太阳能热水系统的性能分析

丁力勤，马超

（1.宁夏建设职业技术学院，银川750000；2.北方民族大学，银川750000）

1 引言

太阳能是指太阳的热辐射能[1]。随着化石燃料等不可再生能源的数量日趋减少，同时世界各国对环保问题越来越重视，太阳能和地热能作为可再生能源和清洁能源，逐渐成为人们使用能源的组成部分，并不断得到发展。目前，太阳能的利用有光热转换和光电转换[2]两种方式。

太阳能热水系统[3]是一种将光转换成热的装置，即通过集热器吸收太阳能，转换成的热量存储到水箱中，提供所需的生产或生活热水。一般，太阳能热水系统按照动态流动方式可分为循环式和直流式。而循环式又可以按照循环动力分为自然循环和强制循环两种。自然循环式[4]太阳能热水系统是依靠集热器和水箱内流体的温差形成热虹吸压头，使系统中的水循环流动。强制循环式[5]是在集热器系统中添加了水泵，泵提供系统中水循环的动力。而直流式太阳能热水系统是指集热器吸收太阳辐射后内部水温升高，系统中则形成热虹吸压头，热水通过上升管流入水箱中，补给水箱中的冷水后自动下降进入集热器，实现水的循环流动。

2 太阳能热水系统的搭建

太阳能热水系统主要由太阳能集热器、循环水泵、存储水箱以及控制系统等组成。在已建立的太阳能-土壤源热泵复合式系统中，太阳能集热系统只有在供暖季节使用，非供暖期则停止运行，这样就会降低系统整体的经济性能，延长投资回收期。论文提出在复合式系统的基础上非供暖期太阳能集热系统供应生产或生活热水的方案，这样不仅可以最大限度利用太阳能这种清洁能源，减少化石燃料的使用，而且能够提高复合式系统的经济性和节能环保效益，实现一举两得的效果。

太阳能热水系统搭建初期，需要确定与热水密切相关的几个参数，即设计冷水初温、设计热水温度、设计日用水量和设计小时用水量。根据《建筑给水排水设计规范》，设计冷水温度应该以当地最冷月平均水温资料确定，此处冷水温度取4℃。

假设办公建筑中人员数量为5～7m2/人计算，大概估算人数为220 人。根据《办公室建筑设计规范》及《建筑给水排水设计规范》，可确定热水系统的设计小时用水量及设计热水温度，如表1 所示。

表1 办公建筑的设计日用水量及水温

对于设计小时热水用量，由于工作时间为早八点到晚六点，考虑到中午和晚上的滞留人员和加班人员，按照一定比例估算所需要的生活热水量及设计小时热水用量，表2 为不同时间段热水用量和设计小时热水用量的情况。

表2 热水用量时间变化情况

在太阳能-土壤源热泵复合式系统的基础之上，建立太阳能热水系统，为建筑提供非供暖期所需的生产或生活热水量，系统图如图1 所示。

图1 太阳能热水系统示意图

3 室外气象参数

太阳能热水系统模型中，需从外部导入建筑物所在地的气象数据。本文中选取的建筑物所在地的地理位置为北纬33°39′～34°45′，东经107°40′～109°49′。利用Trnsys 瞬时动态模拟软件[6]模拟了当地环境温度、水平面太阳能日辐射量及太阳日总辐射变化情况。易知，当地的太阳能年辐射总量水平约为4574MJ·m-2·a-1，太阳能年均日辐射量12.53MJ·m-2。

4 太阳能热水系统的性能分析

由于太阳能集热系统在供暖期需要给建筑提供热量，所以使用太阳能集热系统供热水的时间是有要求的，即在非供暖期才可以使用，计算可知，通过太阳能集热系统提供热水的天数为245 天。利用太阳能集热系统后，建筑的年节能量达到123798.96MJ。相比于用煤、天然气等常规的生产热水方式，使用太阳能集热系统生产热水时可以不同程度地节约燃料，最大限度地开发利用太阳能这种可再生清洁能源，年节约费用和系统寿命期内节约费用具体如表3 所示。

表3 太阳能热水系统的节能费用比较

太阳能热水系统通过收集太阳能提供热量，因不使用常规能源而减少了向环境排放的污染物，体现了其明显的环保优势。太阳能-土壤源热泵复合式系统在非供暖期利用太阳能集热系统生产生活热水的方式相比于用煤生产热水方式而言，系统寿命期二氧化碳排放量减少了374841.01kg。

5 结论

利用太阳能-土壤源热泵复合式系统搭建太阳能热水系统，在非供暖期为建筑物提供热水。此种热水供应方式与用煤生产热水供应方式相比，不仅能够节约能源，减少运行费用，还能降低二氧化碳排放量，具有较好的经济性和环保性。