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摘 要： 摘要：本文基于上海太陽(yáng)能的資源狀況、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)建筑應(yīng)用的政策和標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)研上海市太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)建筑應(yīng)用的項(xiàng)目,分析了應(yīng)用現(xiàn)狀及其經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)一個(gè)典型的住宅應(yīng)用案例，為上海太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的建筑應(yīng)用提供參考和借鑒。 關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱水系統(tǒng),
摘要：本文基于上海太陽(yáng)能的資源狀況、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)建筑應(yīng)用的政策和標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)研上海市太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)建筑應(yīng)用的項(xiàng)目,分析了應(yīng)用現(xiàn)狀及其經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)一個(gè)典型的住宅應(yīng)用案例，為上海太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的建筑應(yīng)用提供參考和借鑒。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱水系統(tǒng),建筑應(yīng)用,經(jīng)濟(jì)性
引言
太陽(yáng)能使用清潔、分成廣泛，是最重要的可再生能源之一。在各類(lèi)太陽(yáng)能利用技術(shù)中，太陽(yáng)能熱水器作為建筑中生活熱水的熱源，為建筑提供熱水是應(yīng)用規(guī)模最廣、最成熟的技術(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生活熱水能耗占建筑總能耗可達(dá)10%～20%[1]，具有非常大的節(jié)能潛力。目前我國(guó)已成為世界上最大的太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)和銷(xiāo)售國(guó)，其生產(chǎn)能力和應(yīng)用規(guī)模都處于世界首位。根據(jù)中國(guó)太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《中國(guó)太陽(yáng)能熱利用行業(yè)運(yùn)行狀況報(bào)告》[2]，中國(guó)占全球太陽(yáng)能集熱器安裝保有量超過(guò)70%。
太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用于建筑的目標(biāo)是利用太陽(yáng)能來(lái)滿足建筑物的生活熱水用能需求。根據(jù)2013年對(duì)光熱建筑應(yīng)用項(xiàng)目的抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)顯示[3]，92%的項(xiàng)目使用熱水系統(tǒng)，1%的項(xiàng)目使用采暖系統(tǒng)，6%的項(xiàng)目采取熱水系統(tǒng)與采暖系統(tǒng)相結(jié)合的方式，1%的項(xiàng)目采取熱水、采暖及空調(diào)系統(tǒng)三者相結(jié)合的方式，如圖1所示。
由此可見(jiàn)，熱水系統(tǒng)占據(jù)絕對(duì)的主導(dǎo)地位，且由于采暖系統(tǒng)主要是利用太陽(yáng)能產(chǎn)生的熱水進(jìn)行供暖，采暖系統(tǒng)常與熱水系統(tǒng)一起使用。
1上海太陽(yáng)能資源
1.1太陽(yáng)輻射概況
上海市地處長(zhǎng)江中下游地區(qū)，水平面年總輻射量為4658MJ/(m2·a)[4]，相當(dāng)于140~170kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量;年總?cè)照諘r(shí)數(shù)為1997.5h[5]，屬于Ⅲ類(lèi)太陽(yáng)能資源分區(qū)。
1.2太陽(yáng)輻射強(qiáng)度
根據(jù)《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T346-2014中上海典型氣象年逐時(shí)太陽(yáng)總輻射量(即太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度)數(shù)據(jù)可知，上海市春夏季的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度比秋冬季高，全年最高太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度約為800W/m2，詳見(jiàn)圖2。上海市全年各級(jí)太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度頻數(shù)如圖3所示。
由圖可知，全年太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度>500W/m2出現(xiàn)頻數(shù)最高，為957h，其次為強(qiáng)度范圍0~100W/m2的出現(xiàn)頻數(shù)，約為693h。太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度范圍為100W/m2~500W/m2的出現(xiàn)頻數(shù)較為相近，約為600h。
1.3日均太陽(yáng)輻射量
上海年均日太陽(yáng)總輻射量為12.76MJ/(m2·d)[6]。上海太陽(yáng)總輻射量逐日變化如圖4所示。由圖可知，日均太陽(yáng)總輻射量在7月初達(dá)到全年峰值，約為22MJ/(m2·d);在12月末達(dá)到最低值，約為6MJ/(m2·d)。
1.4月均太陽(yáng)輻射量
上海典型氣象年月均太陽(yáng)總輻射量為381.54MJ/(m2·月)，4月~9月的太陽(yáng)總輻射量均大于400MJ/(m2·月)。典型年太陽(yáng)總輻射量逐月變化如圖5所示。由圖可知，月均太陽(yáng)總輻射的全年峰值出現(xiàn)在7月，為584.3MJ/(m2·月)。12月份的太陽(yáng)總輻射量最低，為244.6MJ/(m2·月)。總體來(lái)看，1月~5月份的太陽(yáng)總輻射量逐步增加，7月~12月份的太陽(yáng)總輻射量逐步降低;可能受6月份梅雨天氣的影響，與5月和7月份相比，6月份的太陽(yáng)總輻射量有所降低。
2上海太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)發(fā)展的政策和標(biāo)準(zhǔn)
上海早在2005年就開(kāi)始組織可再生能源在建筑領(lǐng)域的科研、技術(shù)攻關(guān)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定工作。“十一五”期間先后發(fā)布并實(shí)施了《上海市民用建筑太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)規(guī)程(熱水系統(tǒng)分冊(cè))》DGJ-2004A、《民用建筑太陽(yáng)能系統(tǒng)應(yīng)用圖集(熱水系統(tǒng)分冊(cè))》DBJT08-110A、《既有民用建筑能效評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)》DG/TJ08-2036、《建筑能效標(biāo)識(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DG/TJ08-2078、《上海市建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程》DGJ-08-113等標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的頒布為上海可再生能源與建筑一體化應(yīng)用提供了技術(shù)保障。
2011年開(kāi)始實(shí)施的《上海市建筑節(jié)能條例》第十一條也明確規(guī)定：“本市鼓勵(lì)發(fā)展太陽(yáng)能、地?zé)崮堋L(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源與建筑一體化應(yīng)用研究、示范和推廣。新建有熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的公共建筑或者六層以下住宅，建設(shè)單位應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)并安裝符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。鼓勵(lì)七層以上住宅設(shè)計(jì)并安裝太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。”
上海為進(jìn)一步加大對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)建筑應(yīng)用的推進(jìn)力度，先后發(fā)布了三輪建筑節(jié)能扶持政策，現(xiàn)行有效的《上海市建筑節(jié)能和綠色建筑示范項(xiàng)目專(zhuān)項(xiàng)扶持辦法》(滬建材聯(lián)〔2016〕432號(hào))，重點(diǎn)將太陽(yáng)能、淺層地?zé)崮艿瓤稍偕茉磁c建筑一體化的居住建筑或公共建筑作為示范的項(xiàng)目之一，明確了可再生能源建筑應(yīng)用的技術(shù)要求。上海對(duì)可再生能源與建筑一體化應(yīng)用的政策支持，調(diào)動(dòng)了參與各方的積極性。
3上海太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀
目前上海對(duì)于太陽(yáng)能光熱技術(shù)的利用主要集中在熱水系統(tǒng)。在政策的監(jiān)督引導(dǎo)和鼓勵(lì)之下，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在上海市建筑應(yīng)用快速發(fā)展，迄今已發(fā)展成為比較穩(wěn)定成熟的綠色、節(jié)能技術(shù)。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀主要包括集熱器類(lèi)型及布置、熱水系統(tǒng)形式、建筑一體化程度、輔助熱源及控制系統(tǒng)、投資回收期、系統(tǒng)節(jié)能量等方面。
3.1集熱器形式及布置
目前應(yīng)用較為廣泛的集熱器形式主要有平板型集熱器和真空管型集熱器兩種。真空管型集熱器熱效率高，保溫效果好，應(yīng)用范圍較廣;而平板集熱器外形美觀，易于與建筑結(jié)合，但保溫效果差，因?yàn)閮r(jià)格較便宜，應(yīng)用范圍亦日趨廣泛。集熱器布置位置主要在陽(yáng)臺(tái)和屋面，對(duì)于建筑高度較低的公共建筑和多層住宅，集熱器布置在屋面能夠滿足用水要求;但對(duì)于高層住宅，僅在屋面設(shè)置集熱器難以滿足用水量要求，因此高層住宅多將集熱器布置在陽(yáng)臺(tái)上。
屋面布置集熱器的安裝傾角一般為15度～30度，熱效率較高;陽(yáng)臺(tái)布置集熱器的角度因美觀問(wèn)題有較高要求，一般垂直略帶角度安裝，為達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果，需根據(jù)角度及上海輻照量等諸多影響因素增加集熱器面積。
3.2熱水系統(tǒng)形式
太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的形式可按集熱形式和貯熱形式的不同分為緊湊式、分體式、集分式和集中式四類(lèi)，各類(lèi)系統(tǒng)形式特點(diǎn)及適用場(chǎng)所見(jiàn)表1。
3.3建筑一體化
太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合方式一般有屋頂支架、嵌入屋面、陽(yáng)臺(tái)壁掛及墻面壁掛式四種方式。住宅建筑多采用屋頂支架式和陽(yáng)臺(tái)壁掛式，少數(shù)采用嵌入屋面及墻面壁掛式。公共建筑多采用屋頂支架式。
3.4輔助熱源情況
大部分住宅建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)輔助熱源采用電加熱，公共建筑中主要有電輔熱、燃?xì)廨o熱等，也有少數(shù)項(xiàng)目采用熱泵作為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的輔助熱源。輔助熱源的啟動(dòng)形式基本實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守的自動(dòng)啟動(dòng)方式。
4經(jīng)濟(jì)性分析
4.1初投資
太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的初始總投資包括太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、輔助加熱系統(tǒng)、熱水供水系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和其他不可預(yù)見(jiàn)費(fèi)用等，其中太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)部分為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的增加投資部分(見(jiàn)圖6)。對(duì)于整個(gè)熱水系統(tǒng)的總投資而言，非承壓的開(kāi)式系統(tǒng)和承壓閉式系統(tǒng)初始投資差別較大，分別約為23000元/t熱水和60000元/t熱水。對(duì)于增加投資部分，即太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)投資，主要取決于集熱器的選型，各類(lèi)型集熱器平均價(jià)格(包含管道附件及安裝費(fèi)用等)如表2所示。
4.2節(jié)能量
不同太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的單位面積集熱量不同，主要受系統(tǒng)所在地區(qū)太陽(yáng)能資源、集熱器效率以及太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行情況影響。根據(jù)上海市太陽(yáng)能資源和系統(tǒng)運(yùn)行情況，不考慮集熱器集熱效率的差異，計(jì)算單位面積光熱集熱器的年節(jié)能量為2047.6MJ/m2·4，折合成天然氣(天然氣當(dāng)量熱值16742kJ/m3，燃燒效率85%，天然氣均價(jià)2.5元/m3)的費(fèi)用為360元/m2·m。
4.3投資回收期
靜態(tài)投資回收期估算：靜態(tài)投資回收期=初始增投資/年節(jié)約成本。不同集熱系統(tǒng)的投資回收期見(jiàn)表3。目前上海主要采用平板集熱器和真空管集熱器，靜態(tài)投資回收期小于3年。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的使用壽命一般在10~15年。因此使用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。
此外，以真空管作為集熱器的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期最短，但由于真空管容易出現(xiàn)爆管等現(xiàn)象，導(dǎo)致真空管的使用壽命較短;全玻璃U型管投資回收期最長(zhǎng)，而且其實(shí)際集熱效率比較高，在陰雨天氣仍然能夠集熱，實(shí)際使用效果及舒適性較好。
不同輔助加熱裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果也不盡相同，以加熱10m3/d生活熱水為例，冷水溫度15℃，熱水溫度60℃，生活熱水年均耗熱量為：10m3/d×0.983kg/L×4.187kJ/kg·℃×(60-15)℃×365=676023.6MJ/a。其中，太陽(yáng)能熱水保證率取50%，則由輔助能源提供的熱量為338011.8MJ/a。各類(lèi)常用輔助能源的費(fèi)用計(jì)算見(jiàn)表4。由表4可知，目前常用的兩種輔助熱源(電能和天然氣)的初始投資及年運(yùn)行能源費(fèi)用幾乎相等;空氣源熱泵的年運(yùn)行能源費(fèi)用較低，但因?yàn)樵黾恿丝諝庠礋岜孟到y(tǒng)，因此初始造價(jià)較高，從長(zhǎng)遠(yuǎn)運(yùn)行角度來(lái)源，太陽(yáng)能+空氣源熱泵輔熱較為經(jīng)濟(jì)適用。
5典型案例
5.1項(xiàng)目概況
某住宅項(xiàng)目，為多層住宅和高層住宅組成的9棟建筑，其中810戶(hù)全裝修住宅，建筑面積為9.17萬(wàn)m2，采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，現(xiàn)已投入使用。項(xiàng)目實(shí)景見(jiàn)圖7。5.2太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)項(xiàng)目采用陽(yáng)臺(tái)壁掛式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，以溫差循環(huán)控制方式運(yùn)行，燃?xì)廨o助加熱。項(xiàng)目系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖8，采用CPC真空管集熱器，每戶(hù)集熱器面積3.4m2，配備150L單盤(pán)管水箱，如圖9所示。總集熱面積為2754m2。太陽(yáng)能集熱器布置在陽(yáng)臺(tái)欄板處，安裝傾角為75度，如圖10所示。部分頂層住戶(hù)的集熱器安裝在屋面，安裝傾角為30度。
5.3太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)能效測(cè)評(píng)
經(jīng)第三方能效測(cè)評(píng)，該項(xiàng)目太陽(yáng)能熱水全年保證率達(dá)到45%，集熱器采光面積集熱效率達(dá)到50%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和模擬計(jì)算，計(jì)算全年常規(guī)能源替代量為164.45t標(biāo)煤;二氧化碳減排量406.19t/a，二氧化硫減排量3.29t/a，粉塵減排量1.64t/a。
6小結(jié)
太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)目前在建筑領(lǐng)域應(yīng)用頗廣，其在能源利用方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)，是建筑節(jié)能的重要組成方式。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合，不僅讓住戶(hù)家庭生活得更自然更環(huán)保，而且在節(jié)能的同時(shí)減少了污染物的排放，對(duì)實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。為實(shí)現(xiàn)《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中“十三五”總體目標(biāo)：城鎮(zhèn)可再生能源替代民用建筑常規(guī)能源消耗比重超過(guò)6%。我們要結(jié)合本市太陽(yáng)能條件，考慮到不同建筑類(lèi)型及不同可再生能源類(lèi)型的差異性，因地制宜地采用可再生能源。
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