太阳能热水系统在上海保障性住房配套教育公建项目的应用

陈 敏

上海市住宅建设发展中心 上海 200003

目前教育公建项目中运行的太阳能热水系统很多，但对其运行效果缺乏真实的数据，对系统运行的测量比较缺乏，从而对太阳能利用的经济性无法作真实评估。本项目以已安装竣工的全日制寄宿学校为测试点，通过实测数据与分析研究，为太阳能热水系统在上海保障性住房教育公建配套项目中的推广和应用提供全面的经济性分析、社会效益分析等。

测试结果表明，该太阳能耦合空气源热泵热水系统平均集热效率可以达到62%，秋季平均太阳能保证率可达75%，具有良好的环保和经济效益。在上海市保障性住房教育公建配套项目中具有示范和推广的意义，可为下一步上海市保障房公建配套乃至保障房太阳能热水系统的推广与运用提供数据保障，为国家与地方的政策制订提供可靠的理论基础。

我国既是一个煤炭、石油以及天然气等常规能源消耗的大国，又是常规能源资源短缺的国家。以常规能源为主的能源结构产生大量的污染物，给我国整体环境造成了巨大的污染，一次性能源为主的能源开发利用模式与生态环境矛盾的日益激化，使人类社会的可持续发展受到严峻挑战。因此，大力开发利用清洁可再生能源——太阳能，是优化能源结构、改善环境、促进经济社会可持续发展的战略之一[1-5]。

1 保障房公建配套教育用房中的热水应用

1.1 背景介绍

在保障房公建配套教育中，全日制寄宿学校对热水需求的量与质越来越高，在提倡节能减排的今天，用可再生能源代替常规能源已成为趋势。所需的可再生能源除了能满足学校学生使用要求外，还应具备几大特点：前期投入相对较低，使用管理简单，运行费用低，后期维护费用低，要满足经济、环保、成本低等要求。

太阳能作为绿色可再生能源，对于节能减排具有的显著的社会效益已为大家所认可。本项目拟以上海保障房配套教育公建项目为突破口，通过实测数据与理论研究，为太阳能热水系统在上海保障性住房教育公建配套项目中的推广和应用提供全面的热利用的经济性和投资回报分析。研究成果还将有利于提升太阳能热水系统应用水平、有利于太阳能技术的推广和专利成果的转化，并对上海保障性住房教育公建配套项目乃至保障房项目中太阳能热利用具有示范和推广的意义，为国家与地方政策的制订提供可靠的理论基础。

1.2 项目简介

上海市浦江镇原选址基地配套寄宿制完全中学为教育系统公建项目，总建筑面积约26 818 m2，学校办学规模为48个班。根据设计要求，用水性质为确定时间段内用水，其余时间内不用水。学生宿舍计520人，需每天提供26 t的淋浴及洗漱用热水。

1.3 太阳能热水系统

根据学校热水需求，设置了1套太阳能热水系统，系统为定时用水强制循环开式双水箱系统，集热器形式采用平板型太阳能集热器（图1），为了使系统在光照不足及寒冷天气的情况下满足热水需求，并配备空气源热泵为辅助热源。

图1 项目安装太阳能集热器示意

1.4 测试设备

计划以已竣工的浦江镇全日制寄宿学校屋面太阳能热水系统为测试点，安装热水系统热性能测试系统，收集实时数据供分析。

主要测试仪器配置：太阳能测试系统（主机）1台、太阳能总辐射传感器（一级表）5台、精密温度传感器15套、环境温度传感器（带防太阳能辐射罩）1套、流量传感器2套、远传电表3套。

2 常规能源配置与消耗

在热水系统所采用的常规能源锅炉中，燃油热水锅炉、电热水锅炉、燃气热水锅炉三者的一次性投资相差不大，但经常费用相差甚远，而燃气锅炉在三者中经常费是最便宜的，因此我们选用常规能源中的燃气锅炉来进行比较。

选用2台300 kW史密斯燃气锅炉，每台产水量5.04 t/h，每台小时燃气耗量30 m3，每台燃气锅炉价格16万元，2台总计32万元，天然气热值3.56×104kJ/m3，天然气价格3.79 元/m3，按3.5 h工作时间计，每天成本为795.9元。

一年燃气按9个月、每月20 d计，费用为14.3万元。

3 太阳能配置与消耗

3.1 太阳能集热器配置

太阳能系统的配置，首先需要确定所采用的集热器类型和面积。根据国家标准GB 50364—2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》相关公式计算，集热器采光面积理论值为364.09 m2。考虑到屋顶集热面积有限，配置集热器共159块。每组集热面积2 m2，总集热面积318 m2。系统配4台7 350 W的空气源热泵，即使在长期阴雨天气下，也可以保证26 t的60 ℃热水用水。

3.2 空气源热泵系统的额定温升计算

为了使系统在光照不足及寒冷天气的情况下满足热水需求，太阳能热水系统拟采用4台7 350 W空气源热泵，每台功率为8.57 kW，总功率为34.28 kW，为太阳能辅助加热。

根据太阳能及热泵联动节能运行方案，在保证26 t/d的用户用水需求和分时段用水特点的条件下，在学生使用热水时段之前利用太阳能充分预热水箱，缩短热泵工作运行时间，降低热泵机组耗电量，达到最大限度的节能运行。预计热泵机组工作时间为12 h。

3.3 太阳能＋空气源热泵投资费用

太阳能集热系统价格为65万元，空气源热泵价格每台5万元，共计20万元，太阳能系统＋辅助热源（空气源热泵）总价为85万元。

4 常规能源与太阳能热水系统比较

1）常规能源热气锅炉、水箱及其他配件投资费用约为45万元，一年消耗燃气费用按9个月计，约为14.3万元。

2）太阳能系统＋辅助热源（空气源热泵）总价为85万元。

3）经测算，试点学校太阳能系统年运行费用为5.43万元。

5 太阳能热水系统投资回收年限计算

1）常规能源与太阳能热水系统投资与一年运行费用如表1所示。

表1 常规能源与太阳能热水系统费用对比

2）投资回收期：两者均以使用年限15 a计，太阳能热水系统（含空气源热泵）比燃气锅炉投资增加40万元，年运行费减少了8.90万元；当学校学生每天用水量均按规范的用水量标准使用时，也即太阳能热水系统使用效率最高时，与燃气锅炉比较其投资回收期为4.5 a。

本保障房配套教育公建项目太阳能热水系统虽然一次性投资要比燃气锅炉多，但其每年节约了运行费用，理论上4.5 a即可收回投资成本。

6 太阳能热水系统投资经济效益评估

燃气锅炉与太阳能热水系统在相同使用年限15 a内，考虑每年的维护成本相同的条件下，在全寿命周期内太阳能热水系统可产生的经济效益为93.45万元。

在上海保障房配套教育公建项目中如采用太阳能热水系统，在使用周期内，1套太阳能热水系统（含空气源热泵）所产生的经济效益又可投资1套相同规模的学校的热水系统，其经济效益是相当可观的。

7 试点工程总结与建议

7.1 试点工程总结

通过对试点工程的测试，得出以下结论：

该太阳能热水系统在测试运行期间的平均集热效率为62%，平均太阳能保证率为75%。

通过试验和模拟可以看出，该太阳能热水系统的集热效率和太阳能保证率都较高，随着太阳辐照度的提高，该系统集热效率和太阳能保证率都会随之提高。室外环境温度对于系统集热效率的影响主要在于平板集热器的散热热损。

7.2 推广的价值及意义

从经济效益分析可以看到，虽然该太阳能耦合空气源热泵热水系统相较于传统的常规能源燃气锅炉系统初投资较高，但该系统的运行费用更低，节约能源。

从环保效益分析可以看到，该太阳能耦合空气源热泵热水系统相比于燃气锅炉，可有效减少燃煤用量以及碳氧化物、粉尘排放量，节能环保。

同时，该太阳能耦合空气源热泵热水系统解决了太阳能热水系统不稳定、不持续的问题，保证了用户的用水质量。

此外，该系统是独立集中分散式系统，在建筑设计时比较容易实现建筑一体化的目的。

在提倡节能环保的的背景下，太阳能耦合空气源热泵热水系统具有广阔的推广前景。需要注意的是与建筑的结合程度，在建筑设计初期应将系统设计进去，以便达到美观和实用的双重特性。

7.3 建议与意见

7.3.1  落实推广的牵头部门

低碳建筑已成为未来建筑设计施工的发展趋势和方向，作为建设行业主管部门的住房和城乡建设委员会有职责和义务对其大力推行。在舆论上大力提倡、鼓励太阳能的运用。

1）组织编制和制订太阳能热水使用规范和标准，做到有规可依、设计融合、利于施工。

2）在重点领域重点推进落实。由建设主管部门牵头落实太阳能热水系统在低密度住宅、教育、托老等项目建设中的推广运用。

3）出台太阳能热水系统的相关政策和建设流程，便于审批和验收。

7.3.2  建设资金倾斜和财政支持

太阳能作为一种储量丰富取之不尽的可再生能源，是减少常规能源消耗的有效途径，在建筑领域有广阔的发展前景。

考虑到太阳能热水建设前期投入较大，收支平衡有一个周期。一方面，建设部门须在建设预算中先期投入建设资金；另一方面，地方财政也需拿出一部分财政资金予以补贴，利于推广运用，同时也利于太阳能热水系统建设行业的良性循环和发展。

7.3.3  建设情况和新能源领域的跟踪和评估

太阳能热水系统是目前建筑节能建设方面的重要一环和一段时间的发展方向。新能源建设的快速发展将促使我们要时刻注意这一领域的新的需求内容，敏锐地捕捉并跟上新能源的发展步伐。

首先要不断加快太阳能热水系统并跟上太阳能热水系统的升级换代步伐；其次要对太阳能热水系统在设计、安装和使用过程中的问题提出解决方案并能跟踪和评估，以利于不断进步和提高。

8 结语

在目前日益紧张的能源市场，在保障房配套教育公建项目中充分合理地开发与利用太阳能资源，减少常规能源的消耗，对改善居民生活质量，促进环境可持续发展，将具有广阔的市场前景，从课题的实测数据与理论分析上也证明了其具有可观的环境保护效益与经济效益。