天津市太阳能热水系统设计中保证率取值的分析.docx

檲檲檲檲檲檲檲檲檲殘设 计 经 验天津市太阳能热水系统设计中保证率取值的分析刘建华， 刘小芳， 李旭东， 马旭升( 天津市建筑设计院，天津300074)摘 要:通过分析不同保证率设计值时逐月太阳能保证率变化及系统投资收益，探讨了天津市太阳能热水系统设计中保证率的合理取值范围，得出: 对于侧重在采暖季使用的系统，太阳能保证率设计值取 50% 60% 较为合理; 对于侧重在过渡季使用的系统，太阳能保证率设计值取 50% 70% 较为合理; 对于全年使用的系统，太阳能保证率设计值取 50% 70% 较为合理; 对于侧重在 供冷季使用的系统，太阳能保证率设计值不宜低于 55% 。另外，对于申报绿色建筑标识的项目，太 阳能热水系统设计作为参评项时，建议从全年运行角度出发，进行保证率取值的确定，然后通过审 核侧重使用期内的太阳能保证率，不断调整保证率设计值，以满足评价标准和项目用水要求。关键词:太阳能热水系统;太阳能保证率;太阳能贡献率;绿色建筑评价标准中图分类号:文献标识码:文章编号:1000 4602( 2013) 06 0033 06tu991canalysis on value selection of solar fraction in design of solar waterheating system in tianjinliu jian-hua， liu xiao-fang， li xu-dong， ma xu-sheng( tianjin architecture design institute，tianjin 300074，china)abstract:the change in monthly solar fraction with different design values and the system invest-ment return were analyzed，and the reasonable range of solar fraction in the design of solar water heatingsystem in tianjin was discussed for the solar water heating system used mainly in the heating period， the reasonable range of solar fraction was from 50% to 60% for the solar water heating system used mainly in the transition period，the reasonable range of solar fraction was from 50% to 70% for the so- lar hot water heating system used throughout the year，the reasonable range of solar fraction was from50% to 70% for the solar water heating system used mainly in the cooling period，the solar fraction should not be less than 55% in addition，for a project applying the green building mark，when the solar water heating system was chosen as an evaluation index，the solar fraction of the system should be deter- mined firstly for the whole year，and then be adjusted to meet the requirements of evaluation standard and project for waterkey words:solar water heating system;solar fraction;solar contribution ratio;green build-ing evaluation standard太阳能热水系统是一项重要的可再生能源利用技术，我国 2005 年 颁 布 的可 再 生 能 源 法明 确 提 出鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统。2007 年 4 月，国家发展和改革委 员会下 发 了推 进 全国太阳能热利用工作实施方 33檲檲殘檲檲殘中 国 给 水 排 水第 29 卷 第 6 期www watergasheat com案，也提出我国即将制定太阳能热水器的强制安 装政策。随后，我国多个省市颁布实施了进一步推 广利用太阳能热水器的政策，要求对太阳能热水器 实行强制安装，其中大多数要求在 12 层以下的居住 建筑上必须安装太阳能热水系统。天津市是我国太阳能资源较丰富的地区之一， 年辐照 量 为 5 600 6 000 mj / m2 ，年 日 照 时 数 为2 600 3 000 h。无论是国家绿色建筑评价标准，还 是天津市绿色建筑评价标准，以及中新天津生态城 绿色建筑评价标准都对太阳能热水系统的应用提出 了要求。太阳能热水系统的应用已成为天津市可再 生能源建筑规模化应用的重要方向。太阳能热水系统主要由太阳能集热系统和热水 供应系统构成，包括太阳能集热器、贮水箱、循环管 道、控制系统、热交换器和水泵等设备与附件。太阳 能集热系统是太阳能热水系统特有的组成部分，是 太阳能是否得到合理利用的关键。目前，国内外对 于太阳能热水系统的研究重 点在于建筑一体化设 计、集热器性能研究、系统形式等，很少关注设计阶 段系统计算参数的取值。太阳能保证率是确定所需太阳能集热器总面积 的一个关键因素，它是指在一定时间段内太阳能热 水系统中太阳能可以提供的热量占系统总耗热量的 百分比。在通常情况下，由于阴、雨、雪天气的存在， 全年太阳能保证率不可能大于 1，但是对于某 个 较 短的时段而言，太阳能保证率有可能大于 1，即太阳 能可以提供的热量可以超出系统的总耗热量。在设 计阶段太阳能保证率是实现太阳能贡献率的重要参 数，所谓太阳能贡献率是指太阳能热水系统中由太 阳能实际提供的热量占系统总耗热量的百分比，太 阳能贡献率不能大于 1。规范要求在设计中太阳能保证率取值为 30% 80% ，天津市属于太阳能资源较富区，保证率宜大于 50% 。而实际 选 用 的太阳能保证率与用户的用 水规律、系统成本和开发商的预期投资规模等因素 有关。因此，笔者对天津市太阳能热水系统设计中，当 保证率设计值为 50% 、55% 、60% 、65% 、70% 、75% 和 80% 时，不同使用期的热水系统的逐月太阳能保 证率进行了分析，旨在确定合理的保证率取值，最大 限度地利用太阳能，避免造成开发商一次投资过大 和太阳能热水资源的浪费; 另外，针对绿色建筑评价 标准对太阳能热水系统设计的要求，确定保证率合 理取值的方法。基础公式及参数1集热器面积计算公式1 直接系统集热器面积 ac1. 1qw c w ( tend ti ) f=( 1)acjt cd ( 1 l )2式中 ac 直接系统集热器总面积，mqw 日均用水量，kgtend 热水温度，cw 水的定压比热容，4 187 kj / ( kg )ti 水的初始温度，jt 集热器采光面上的年均日太阳辐照量或月平均日太阳辐照量，kj / m2 f太阳能保证率，% cd 集热器的年均集热效率，% l 管路及储水箱热损失率，%在式( 1) 中，日均用水量与生活水平、生活习惯 和热水用途有关，在计算中可参照相关规范和当地 的调 研数据进行确定。在建筑给水排水设计规 范中，用水定 额 一 般 是 以 60 为基准进行取值， 因此热水温度一般取 60 。天津市倾角等于当地纬度的倾斜表面上的太阳 总辐射月平均日辐照量数据参见表 12。表 1 倾斜表面的月平均日辐照量tab 1 average daily radiation quantity every month with inclined planekjm 2 d 1所积累的经验而选取的，都能基本满足实际系统设计的要求。 间接系统集热器面积 ain集热器年均集热效率和管路及储水箱热损失率由产品性能、系统形式、保温情况以及环境温度等因 素决定，在计算中一般取经 验 值，集 热 效 率 取 0 25 0 50，管路及贮水箱热损失率取 0 20 0 30。以 上经验取值都是根据我国长期使用太阳能热水系统fr ul acain = ac ( 1 +)( 2)u ahxhx34月份123456789101112辐照量16 09019 76418 13918 02817 84616 94814 83415 39517 50116 90315 49414 865www watergasheat com刘建华，等: 天津市太阳能热水系统设计中保证率取值的分析第 29 卷 第 6 期2式中 ain 间接系统集热器总面积，m时，9 月份太阳能保证率接近 100% ; 当保 证 率 设 计值为 65% 时，6 月 和 9 月的太阳能保 证 率 均 大 于100% ; 当保证率设计值为 80% 时，4 月、6 月、7 月、8 月和 9 月的 太阳能保证率均超过了 100% ，会 造 成 太阳能热水的浪费。2fr ul 集热器总热损系数，w / ( m )2uhx 换热器传热系数，w / ( m )2ahx 换热器换热面积，m间接系统的换热器内外存在传热温差，在获得相同温度的热水情况下，间接系统比直接系统的集 热器运行温度稍高，造成集热器效率略降低。在方 案设 计 阶 段 可 按 ain = ( 1 01 1 03 ) ac 进 行 估算3。1. 2基础参数相关资料中将太阳能热水系统按照使用期分为全年使用系统，侧重春、夏、秋季使用系统和侧重冬季使用的系统。由于夏季和春、秋季的气象数据有 很大差异，因此本文将太阳能热水系统分为侧重采 暖季使用的系统、侧重过渡季使用的系统、侧重供冷 季使用的系统和全年使用的系统。采暖季为 11 月16 日3 月 15 日，供冷季为 6 月 1 日9 月 30 日， 过渡季为 3 月 16 日5 月 31 日、10 月 1 日11 月15 日。因太阳能热水系统的使用是在一个时间段内， 故集热器面积计算参数取时间段内的平均值更符合 实际使用要求。分析中选取的参数如下: 日均热水 量为 1 m3 ; 热水温度为 60 ; 水的初始温度采暖季 为 4 、过渡季为 12 、供冷季为 22 、全年为 12 ; 天津地区月平均日太阳能辐照量采暖季为 16 870 4 kj / m2 、过渡季 为 17 282 kj / m2 、供 冷 季 为16 169 5 kj / m2 、全年为 16 817 kj / m2 ; 集 热 器 的 年 均集 热 效 率 为 50% ; 管 路 及 贮水箱热损失率为 20% ; 系统类型为间接系统; ain = 1 03ac ; 集热器安 装方位为正南向，倾角近似于天津市纬度 3906。2 结果分析图 1 侧重采暖季使用热水系统逐月太阳能保证率变化fig 1 change of monthly solar heat fraction in solar water heating system mainly used in heating period同时对不同保证率下 太阳能热水系统的经济 效益和节能环保效益进行了分析，具体结果如 表 2 所示。表 2 侧重采暖季使用热水系统的效益分析tab 2cost-benefit analysis of solar water heating systemmainly used in heating period2. 1侧重采暖季使用系统的太阳能保证率取值采暖季各气象参数均不利于太阳能热水系统的使用，对于相同的集热器面积，太阳能在采暖季的保证率会低于过渡季和供冷季的保证率。如果以采暖 季的气象参数进行设计，则当保证率设计值达到一 定值后，可能会造成其他使用期内太阳能热水的过 剩。为此 分析了当采暖季保证率设计值为 50% 、55% 、60% 、65% 、70% 、75% 和 80% 时 全 年 逐 月 的 保证率变化 ( 见 图 1 ) 。由 图 1 可 知: 9 月 份 的 太 阳 能保证率最高。当保证率设计值为 50% 时，逐月太 阳能保证 率 均 低 于 85% ; 当保证率设计值为 60%综合分析图 1 和表 2 可得，对于侧重在采暖季使用的系统，太阳能保证率设计值取 50% 60% 较 为合理，不仅具有一定的节能减排效果，而且不会造35保证率/ %50556065707580集热器计 算面积 / m221 423 525 727 829 932 134 2年太阳能 保证率/ %61 167 273 479 585 691 797 8年太阳能 贡献率/ %61 167 273 378 582 886 690 0年节能 量 / mj43 99948 39952 75656 47859 56462 32564 778年二氧化 碳减排 量 / kg3 9344 3274 7175 0505 3265 5735 792静态回收 期 / a4 84 84 85 05 55 55 5注: 集热器按照 1 500 元 / m2 计。中 国 给 水 排 水第 29 卷 第 6 期www watergasheat com成太 阳能热水的浪 费。 保 证 率 设 计 值 为 60%表 3 侧重过渡季使用的热水系统的效益分析tab 3cost-benefit analysis of solar water heating systemmainly used in transition period80% ( 不 包 括 60% ) 时，虽然可在寿命期内收回成 本，并且具有较大的节能减排效果，但是会增大开发 商的初始投资，造成太阳能热水的浪费，不利于延长 系统的使用寿命; 且由于计算过程采用的是月平均 参数，计算结果也是月平均值，所以在实际使用过程 中供冷季的热水过剩现象将更严重; 另外，由天津市 的气象条件决 定，实际年保证率很难达到 80% ，因 此不建议将 60% 80% ( 不包括 60% ) 作为保证率 设计值。2. 2 侧重过渡季使用系统的太阳能保证率取值过渡季的各气象参数介于采暖季和供冷季之 间，如果以过渡季的气象参数和保证率进行太阳能 热水系统的设计，当保证率达到一定值后，可能会造 成供冷季太阳能热水的过剩。分析了当过渡季保证 率设 计 值 为 50% 、55% 、60% 、65% 、70% 、75% 和80% 时全年逐月的保证率变化( 见图 2) 。同时对不 同保证率下太阳能热水系统的经济效益和节能环保效益进行了分析( 见表 3) 。从图 2 可以看出: 9 月份的太阳能保证率最高。 当保证率设计值为 50% 时，逐月太阳能保证率均低 于 75% ; 当保证率设计值为 70% 时，逐 月 太 阳 能 保 证率均低于 100% ，9 月份太阳能保证率为 98 5% ; 当保证率设计值为 75% 时，6 月和 9 月的太阳能保 证率 均 大 于 100% ; 当 保 证 率 设 计 值 为 80% 时，6 月、8 月和 9 月的太阳能保证率均超过了 100% ，会 造成太阳能热水的浪费。综合分析表明，对于侧重在过渡季使用的系统，太阳能保证率设计值取 50% 70% 较为合理，不仅 具有一定的节能减排效果，而且不会造成太阳能热 水的过度浪费。当保证率设计值为 70% 80% ( 不 包括 70% ) 时，虽然在寿命期内可收回成本，且具有 较大节能减排效果，但是会增大开发商的初始投资， 造成太阳能热水的浪费，不利于延长系统的使用寿 命。且由于计算过程采用的是月平均参数，计算结 果也是月平均值，所以在实际使用过程中供冷季的 热水过剩现象将更严重; 因此不建议将 70% 80%( 不包括 70% ) 作为保证率设计值。2. 3 侧重供冷季使用系统的太阳能保证率取值供冷季的水温、气温等气象参数均有利于太阳 能热水系统的应用，如果以供冷季的气象参数和保 证率进行太阳能热水系统的设计，当保证率低于一 定值后，可能会造成采暖季和过渡季不能很好地利 用太阳能。分析了当供冷季保证率设计值为 50% 、55% 、60% 、65% 、70% 、75% 和 80% 时 全 年 逐 月 的 保证率变化，具体结果如图 3 所示。同时对不同保 证率设计值下太阳能热水系统的经济效益和节能环 保效益进行了分析，具体结果如表 4 所示。分析表 明: 当保证率设计值为 50% 和 55% 时，年 太 阳 能 保 证率均低于 50% ，且采暖季的逐月太阳能保证率较 低，未达到对太阳能的有效利用。因此，对于侧重在 供冷季使用的系统，太阳能保证率设计值不宜低于55% 。图 2 侧重过渡季使用热水系统逐月太阳能保证率变化fig 2 change of monthly solar heat fraction in solar water heating system mainly used in transition period36保证率/ %50556065707580集热器计 算面积 / m217 919 721 523 325 126 828 6年太阳能 保证率/ %51 156 361 466 571 676 781 8年太阳能 贡献率/ %51 156 361 466 571 676 280 2年节能 量 / mj36 81540 49744 17847 86051 54154 85557 750年二氧化 碳减排 量 / kg3 2923 6213 9504 2794 6094 9055 164静态回收 期 / a4 84 84 84 84 85 05 5注: 集热器按照 1 500 元 / m2 计。www watergasheat com刘建华，等: 天津市太阳能热水系统设计中保证率取值的分析第 29 卷 第 6 期100% ，造成了太阳能热水的浪费。图 3 侧重供冷季使用热水系统逐月太阳能保证率变化fig 3 change of monthly solar heat fraction in solar water heating system mainly used in cooling period表 4 侧重供冷季使用的热水系统的效益分析图 4fig 4全年使用的热水系统逐月太阳能保证率变化change of monthly solar heat fraction in solar water heating system used throughout a year表 5 全年使用的热水系统的效益分析cost-benefit analysis of solar water heating system used throughout a yeartab 4cost-benefit analysis of solar water heating systemmainly used in cooling periodtab 52. 4全年使用的系统太阳能保证率取值分析在实际使用过程中，注重全年使用的太阳能热综合分析图 4 和表 5 可以看出，对于注重全年使用的太阳能系统，太阳能保证率设计值取 50% 70% 较为合理，这样不仅具有一定的节能减排效果， 而且不会造成太阳能热水的过度浪费。当保证率设 计值为 70% 80% ( 不 包 括 70% ) 时，虽 然 在 寿 命 期内可收回成本，而且具有较大的节能减排效果，但 是会增大开发商的初始投资，造成太阳能热水的浪 费，尤其是供冷季的热水过剩现象将更严重，因此不 建议将 70% 80% ( 不包括 70% ) 作为保证率设计 值。水系统占绝大多数。分析了保证率设计值为 50% 、55% 、60% 、65% 、70% 、75% 和 80% 时 全 年 逐 月 的 保证率变化( 见图 4 ) ，同时对不同保证率设计值下 太阳能热水系统的经济效益和节能环保效益进行了 分析( 见表 5 ) 。从 图 4 可 以 看 出: 9 月 份 的 太 阳 能 保证率最高。当保证率设计值为 50% 时，逐月太阳 能保证率均低于 75% ; 当保证率设计值为 70% 时，9 月份太阳能 保 证 率 接 近 100% ; 当保证率设计值为 75% 时，6 月 和 9 月的太阳能保证率均超过了 37保证率/ %50556065707580集热器计 算面积 / m218 420 222 123 925 727 629 4年太阳能 保证率/ %52 657 863 168 373 678 884 1年太阳能 贡献率/ %52 657 863 168 373 578 081 8年节能 量 / mj37 83341 61645 39949 18252 90856 10958 868年二氧化 碳减排 量 / kg3 3833 7214 0594 3984 7315 0175 264静态回收 期 / a4 84 84 84 84 85 05 5注: 集热器按照 1 500 元 / m2 计。保证率/ %50556065707580集热器计 算面积 / m215 116 718 219 721 222 724 2年太阳能 保证率/ %43 347 651 956 360 664 969 2年太阳能 贡献率/ %43 347 651 956 360 664 969 2年节能 量 / mj31 15134 26637 38140 49643 61146 72649 841年二氧化 碳减排 量 / kg2 7853 0643 3423 6213 8994 1784 457静态回收 期 / a4 84 84 84 84 84 84 8注: 集热器按照 1 500 元 / m2 计。中 国 给 水 排 水第 29 卷 第 6 期www watergasheat com2. 5 基于绿色建筑评价标准的保证率取值分析证率设计值取 50% 60% 较为合理; 对于侧重在过渡季使用 的 系 统，太阳能保证率设计值取 50%2. 5. 1绿色建筑评价标准对设计的要求 绿色建筑评价标准 ( gb / t2006)第 5 2 18 条，根据当地气候和自然资源条件， 充分利用太阳能、地热能等可再生能源，可再生能源 产生的热水量不低于建筑生活热水消耗量的 10% ， 或可再生能源发电 量不低于建筑用电量的 2% 。 ( 优选项) 天津市绿色建筑评价标准( db / t 292042010)第 5 2 15 条，太阳能等可再生能源产生的热水 量满足建筑生活热水消耗量的 25% 。( 一般项)第 5 2 17 条，可再生能源产生热水占建筑生活 热水消耗量的 50% 60% 。( 优选项) 中新天津生态城绿 色建筑评价标准( j114682009)第 5 2 7 条，太阳能等可再生能源产生的热水 量满足建筑生活热水消耗量的 25% 。( 控制项)第 5 2 12 条，可再生能源产生的热水量不低于 建筑生活热水消耗量的 70% ，得 20 分; 可再生能源 产生的热水量不低于建筑