上影響了太陽能供暖技術(shù)的應(yīng)用。相比于嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)冬季供暖時間短、建筑熱負(fù)荷小，對熱源總量的要求較小，但對于夏熱冬冷地區(qū)居住建筑中推行太陽能分散式供暖是否可行仍缺乏明確定論。

本文通過現(xiàn)場調(diào)研方法掌握夏熱冬冷地區(qū)居住建筑供暖及太陽能熱水器應(yīng)用現(xiàn)狀，利用碳排放計(jì)算，明確了太陽能供暖改造的前景。對太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行供暖改造設(shè)計(jì)，依據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性分析，并探討太陽能熱水器供暖改造的技術(shù)可行性。

1 調(diào)研概況

采用主觀問卷調(diào)查與走訪談話相結(jié)合的調(diào)研方式。實(shí)地調(diào)研了夏熱冬冷地區(qū)，家中有太陽能熱水器的住戶，了解應(yīng)用現(xiàn)狀。累計(jì)發(fā)放調(diào)查問卷共計(jì)1 000份，收回有效問卷761份，有效收回率76.1%。調(diào)研地點(diǎn)涵蓋了夏熱冬冷地區(qū)武漢市、長沙市、合肥市、成都市等典型代表性城市。

在問卷設(shè)計(jì)階段從圖書館和網(wǎng)絡(luò)上查閱文獻(xiàn)，充分了解夏熱冬冷地區(qū)供暖手段和太陽能熱水器的市場情況等，對調(diào)查問題及選項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化。調(diào)查問卷主要從用戶信息、太陽能熱水器使用概況、居民供暖現(xiàn)狀3部分設(shè)置了18個問題。用戶信息包括人口結(jié)構(gòu)和住宅面積。太陽能熱水器使用概況從裝機(jī)規(guī)模、購置時間、購買價格、使用時遇到的問題等方面設(shè)置了11個問題。居民供暖現(xiàn)狀從供暖方式、供暖年消費(fèi)、供暖滿意度等方面設(shè)置了5個問題。在問卷發(fā)放階段，在考慮城市和鄉(xiāng)村的占比盡可能做到隨機(jī)發(fā)放。在問卷回收階段進(jìn)行有效性篩選、分類匯總，形成調(diào)研結(jié)果。

2 調(diào)研結(jié)果分析

2.1 供暖需求現(xiàn)狀

通過現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計(jì)，供暖區(qū)域分布現(xiàn)狀如圖1所示。

圖 1 供暖區(qū)域分布圖Fig.1 The distribution map of heating area

從圖1可以看出，夏熱冬冷地區(qū)超過3/4的用戶采用各種方式進(jìn)行供暖。在供暖住戶中，大部分選擇針對臥室或者客廳進(jìn)行局部分時段供暖，僅有11.4%的住戶選擇了對整個室內(nèi)進(jìn)行供暖。調(diào)研對象中使用的供暖形式主要包括分體式空調(diào)、小太陽、爐火、炭火等。其中有超過50%的供暖用戶采用分體式空調(diào)，有2戶使用太陽能、地源熱泵等可再生能源形式。盡管該地區(qū)居民采取各種措施提升室內(nèi)熱環(huán)境，但幾乎所有調(diào)查樣本中的居民仍希望進(jìn)一步有效提高室內(nèi)溫度。

對住戶供暖年運(yùn)行費(fèi)用(包含能源支出和設(shè)備維護(hù))進(jìn)行調(diào)查，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖 2 供暖年運(yùn)行費(fèi)用分布Fig.2 The heating annual operating cost of residential building

從圖2可以看出，在589例供暖住戶樣本中，53.8%的住戶明確供暖年運(yùn)行費(fèi)用超過了1 000元，其中不包括12.2%的住戶表示并未計(jì)算過供暖費(fèi)用。盡管大部分居民選擇客廳和臥室局部供暖且分時段運(yùn)行，但運(yùn)行費(fèi)用仍較高。倘若居民選擇全空間連續(xù)供暖，勢必會大幅度增加供暖年運(yùn)行費(fèi)用。

2.2 太陽能熱水器利用現(xiàn)狀

2.2.1 購買時間

圖3為太陽能熱水器購買年份分布。從圖3可以看出，2005年以前購置太陽能熱水器的用戶較少，2005—2016年一直處于增長態(tài)勢。

圖 3 太陽能熱水器購買年份分布Fig.3 The purchase year of solar water heater

究其原因是2005年以前太陽能熱利用還處于起步階段，太陽能熱水器的技術(shù)和市場不太成熟，居民對該技術(shù)的了解也很有限，尤其是安裝成本和居民收入不相符。2010年以后隨著家電下鄉(xiāng)政策的出臺和國家對清潔能源的支持，太陽能熱水器行業(yè)得到了空前的發(fā)展。

2016年以后，太陽能熱水器市場較為穩(wěn)定，國內(nèi)市場也逐漸趨于飽和。尤其是近兩年，受房地產(chǎn)行業(yè)以及新冠疫情的影響，新建建筑數(shù)量[13]及居民購買力均有所降低。因此太陽能熱水器的發(fā)展已難以擴(kuò)充用戶數(shù)量，而應(yīng)當(dāng)開展多渠道利用形式。

2.2.2 太陽能熱水器裝機(jī)規(guī)模

居民常用的太陽能熱水系統(tǒng)裝機(jī)容量調(diào)查結(jié)果如圖4所示。

圖 4 太陽能熱水器安裝面積分布Fig.4 The installation area of solar water heater

大部分戶用太陽能熱水器的裝機(jī)規(guī)模不足2 m2，占樣本總量的63.2%。平均裝機(jī)規(guī)模在1.9 m2，僅有12戶的太陽能熱水器集熱面積超過了4 m2，可見受經(jīng)濟(jì)、可安裝面積等因素限制，大部分居民傾向于使用小面積的太陽能熱水器。

2.2.3 應(yīng)用問題

夏熱冬冷地區(qū)居民使用太陽能熱水器遇到的問題為多選題，調(diào)研結(jié)果見表1。

表1 太陽能熱水器使用過程中的問題Tab.1 Problems encountered in the use of solarwater heater

根據(jù)表1調(diào)研結(jié)果顯示，超過2/3的居民認(rèn)為冬季水溫不高，且存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，難以對產(chǎn)生的熱水直接利用。即使在夏季，仍有近一半的用戶認(rèn)為熱水儲量不夠用。除此之外還存在花費(fèi)太高、商家售后服務(wù)差、操作困難、季節(jié)性閑置等問題。

2.3 供暖改造前景

通過對8個村落的調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，安裝太陽能熱水器的用戶比例超過55%。根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)調(diào)研數(shù)據(jù)中每戶人口數(shù)和太陽能熱水器安裝面積及安裝比例，對夏熱冬冷地區(qū)總?cè)丝赱14]進(jìn)行換算：設(shè)該地區(qū)太陽能熱水器安裝面積為1.5億m2，則采暖季節(jié)能量(Δsave,億MJ)及CO2減排量(QCO2,萬t)為

Δsave=SHD(1-ηL)ηcd

(1)

(2)

式中:S為夏熱冬冷地區(qū)太陽能熱水器安裝面積，億m2；H為夏熱冬冷地區(qū)水平面年平均日太陽能輻射量,10 MJ/(m2·d)[12]；D為采暖季天數(shù),90 d；ηL為熱損失率，取0.05；ηcd為集熱效率,取0.4[12]；w為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值,取29.3 MJ/kg；ηe為常規(guī)能源水加熱的效率，取95%；Fco2為輔助能源為電的二氧化碳排放因子0.866 kg；MCO2為CO2相對分子質(zhì)量；MC為碳的相對分子質(zhì)量。

計(jì)算可得如若將該地區(qū)已經(jīng)安裝的太陽能熱水器改造成冬季供暖，通過計(jì)算理論上可以節(jié)能517億MJ，實(shí)現(xiàn)CO2減排量590 萬t。

3 供暖改造可行性

調(diào)研結(jié)果顯示,接近90%的居民愿意接受太陽能供暖形式，結(jié)合太陽能熱水器供暖改造后CO2減排量計(jì)算可知，該地區(qū)利用太陽能熱水器進(jìn)行供暖具有一定的基礎(chǔ)條件和前景。

3.1 供暖改造設(shè)計(jì)

考慮在原太陽能熱水器的基礎(chǔ)進(jìn)行供暖改造，增加供暖系統(tǒng)、輔助熱源系統(tǒng)以及控制系統(tǒng),圖5為太陽能熱水器供暖改造設(shè)計(jì)原理圖。由圖5可知，太陽能熱水器在系統(tǒng)主要起到熱源溫度提升的作用。當(dāng)晴天白天有太陽輻射時，通過太陽能熱水器的得熱將進(jìn)水的溫度提升到要求之后進(jìn)行供暖和供生活熱水；當(dāng)溫度提升不足時輸送至輔助熱源系統(tǒng)進(jìn)一步提升達(dá)到供暖和生活熱水的溫度要求。當(dāng)陰天或者夜間無太陽輻射時，系統(tǒng)進(jìn)水直接進(jìn)入輔助加熱系統(tǒng)。

圖 5 太陽能熱水器供暖改造設(shè)計(jì)原理圖Fig.5 Schematic diagram of solar water heater heating reform design

3.2 節(jié)能性

為了進(jìn)一步明確太陽能熱水器供暖改造的節(jié)能性，以調(diào)研數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對武漢市氣象條件進(jìn)行供暖改造節(jié)能率計(jì)算。采用估算方法計(jì)算建筑供暖總耗熱量QH，kW·h；，即

(3)

式中：qh為供暖耗熱量指標(biāo)，W/m2；Ah為實(shí)際供暖面積，m2；T為供暖總時長，h。

住宅建筑面積取調(diào)研平均值90 m2，按總面積的60%計(jì)算得到實(shí)際供暖面積54 m2，供暖耗熱量指標(biāo)取30 W/m2。假設(shè)建筑采暖間歇供暖，供暖時長為12 h，則整個采暖季90 d的總耗熱量為1 749.6 kW·h。設(shè)調(diào)研單戶住宅太陽能熱水器的安裝面積為2 m2，通過式(1)計(jì)算采暖季有效集熱量為684 MJ，折合電量為190 kW·h。因此可得出2 m2的太陽能熱水器供暖，節(jié)能率可達(dá)10.9%。

3.3 經(jīng)濟(jì)性

假設(shè)建筑中已經(jīng)具備完整的供暖系統(tǒng)，將太陽能熱水器改造并入供暖系統(tǒng)中，需要增加的控制器、管道、閥門等初投資共計(jì)800元。假設(shè)太陽能熱水器的使用壽命為15 a，利用動態(tài)投資回收期法[15]，2 m2的太陽能熱水器供暖改造的回收期為9.9 a。不同面積太陽能熱水器供暖改造增加的初投資不變時，回收期見表2。從表2可知，面積越大的太陽能熱水器供暖改造所得的收益也越高，回收期也越短。當(dāng)太陽能熱水器面積為6 m2時，對其進(jìn)行供暖改造時經(jīng)濟(jì)性較好，回收期僅為2.7 a。

表2 不同面積太陽能熱水器供暖改造回收期Tab.2 Recovery period of heating reform of differentarea of solar water heater

3.4 改造中存在的技術(shù)問題

太陽能熱水器供暖改造前景廣闊，且系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性均較好。為了更加明確太陽能熱水器供暖改造的可行性，需從技術(shù)角度進(jìn)一步分析改造中存在的問題。

首先是輔助熱源選擇方面。受夏熱冬冷地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度以及居民太陽能熱水器安裝面積兩方面因素的影響，太陽能集熱量有限，需要在系統(tǒng)中增設(shè)輔助熱源。從現(xiàn)有的研究[16]中可見輔助熱源系統(tǒng)的選擇包含了空氣源熱泵、地源熱泵、燃?xì)獗趻鞝t和電鍋爐等。而在戶用的太陽能熱水器供暖改造系統(tǒng)中，選擇何種輔助熱源形式應(yīng)當(dāng)考慮系統(tǒng)兼容性、可靠性和資源分布等。

其次是系統(tǒng)控制方面。受太陽輻射不穩(wěn)定性的影響，太陽能熱水器的出水溫度晝夜差異性較大，如何合理控制系統(tǒng)運(yùn)行使太陽能熱水器集熱量得到最大化利用。控制對象主要為各部件閥門的起閉狀態(tài)，監(jiān)測的參數(shù)主要有系統(tǒng)水流量、水溫、室內(nèi)溫度等。根據(jù)邊界條件編制精準(zhǔn)穩(wěn)定的控制算法是系統(tǒng)高效運(yùn)行的核心。

最后是系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面。不同建筑采暖熱負(fù)荷以及太陽能熱水器集熱量，對系統(tǒng)各部件的容量設(shè)計(jì)提出的要求不同。主要包括蓄熱水箱的容積、輔助熱源的額定功率、供暖末端的大小等。系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)直接影響供暖的可靠性、節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性等，是太陽能熱水器供暖改造技術(shù)可行性的關(guān)鍵。

4 結(jié) 論

1) 通過對夏熱冬冷地區(qū)典型城市761個住戶的現(xiàn)場調(diào)研，88.6%的供暖住戶選擇對臥室或者客廳進(jìn)行局部分時段供暖，53.8%的住戶供暖年運(yùn)行費(fèi)用仍超過了1 000元。太陽能熱水器在夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用基礎(chǔ)較好，平均裝機(jī)規(guī)模在1.9 m2，在應(yīng)用過程中仍存在著冬季水溫不高、出熱量不足等問題。

2) 根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)計(jì)算太陽能熱水器供暖改造的節(jié)能量和CO2減排量分別為517億MJ和590 萬t。初步設(shè)計(jì)了單戶住宅太陽能熱水器供暖改造系統(tǒng)形式。從其節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性分析發(fā)現(xiàn)，面積越大的太陽能熱水器進(jìn)行供暖改造時節(jié)能性越高，回收期也越短。其中6 m2的太陽能熱水器應(yīng)用于供暖改造節(jié)能率可達(dá)32.6%，增加初投資的回收期為2.7 a。