太阳能热水系统的节能效果评价指标研究

北京工业大学绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室  王  帝  孙育英  王  伟

       【摘  要】评价指标是引导太阳能热水系统工程应用与技术发展的重要导向工具。然而现行标准中对太阳能热水系统节能效果的评价指标主要以对集热量的考察为导向，对系统实际能耗和有效供热性能的考察不足。本文基于某太阳能热水系统实际工程，讨论了现行指标在实际评价中存在的具体问题，提出系统能耗系数ηe、太阳能利用系数ηs和系统散热系数ηhl三项新型评价指标，用于反映太阳能热水系统的能耗水平、太阳能利用水平和保温性能，并通过实际工程案例的评价阐释了各项新型指标的工程意义。本文研究是对现有太阳能热水系统评价指标的完善，通过新型节能效果评价指标的补充使评价更加客观、全面、具有对比性，以促进太阳能热水系统的高效应用。

       【关键词】太阳能热水系统；节能效果；评价指标

0 引言

       我国太阳能热利用市场发展迅速，至2016年末，太阳能集热系统在我国的保有量已达到46360万m²。太阳能热水系统是太阳能热利用的主要方式之一。然而，从对现有太阳能热水工程的调研情况来看，很多系统的节能效果不佳，运行费用偏高。以电费0.488元/（kW·h）估算，将1t水用电加热的方式使温度提升30℃所需的电费约为17元。然而根据一项对北京、广东、山东等地200位居民所做的调研，有18%的太阳能热水用户所支付的热水费用超过20元/t^{[1] [2]}。对于这些的用户来说，与单纯使用电热水器相比，太阳能热水系统并未体现出经济优势和节能。

       改善太阳能热水系统的工程应用现状首先要确立其工程评价方法。为此，我国发布了《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T 50801 2013），以下简称《标准》，分别从系统性能、节能效果、经济性、环保性四个方面对太阳能热水系统进行评价。然而，现行标准对太阳能热水系统节能效果的评价尚不完善。现有评价指标以集热量为主要评价依据^[3]，忽视了系统对输入热量的损耗问题^[4]，对系统节能效果的考察不够客观、全面。一些研究者提出太阳能热水系统节能效果的评价应以运行能耗为导向[5][6]，为评价体系的优化指明了基本方向，但评价指标的最佳表现形式仍有待讨论。

       本文为了完善太阳能热水系统节能效果的评价方法，结合某工程实际案例，深入分析现行评价指标中的问题，从而寻求更为客观、全面、适于工程应用的，以运行能耗为导向的太阳能热水系统节能效果评价方法。本文研究是对现有太阳能热水系统评价指标的补充和完善，以促进太阳能热水系统的高效应用。

1 研究案例

       本文以北京市某大学校医院的太阳能热水系统为研究案例，该医院为一栋地上五层的单栋建筑，建筑面积约3000 m²。医院24h开放，工作日早8：00至晚17：00为门诊开放时间，其他时段仅开放急诊。正常门诊开放时间内，共有约42名医务工作人员在岗，日接待患者约500人。热水用途为职工淋浴及各科室洗手盆用水，设计日用热水量5t，日耗热量630MJ。

       太阳能热水系统采用单水箱系统，内置电辅热，原理如图1所示。集热系统设置有32块微热管平板式太阳能集热器，有效采光面积59.52 m²。集热系统根据集热器出口温度与水箱温度之差自动控制集热循环启停。集热循环停止时，集热器中的水自动排空至水箱。保温水箱的有效容积为5m³。水箱内安装有3组9kW辅助电加热器，根据水箱温度自动控制启停，用于在太阳能不足时保证生活热水温度。补水为自来水，通过电磁阀自动控制启闭。补水的控制策略有两种：一是根据液位上下限自动补水，二是当水箱温度过高时补水以降低水温，从而提高系统的集热效率。用户侧通过一台定压水泵供水，并设有回水循环管。当用户侧管内温度低于设定值时，回水电磁阀自动开启，将用户侧管道内的低温热水输回水箱进行再加热。

       系统还设置有一套自动监控系统，实现对太阳能热水系统的自动控制与监测，监测点位如表1所示。系统每隔30s记录一次数据并自动保存。

       本文对该工程2017年全年的运行数据进行调研。调研周期内，系统集热循环控制温差为10℃，水箱液位控制范围为0.4~1m，水箱温度控制范围为42~50℃，用户侧回水循环设定温度为39℃。

2 太阳能热水系统实际能耗调研

       基于上述案例系统在2017年的全年运行数据，统计计算太阳能热水系统各类输入输出能量，分析系统能耗水平，为节能评价指标的计算和分析提供依据。

       2.1 计算方法

       太阳能热水系统的输入热量包括太阳能集热系统得热量Q_j与辅助热源加热量Q_f，输出热量包括用户用热量Q_y与系统散热量Q_s。根据能量守恒定律，系统的总输入热量等于总输出热量。本文所采用的各项热量计算方法如下：

       （1）太阳能集热系统得热量Q_j

       Q_j根据太阳能集热器回水温度T₃和给水温度T₄、集热循环流量Q₂计算，如式1所示.

         

       式中：C-水的比热容[MJ/(kg ·℃)]；ρ -水的密度（kg/m³）；t_a-开始时刻；t_b-结束时刻。

       （2）辅助热源加热量Q_f

       本文近似认为电加热器的耗电量与其加热量相等。因此，时间区间t_a至t_b间的辅助热源加热量Q_f的计算方法如式2所示。

       Q_f=Q_fb-Q_fa         （2）

       （3）用户用热量Q_y

       首先需要算出对应的热水使用量V_u。本文通过将某一段时间内系统的补水量Q₁及水箱液位的减少量求和得出这一段时间内的热水使用量V_u。如式3所示。

       

       式中：r—水箱底面半径（m），其值为1m。

       然后，根据V_u计算用户用热量Q_y，如式4所示。将Vu与冷热水温差、水的比热容以及热水密度相乘便可得到用热量Q_u。其中Δt为用户用热水温度与补水温度T₅之差。由于系统内用水末端数量多，位置分散，实际用户用热水温度不便于直接测量和统计。在本文中，用户用热水温度采用用户侧供水温度T₁₂与回水温度T₆的平均值进行估算。

       

       （4）系统散热量Q_s

       系统的散热几乎遍布于整个系统中，当系统内水温高于环境温度时，管道、管件、水箱无不在向外界散失热量。因此这部分热量难以直接计算。本文通过能量守恒定律，根据另外三项热量计算系统散热量Q_s，如式5。

       Q_s=Q_j+Q_f-Q_y          （5）

       2.2 能耗分析

       基于2017年运行数据和能量平衡关系，算得该系统全年集热系统得热量Q_j为109906.3MJ，辅助热源加热量Q_f为132316.3MJ，用户用热量Q_y为111232.0MJ，系统散热量Q_s为130990.6MJ，热水使用量V_u为1103.2t。各项热量值如图2所示。

       从经济性分析，电费按0.488元/（kW·h）计，可以算得该系统2017年每吨热水的成本约为16元。而将1t水用电加热的方式使温度提升30℃所需电费约为17元。可见该系统相比于常规能源系统并未体现出明显的经济优势。

       比较系统各项热量间的关系，该系统2017年全年的辅助热源加热量Q_f大于集热系统得热量Q_j，占据了输入能量的主导地位。系统散热量Q_s大于用户用热量Q_y，占系统输出热量的多数。可见，该系统对太阳能的利用水平和系统保温性能都不够理想。而这也就导致了其辅助热源加热量Q_f大于用户用热量Q_y的现象。

3 以集热量为导向的太阳能热水系统节能效果评价与问题

       在《标准》中，太阳能保证率f和常规能源替代量Q_tr是被用于评价太阳能热水系统节能效果的指标。本节对这两项指标进行简要的介绍，并结合案例工程分析其存在的问题。

       3.1 现有节能效果评价指标

       3.1.1 太阳能保证率f

       太阳能保证率f的定义为：太阳能供热水、采暖或空调系统中由太阳能供给的能量占系统总消耗能量的百分率。其计算式为：

       f=Q_j/Q_z×100          （6）

       式中：f -太阳能保证率（%）；Q_j-太阳能集热系统得热量（MJ）；Q_z-系统能耗（MJ）。

       《标准》中规定，太阳能热利用系统的太阳能保证率应符合设计文件的规定，当设计无明确规定时，应符合表2中的规定。

       《标准》还将太阳能热利用系统的太阳能保证率分为3级，1级最高，如表3。

       3.1.2 常规能源替代量Q_tr

       常规能源替代量Q_tr的计算方法如式7：

       Q_tr=Q_nj/qη_t         （7）

       式中：Q_tr-太阳能热利用系统的常规能源替代量（kgce）；Q_nj-全年太阳能集热系统得热量（MJ）；q-标准煤热值（MJ /kgce），按《标准》取q=29.307MJ/kgce；η_t-以传统能源为热源时的运行效率。

       根据能源替代量Qtr的计算方法，其含义可以理解为制备与太阳能热水系统运行期间所采集到的有效得热量同等热量所需消耗的常规能源量。《标准》中规定：太阳能热利用系统的常规能源替代量应符合项目立项可行性报告等相关文件的规定。

       3.2 节能效果评价指标实例计算

       3.2.1 太阳能保证率f

       利用公式6计算太阳能保证率，得到该系统2017年太阳能保证率f值为45.4%。根据《标准》附录B中对太阳能资源区划的规定及表2，北京属于“资源丰富区（Ⅱ）”，太阳能热水系统的太阳能保证率应大于等于50%。可见，该系统在2017年运行中的太阳能保证率接近设计值。

       3.2.2 常规能源替代量Q_tr

       根据式7通过计算可知，该系统2017年全年的常规能源替代量Q_tr为12097.3kgce，即由太阳能集热提供的热量替代了12097.3kg标准煤的消耗。《标准》中并未对该指标提供限值或评级划分标准。

       3.3 问题分析

       （1）现有指标以系统集热量的考察为主要导向，很难客观地反映系统的节能效果。

       在本文案例中，太阳能热水系统每吨热水成本约为16元，相比于估算的用电加热制热水理论上每吨17元的成本来说并无明显节能优势。而从现行指标上看，太阳能保证率为45.4%，常规能源替代量Q_tr为12097.3kgce，很难判断实际系统是否节能。

       太阳能保证率f是以集热量为导向的评价指标，仅代表由太阳能提供的热量占系统总能耗的比例。而系统能耗Q_z包含了用户用热量Q_y与系统散热量Q_s。其中，只有用户用热量Q_y才是对输入热量的有效利用量。因此，该指标并没有考察输入热量是否得到有效利用，不能客观地反映系统是否节能。

       常规能源替代量Q_tr同样是以集热量为导向的评价指标。观察式7可知其值本质上是对太阳能集热系统得热量Qj的变型，没有考察输入热量是否得到有效利用，并不能客观反映系统的节能效果。

       （2）现有指标对太阳热水系统性能的考察不够全面，难以体现系统中存在的实际问题。

       现行评价标准仅通过太阳能保证率f和常规能源替代量Q_tr两项指标考察系统节能效果，而这两项指标不涉及辅助热源加热量Q_f、用户用热量Q_y、系统散热量Q_s三项热量，无法全面地反映系统性能，难以体现系统中存在的实际问题。虽然《标准》中还包括集热系统效率η和贮热水箱热损因数U_sl两项系统性能评价指标，但前者主要反映集热系统自身的工作性能，不能反映出集热系统的集热能力对整个太阳能热水系统来说是否足够；而后者仅反映水箱的保温性能，不顾及管网，且无法反映散热对整个系统的影响程度。

       （3）现有指标缺乏横向对比性，很难进行等级评定。

       常规能源替代量Q_tr的量值仅由集热系统得热量Q_j决定，在同样的集热效率下，对于规模较大的系统，其集热器面积较大，Q_tr值自然较大；对于规模较小的系统，其集热器面积较小，Q_tr值自然较小。难以根据其值反映不同系统之间节能效果的优劣，缺乏横向对比性。

4 以能耗量为导向的太阳能热水系统节能效果评价方法

       根据以上分析，太阳能热水系统节能效果评价指标的设计应以实际能耗量为导向，并综合考察系统的能耗水平、太阳能利用水平和保温性能。同时，指标应具备横向对比性，易于进行等级评定。为了综合反应系统性能，避免各部分评价脱离系统主体，本文基于系统内各部分热量关系设计新型评价指标。

       4.1 以能耗量为导向的新型评价指标

       4.1.1 系统能耗系数η_e

       系统能耗系数η_e用于评价太阳能热水系统的节能效果。为了反映系统对输入热量有效利用的情况，该指标通过辅助热源加热量Q_f与用户用热量Q_y的关系来体现，如式8所示。

       η_e=Q_y/Q_f                 （8）

       对于分散式常规能源热水设备，η_e接近并略小于1。而对于太阳能热水系统，η_e应大于1。且其值越大说明系统节能性越好。 

       4.1.2 太阳能利用系数η_s

       当用户用热量Q_y一定，提升系统节能效果，减少辅助加热量Q_f，可采取两种途径，一是增加集热系统得热量Q_j，提升对太阳能的利用水平，二是降低系统散热量Q_s，增强系统的保温性能。太阳能利用系数ηs用来评价系统对太阳能的利用水平，计算方法见式9。

       η_s=Q_j/Q_f       （9）

       当η_s小于1时，说明由太阳能提供的热量不及系统输入热量的一半；当η_s大于1时，说明由太阳能提供的热量占系统输入热量的一半以上。η_s越大说明系统对太阳能的利用程度越高。

       4.1.3 系统散热系数η_hl

       如前所述，降低系统散热量Q_s，即提升系统的保温性能，是减少辅助加热量Q_f的途径之一。散热系数η_hl通过系统散热量Q_s与用户用热量Q_y之间的比重关系，评价系统保温性能，如式10。

       η_hl=Q_s/Q_y              （10）

       当η_hl大于1时，说明系统散热量Q_s超过系统输出能量的一半；当η_hl小于1时，说明系统散热量Q_s低于系统输出能量的一半。η_hl越小说明系统保温性能越好。

       4.2 新型评价指标的实际应用

       现以本文实测案例系统的运行数据为基础对上述三项新型指标进行计算，计算结果如表4所示。

       通过以上数据进行分析，首先，系统能耗系数η_e小于1，说明该太阳能热水系统相比于常规能源热水制备设备在节能性上并无显著优势，甚至可能比常规能源设备耗能更多，并不节能。其次，太阳能利用系数η_s未达到1，说明在系统的输入能量中辅助热源加热量高于太阳能集热系统得热量，过于依赖于辅助电加热。同时，系统散热系数η_hl大于1，说明系统散失的热量比用户用热还要多，热损严重。

       综合以上，可以了解到该太阳能热水系统相比于常规能源热水系统并不节能，违背了应用太阳能热水系统的初衷。造成系统不节能的原因包括系统太阳能利用水平不足和系统保温性能不佳两方面的原因。因此，亟待提高该系统的集热效率或有效集热面积，增强系统保温性能。

5 结论

       本文结合太阳能热水系统工程案例的运行能耗调研，对现行评价标准中太阳能热水系统的节能效果评价指标进行分析，总结出其中的不足之处如下：（1）现有指标以系统集热量的考察为主要导向，很难客观地反映系统的节能效果；（2）现有指标对太阳热水系统性能的考察不够全面，难以体现系统中存在的实际问题；（3）现有指标缺乏横向对比性，很难进行等级评定。

       为此，本文以系统实际能耗量为主要导向，并综合考虑系统集热能力与保温性能，基于系统内的热量平衡关系，提出了系统能耗系数η_e、太阳能利用系数η_s、系统散热系数η_hl三项新型评价指标。分别用以反映太阳能热水系统的能耗水平、太阳能利用水平、保温性能。并利用这些指标对实际工程案例进行了评价。

       本文所提出的新型评价指标是对现有太阳能热水系统节能评价指标的补充，结合新型评价指标可以更清晰地反映出系统是否节能、对太阳能的利用是否充分、系统保温性能是否良好这三个问题，而且其比率的形式更便于不同系统间的性能比较。

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       备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。