集中式太阳能热水系统的实际运行效果分析

淮海工学院土木工程系 ■ 李永华

太阳雨新能源集团有限公司 ■ 焦青太

一 引言

太阳能是一种取之不尽、安全、清洁无污染的可再生能源。太阳能热利用是减少建筑能耗、缓解能源与环境危机的重要途径之一[1]，太阳能热水系统已广泛应用于建筑领域。由于太阳能热水系统的运行效果受季节和天气影响较大，热流密度低[2]，少有实际运行情况方面的研究报告，而对其投资、运行费用、投资回收期等经济指标的计算及节能效果的评价，多从理论角度进行分析，系统的全天候实际运行数据较少。

本文选择两个较为典型的太阳能热水系统工程，这两个工程在投资太阳能热水系统的同时，根据研究的需要和有关部门的要求，建立全天候24h运行数据监测系统，真实地反映太阳能热水系统的得热量、能量消耗、运行费用及节能效果。

二 常熟锦弘印染厂500t热水项目

2010年9月，常熟锦弘印染厂500t太阳能热水工程(图1)正式投入运行。作为中国印染行业技术领先的工业热水工程，该工程可日供60℃热水500t，能基本满足工厂日常生产所需的工业用热水，大幅降低热水生产成本。该热水工程装配了太阳能行业领先的远程监控系统，能够对处于运行中的热水系统水位、水温、上水进行实时监控，同时实现自动上水、自动辅助加热、自动报警、防冻循环、防雷、防漏电、防干烧故障诊断，并自动生成系统运行记录表及数据曲线，为热水工程稳定、高效运行提供保障。

1 系统设计

太阳辐照量一年中差别很大，盛夏光照时间长，气温高，冬季光照时间短，气温低。如果按冬季设计增加配置，夏季则会热水过剩或水温过高，对系统和使用产生危害；如果按夏季设计减少配置，降低投资，则无法满足冬季使用，需增加辅助热源。因此该工程是以春秋季(全年平均)设计集热器数量。

工程设计采用¯58×1800mm全玻璃真空管，横排式联箱集热管，集热器倾角4¡安装在屋面，采用太阳雨280管/组的集热器140组，200管/组的集热器28组，共计44800支，集热面积7460m2。

当白天可提供合格热水时，温度、水位控制：

(1)太阳能系统定温直流方式工作，设定太阳能热水箱内最佳热水温度，要求不低于50℃。只要有光照，集热器内水温达到50℃时，自动通过集热器向热水箱充热水，直至热水箱水满。

(2)系统随时检测太阳能热水箱内的水温、水位。当集热器内水温低于50℃且低于进水水位20%时，由太阳能系统进水；当进水水位达到停水水位且水温达到最佳水温时，恢复到定温直流工作状态。

当白天不能提供合格热水时(阴雨雪低温天)，太阳能热水箱350t、150t各一只，共500t，埋地安装，钢筋混凝土制作，聚氨酯整体发泡保温，保温层厚60mm。

2 工作原理

为保证热水箱内24h有热水可供应，太阳能加热循环系统采用“定温不定量”的设计原理，最大化地利用太阳能，最小化地使用辅助热源，如图2所示。温度、水位控制：

(1)当太阳能集热器不能提供合格高温水时，通过水位控制使自来水先进入太阳能集热器，以充分利用太阳能，初步加热自来水。

(2)若用水时水温不够，则由辅助热源提供高温热水。辅助热源采用甲方原配蒸汽锅炉加热系统，全自动控制，定温向用水点送水，即用即送，出热水快，热损失小。

3 运行情况

项目自2010年9月投入运行以来，通过系统的监控系统，完整地记录了太阳能热水系统的得热量情况。表1为系统运行近10个月的实际数据(标准煤的发热量为29270kJ/kg)。

4 数据分析

(1)太阳能集热系统各月的得热量变化很大，无规律可循。以常熟地区为例，太阳辐照量约为4858MJ/(m2·a)(以清江地区1996～1998年数据作为参考)[3]，集热器效率取55%，则太阳能热水器的得热量为2672MJ/(m2·a)，理论计算总得热量为7460×2672=19933120MJ，项目实际得热量为12653353×1.2=15184024MJ，相差24%。

(2)根据运行10个月实际数据分析，每年实际节约标准煤约520t，可减排二氧化碳约1360t，但与设计指标年均节约标准煤2000t有较大差距。

(3)电热值为3.6MJ/kWh，电价为0.50元/kWh，则此太阳能热水系统每年可节电15184024/3.6×0.50=210.89万元。此项目太阳能热水系统的投资约为600万元，通过节省电费，3年即可收回投资，而真空管式太阳能热水工程的使用寿命至少15年，如果考虑巨大的节能效益，项目的经济效益及节能效益更为显著。

三 三厂职工宿舍太阳能热水项目

1 系统设计

三厂职工宿舍位于太阳雨太阳能有限公司内，热水供应采用太阳能与热泵结合的方式，设计采用太阳能集热器MK58×1800−3×1-83-00，集热器总面积290m2，每人按0.725m2计算，可满足400人热水用量，系统配3只热水箱，每只3t，共计9t，配20匹空气源热泵一只，作为辅助热源。系统的工作原理与常熟锦弘印染厂500吨热水工程相同，如图3所示。

将太阳能和空气源热泵两者结合，扬长补短，优势互补，既能节能减排，又能保证全年全日连续热水供应，是近年来集中热水系统供应的新动向。根据资料推断，太阳能与热泵结合的热水系统可节能85%[4]。

2 运行情况

目前对于太阳能与热泵结合的热水系统，理论分析较多，但实际运行中能否达到节能85%的指标，经济性如何，理论分析缺乏说服力。为了真实掌握系统的实际运行情况，项目在投资建造太阳能与热泵结合的热水系统同时，建立了相应的全天候监控系统，对使用过程中的热水流量、集热器获得的热能、热泵消耗的电能、热泵获得的热能进行24h全程记录。表2为系统运行近8个月的实际情况。

3 数据分析

在系统设计过程中，考虑到冬季低温天气对热泵效率的影响，为满足全日连续热水供应的要求，曾设想增加电辅助加热。但从实际的使用情况看，太阳能与热泵结合的热水系统完全能满足冬季极端天气对热水的使用要求，无需增加电辅助加热，为本地区太阳能与热泵结合的热水系统设计提供了实践依据。

由表2可以看出，整个运行期间，集热器获得的热能为50434kWh，热泵产生热能65208kWh，热泵所耗的电能为18562kWh，能耗比为(50434+65208)/18562=6.23，即节能84%，实际数据与理论数据相吻合。

项目的经济与节能效益：节约电能50434+65208−18562=97080kWh，节约费用97080×0.50=48540元。整个系统的投资约15万元，则静态投资回收期为150000×8/48540=24.7月，项目的经济效益与节能效益非常明显。

表2 系统的实际运行参数

四 结论

(1)印染业是高能耗、高污染行业，节能减排、降低能耗是印染业面临的主要问题。常熟锦弘印染厂500t太阳能热水工程的实际运行情况表明：在印染业应用太阳能热水系统，无论是经济性还是节能降耗，都具有良好的推广应用前景。

(2)太阳能与空气源热泵结合的热水系统，完全能满足三厂职工宿舍冬季全日连续供应热水的要求，无需增加电辅助加热系统，且节能84%，节能效果明显。

(3)以上两个太阳能热水系统的实际运行情况表明：投资太阳能热水系统，如果与每年节省的电费相比较，其投资回收期一般在5年以内，而太阳能热水系统的使用寿命至少15年，经济性效益明显。

[1] 罗会龙, 铁燕.空气源热泵辅助加热太阳能热水系统热性能研究[J].建筑科学, 2009, 25(2):52－54.

[2] 徐国英, 张小松.太阳能空气复合热源热泵热水器的性能模拟与分析[J].太阳能学报, 2006, 27(11):1148－1154.

[3] 中国科学院地理科学与资源研究所.中国气候资源数据库[K].

[4] 林康立.太阳能与空气源热泵结合的热水工程设计及技术经济比较[J].制冷技术, 2009, (1):5－11.