村镇住宅太阳能热水系统的优化设计研究

刘　剑

(华东建筑设计研究院有限公司，上海　200041)



村镇住宅太阳能热水系统的优化设计研究

刘剑

(华东建筑设计研究院有限公司，上海200041)

随着社会主义新农村的发展以及人民生活水平和需求的不断提高，我国的村镇住宅建设进入了更新换代的高峰期且村镇住宅的能耗也相应地不断增大[1-3]。相对于城市地区，村镇地区的建筑密度较低且以低层建筑为主，故而遮挡较少且屋面和立面的可利用面积大，为太阳能的利用提供了便利的条件[4-5]。此外，村镇地区的能源供给形式较为单一，太阳能可作为一种有效的能源补充形式。

与常规能源相比，太阳能具有清洁、储量丰富和获取方便等优势。近年来国家政策的大力扶持和太阳能集热器技术的不断完善，为太阳能热水系统在村镇地区的应用提供了更好的政策和技术的支持[6]。当前，太阳能热水系统在村镇地区已得到了广泛应用。而对于村镇地区，由于其能源供应形式单一，主要为电力，为减少作为辅助热源的电力能源的消耗，常会设置较高的太阳能保证率。但由于缺乏针对性的设计和科学的指导，高保证率的太阳能热水系统在实际使用中常出现系统夏季过热以至无法使用和冬季热水供应不足而消耗过多的辅助热源以至经济性不高的问题[7]，而目前针对村镇地区的太阳能系统研究主要集中于进一步提高系统的节能性能[8-9]。

本文以一个三口之家的太阳能热水使用为分析案例，结合村镇住宅的热水需求特点，对太阳能热水系统的优化设计方案进行探讨。

1村镇住宅的热水需求特点

本文以上海周边地区的一个三口之家的村镇住户为分析案例。对于村镇住户而言，随着季节的不同，热水的用途也有较大区别：在夏季，热水的主要需求为沐浴用水和少量的厨房洗碗用水；在冬季，热水的主要需求为沐浴用水、盥洗用水、部分厨房洗碗用水以及部分洗衣用水。

表1住宅建筑分项给水百分率和用水量

项目冲厕厨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日均热水用量表

季节厨房/L沐浴/L盥洗/L洗衣/L总计/L夏季309600126冬季30481833129

为使分析案例具备普遍性，各使用功能的用水量主要依据《民用建筑节水设计标准》(GB 50555-2010)[10]确定。依据节水设计标准，上海地区中、小城市有热水器和淋浴设备的住宅的节水用水定额为100～160 L/(人·d)；村镇地区用水相对较少，本文取最低值100 L/(人·d)；结合住宅建筑的分项给水百分率表，可得住宅建筑的分项给水用水量，如表1所示。

依据《家庭厨房用水耗能状况研究报告》，上海地区居民厨房洗碗的日均用水量约占厨房日均总用水量的一半，因而本文中洗碗用热水量按厨房用水量的一半计算；村镇地区的居民从事农作等体力劳动较多，因而对洗浴的需求较多，本文按照夏季每人每日一次、冬季每人每两日一次计算；冬季洗衣日均热水用量按洗衣日均总用水量的一半计算。因而，可得到表2所示的夏季和冬季日均热水用量表；其中夏季和冬季的日均热水用量非常接近，分别为126 L和129 L，两者的比值为0.98。

2系统性能分析指标

2.1　太阳能保证率

太阳能热水系统保证率f可定义为太阳能提供的热量与系统总热负荷的比值，其表达式为

(1)

式中Qsolar——太阳提供的热量；

Qload——热水系统的总热负荷。

提高太阳能保证率，可在保证热水供应质量的基础上减少辅助能源的消耗，达到充分利用可再生能源并提高运行经济性的目的。

2.2　系统是否易出现过热

设置较高的太阳能保证率虽然可以提高运行的经济性，但若系统设计不合理，极易在夏季出现系统过热，从而引发系统损坏故障以及安全事故。本文定义太阳能热水系统运行一年出现的过热时长ho来作为分析太阳能热水系统是否过热的指标。

3系统方案比较分析

3.1　系统形式的选择

当前村镇地区采用的家用太阳能热水系统主要为紧凑式和分体式两种。家用紧凑式太阳能热水器由于具有结构简单、造价便宜和采用无需辅助循环动力的热虹吸式循环等优点，在早期的太阳热水应用中占据了较大的比例；且由于其成本优势，目前的市场占有率仍然较高。

但随着人们对太阳能热水质量和对建筑美观要求的提高，紧凑式系统存在的保温性能差、和辅助热源结合难以及破坏建筑外观效果等问题日益凸显。尤其对于村镇地区，冬季的盥洗和洗衣用热水常为需要隔夜使用的热水，因而对太阳能热水系统的保温性能有较高的要求。而紧凑式系统是由储热水箱和全玻璃集热管相集成的一体式系统且均置于室外，故而在寒冷的冬季夜晚系统通过储热水箱和集热管的散热损失很大，无法保证第二天清晨的使用需求，而若在储热水箱中内置辅助加热器会造成更多的散热损失且运行不经济。基于此，分体式系统由于其与建筑结合度好、可采用间接加热来保证水质、储热水箱可置于室内来减少热损等优点，越来越受到消费者的青睐。下文将对分体式系统的优化设计进行分析。

3.2　常规设计方案

太阳能集热器作为太阳能热水系统的热量转化和收集部件，其参数的设置对热水系统的性能有着决定性的影响。一般家用太阳能热水系统的集热器面积可依据系统的日平均用水量、用水温度等参数按如下公式进行计算

(2)

式中Ac——集热器面积/m2；

Qw——设计日平均用热水量/L，取冬季值设定，取值129 L；

c——热水的定压比热容/kJ·kg-1·℃-1；

ρ——水的密度/kg·L-1；

tr——热水设计水温/℃，取值60℃；

tl——水的初始温度/℃，取值15℃；

f——年太阳能保证率；

JT——当地集热器采光面上的年平均日太阳能辐射量/kJ·m-2；

η——集热器的集热效率/[%]，取值50%；

ηL——系统的热损失率，取值0.12。

表3年日均累计太阳能辐射量

集热器倾角/°0102030405060708090日均辐照量/MJ·m-2)12.9713.4213.6313.5813.2812.7512.0011.049.988.64

基于尽可能地充分利用太阳能资源从而减少所需集热器面积以节约初投资成本的目的，当前太阳能热水系统的主要设计思路为选取年累计太阳能辐射量最大的采光面作为集热器的安装斜面，进而确定集热器的安装倾角、方位角以及面积。

对于村镇地区的家用太阳能热水系统，考虑到其集热器的布置与住宅主朝向的结合问题，集热器布置方位角仅考虑正南向。表3所示为方位角为正南向的情况下，采用Reindl模型计算得到的不同倾角斜面上的年日均累计太阳能辐射量。

由表3可知当集热器倾角为20°时，单位面积上的年日均累计辐射量达到最大为13.63 MJ/m2。因此，选取20°作为集热器的安装倾角。此外，考虑到村镇地区选取较高太阳能保证率的特点，本文中的太阳能保证率取值65%。结合公式(2)可计算得到，热水系统所需的集热器面积为2.63 m2，取整为3 m2。储热水箱的容积可设为150 L。则常规设计太阳能热水系统方案的参数如表4所示。

表4常规设计太阳能热水系统方案的参数

项目数值集热器面积/m22.5集热器安装倾角/°20储热水箱容积/L150

3.3　优化方案

区别于3.2中所述的常规设计方法，本文提出的优化设计方案以匹配热水系统的夏、冬季热水用量和全年的太阳能辐射分布为目标，具体为根据夏季和冬季的热水用量比例选取集热器采光面上夏季和冬季的累计辐射比例与之接近的倾斜面作为集热器的安装平面，进而确定集热器的面积等系统参数。表5所示为不同倾角斜面上的夏季和冬季日均累计辐射值以及两者的比值。

表5夏季和冬季的日均累计太阳能辐射量以及两者的比例

集热器倾角/°0102030405060708090夏季日均辐射量/MJ·m-218.1018.0317.6216.9015.9114.6813.2511.669.968.26冬季日均辐射量/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，在集热器倾角为80°时，夏季和冬季的热水用量比值与太阳辐射量比值最为接近，分别为0.98和0.96。因此，选取80°作为集热器的安装倾角。在太阳能保证率仍设定为65%的情况下，结合公式(2)可计算得到所需集热器面积为3.59 m2，取整为4 m2。则比较设计方案的太阳能热水系统参数如表6所示。

表6比较设计方案的太阳能热水系统参数

项目数值集热器面积/m23.5集热器安装倾角/°80储热水箱容积/L150

4比较分析与讨论

为比较分析常规设计方案和比较设计方案两者的性能，本文采用动态模拟软件TRNSYS分别建立了两者的系统模型，并选取TRNSYS中上海地区的典型气象年(TMY)文件作为气象数据，对两者的全年性能作了动态模拟分析。其中，过渡季的热水需求分布按夏季和冬季的平均值进行设置。

4.1　实际太阳能保证率

太阳能热水系统实际运行中，其性能受用水时间分布和太阳辐射波动的影响较大。对于本系统而言，由于热水的使用时间主要集中在太阳辐射较差的清晨和夜晚，与太阳辐射最好的日间时刻相错开。因而，易出现系统在下午时刻达到保护水温而使集热环路停止运行的情况。从而系统不能充分利用当天的太阳能辐射，而使得保证率降低。图1所示为两种方案下的各月太阳能保证率的分布。

图1　两种方案下的各月太阳能保证率

如图1所示：常规方案的各月太阳能保证率随着月份的变化呈现为增加后减小的趋势，与各月太阳辐射的强弱变化相一致，其冬季和夏季的太阳能保证率差异较大，冬季一月份的保证率仅为22%，而夏季七月保证率高达74%，两者相差52%，全年保证率为47%；相对而言，比较方案的冬季和夏季太阳能保证率差异较小，冬季一月份的保证率为39%，夏季八月份的保证率为59%，两者相差20%，保证率在过渡季的九月份达到最高为70%，全年保证率为51%。比较两种方案下的太阳能保证率分布，可以发现比较方案的数值分布与冬季和夏季的热水用量分布更为接近，因而匹配性更好；此外，比较方案的年太阳能保证率更高。

4.2　是否出现过热

过热现象的出现不仅会让系统无法正常运行，同时也会加剧系统管件连接处的泄漏、部件损坏等问题的出现，甚至会在系统泄压时引起安全事故。因而，在系统设计和运行中应尽量避免过热问题的出现。图2所示为两种系统方案在各个月的过热时长分布。

如图2所示：常规方案的系统在太阳辐射较好的7至9月都出现了不同时长的过热状况，其中八月份辐射最强的一周内，其过热时长达到了12.7 h；比较方案的系统由于采用加大集热器安装倾角的设置，有效地降低了系统在夏季接受到的太阳辐射，从而避免了过热的出现；从图中可以看出，比较方案的系统未出现系统过热的现象。通过比较两种方案的过热时长可以发现，比较方案的运行稳定性和安全性要优于常规方案。

图2　两种系统方案在各个月的过热时长分布

4.3　经济性

对于村镇地区，太阳能热水系统的经济性是推动该系统在村镇地区得到普遍应用的主要因数，因此系统运行的经济性必须作为考量的主要因素。图3所示为两种方案在各个月的辅助热源的电耗分布。

图3　两种系统方案在各个月的辅助热源的电耗分布

如图3所示，常规方案系统在夏季的辅助热源电耗略低于比较方案系统，而在其他月份的辅助热源电耗均高于比较方案。常规方案系统的全年电耗为5 531 MJ，即1 536 kW·h；比较方案系统的全年电耗为4 997 MJ，即1 388 kW·h；则比较方案比常规方案每年节约电耗148 kW·h。按照0.7元/kW·h折算，比较方案比常规方案每年节约电费104元。比较方案比常规方案多设置了1 m2集热器面积，按800元/m2计算，则比较方案相对于常规方案的回收期为7.7年，而太阳能热水系统的使用寿命一般为15年，故而在使用期内，比较方案的增量成本可以得到回收。通过比较可以发现，比较方案的运行更具有经济性。

5结论

本文结合村镇地区的太阳能热水使用特点，分析了村镇地区适宜的太阳能热水系统形式，并基于此提出了一种以匹配全年热水需求分布与辐射分布

为目标，进而确定集热器倾角、面积等参数的系统设计方案，且通过建立动态分析模型比较了该方案与常规方案的性能。结果表明：

(1)基于村镇地区居民的热水使用特点和对热水质量以及系统与建筑结合度的要求，相较于紧凑式系统，分体式系统更适宜作为村镇地区的家用太阳能热水系统形式。

(2)本文提出的优化方案与常规方案相比，集热器安装倾角有大幅度的增大，使得单位采光面积上的年太阳能辐射有所减少；但夏、冬季的太阳辐射分布与对应的热水用量的匹配性更好，从而一方面增强了系统冬季的集热量，另一方面也有效地降低了系统在夏季接受到的太阳辐射，进而避免了系统过热的出现。

(3)与常规方案相比，本文提出的比较方案的实际年太阳能保证率更高，且集热器面积增加的初投资成本也可以在系统一半的使用年限内得到回收。因而，本文提出的系统方案在村镇地区有着很大的推广价值。

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摘要：以改善村镇住宅中常用的太阳能热水系统性能为目的，结合村镇地区的生活热水使用特点，分析了适宜的系统形式，并提出了一种以匹配全年热水用水量分布和太阳辐射分布为目标的系统设计方案。在此基础上，运用TRNSYS动态模拟的方法，比较分析了所提出的优化方案与常规方案的系统性能。结果表明：所提出的优化方案在夏季不出现系统过热，而常规方案在夏季有23.6 h的过热时长；此外，优化方案的全年太阳能保证率比常规方案高4%,且集热器增加的初投资成本可在7.7年内得到回收。

关键词：建筑节能；村镇住宅；太阳能热水；系统优化；模拟分析

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

作者简介：刘剑(1987~)，男，硕士，主要从事建筑节能方面工作。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划课题(2014BAJ01B02);“十二五”国家科技支撑计划课题(2013BAJ10B10)。

收稿日期2014-12-11修订稿日期2015-01-08

中图分类号：TK515

文献标识码：A

文章编号：1002-6339 (2015) 06-0526-04