（数学专业论文）太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究.pdf

p?， 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 摘要 内容摘要：太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用， 又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人 类进入一个节约能源减少污染的时代。近十年来，发达国家在以太阳能为主的可 再生清洁能源用于建筑领域的技术开发己进入实际工程应用阶段。以太阳能为代 表的可再生能源在建筑中的应用引起我国政府的高度重视，要求建筑行业开展节 能省地型住宅的研究与建设。2 0 0 5 年初讨论通过了中国第一部可再生能源法， 并于2 0 0 6 年1 月1 日颁布实施，以立法的方式保证了可再生能源在建筑中的应用。 同时大力提倡建设节约型社会，加大环境保护、节约能源的宣传，在居民中建立 起节能、环保的新生活理念。在国家营造的节能、环保大背景下，建筑行业开始 探索以太阳能利用作为解决居民生活用能日益增高问题的新途径。 据统计，生活热水的总负荷占到建筑总能耗的1 0 一2 0 ，通过太阳能光热 利用技术为住户提供质优价廉的生活热水，不仅有效地减少了常规能源的消耗量， 改善居民的生活条件，而且将会为中国和世界经济、社会和环境等方面的可持续 发展作出巨大的贡献。太阳能热水系统在日常生活热水的地位，可以说是日趋重 要。因为其在经济方面、环境方面有着明显的优势，而且目前政府也下大力度支 持太阳能热水系统的推广，所以太阳能热水系统必将取代传统的电加热、燃气加 热的热水器走进千家万户。 本文借鉴并参考国内外太阳能应用资料、国内主要太阳能热水器生产企业资 料以及对在沈阳开展的3 3 6 户住户和1 2 2 名行人中热水使用实态调查，对调研结 果进行分析研究。对小区太阳能热水系统的供水成本价格建立了模型分析，指出 小区太阳能推广缓慢的原因，目前最大的障碍是太阳能热水系统的热水价格偏高， 影响居民使用热水的积极性，从而造成恶性循环，提高了热水成本价格。提出合 理化建议改善供水和用水双方的供求关系，以达到利润平衡的预期。最后以沈阳 市城建乾元小区为例，给出了太阳能热水系统小区一体化建设的可行性分析报告。 关键词：小区太阳能热水价格 a b s t r a c t c o n t e n t ：t h es o l a ri sp r i m a r ye n e r g ya n dr e n e w a b l e i ti sf r e e ，n ot r a n s p o r t a t i o n ，r i c hi n n a t u r a lr e s o u r c e sa n dh a s n tp o l l u t i o nf o re n v i r o n m e n t i tp r o v i d ean e wl i f e s t y l ef o r p e o p l e ，a n dan e wp e r i o dt oc o n s e r v ee n e r g ya n dr e d u c ep o l l u t i o nf o rh u m a ns o c i e t y r e n c e n t l yd e c a d e ，t h ed e v e l o p e dc o u n t r yh a se n t e r e da p p l i c a t i o np h a s ei nt h ea p p l i a n c e s o l a rt 0t h ec o n s t r u c t i o ns e c t o r t h i sa l s oc a u s eo u rc o u n t r y sa t t e n t i o n ，i tr e q u e s t st h e c o n s t r u c t i o ns e c t o rt os a v i n ge n e r g y i sd i s c u s s e da n d a d o p t e di ne a r l y2 0 0 5 ，a n di ti sp r o m u l g a t e df r o mj a n u a r y1 ，2 0 0 6 ，w h i c hw a r r a n t st h e a p p l i c a t i o no fr e n e w a b l ee n e r g yw i t ht h ew a y o fl e g i s l a t i v e t h es a m e t i m e si ta d v o c a t e s s t r o n g l y t oc o n s t r u c ts a v i n gs o c i e t y ，i n t e n s i f i e s t h e p u b l i c i t yo f e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a n ds a v i n ge n e r g y ，s e t n e wl i f e p h i l o s o p h y o f s a v i n ge n e r g y a n d e n v i r o n m e n t a l i nt h i sb a c k g r o u n d ，t h ec o n s t r u c t i o ns e c t o rb e g i nt oe x p l o r en e ww a y o f h o wt oc o n t e n tt h ei n c r e a s i n ge n e r g yd e m a n do fp e o p l ew i t ht h es o l a r a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c s d o m e s t i ch o tw a t e r 7 se n e r g yi s 1o _ 2 0 t ot o t a l c o n s t r u c t i o ne n e r g y i te i t h e r r e d u c e dt h e c o n s u m p t i o n o fc o n v e n t i o n a le n e r g y ， i m p r o v e dl i v i n gc o n d i t i o n s ，o rm a d e t r e m e n d o u sc o n t r i b u t i o nt ot h ew o r l di ne c o n o m i c ， s o c i a la n de n v i r o n m e n t i ti si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n to fs o l a ri nd a i l yh o tw a t e r b e c a u s e t h i s ，s o l a rh o tw a t e rs y s t e mm u s ts u b s t i t u t et h eh e a t e ro f e l e c t r i ca n dg a s t h ea r t i c l er e f e r e n c et h ed a t ao fs o l a ra p p l i a n c ea th o m ea n da b r o a da n ds o l a r e n t e r p r i s e ，i n v e s t i g a t e3 3 6 r e s i d e n t sa n d1 2 2p e d e s t r i a n s ，a n a l y s et h eq u e s t i o n n a i r e w e b u i l dt h em o d e lo ft h ep r i c ei nc o m m u n i t y sh o tw a t e rs u p p l y ，f i n dt h ec a u s eo fs o l a r p r o m o t i o ns l o w l y w h i c hi st h el l i g hp r i c e ，i ta l s or e d u c et h ee n t h u s i a s mo fh o tw a t e r s u s e , w h i c hm a d et h ev i c i o u sc i r c l e t h ea r t i c l ep r o p o s e ds u g g e s t i o nh o w t oi m p r o v et h e s u p p l y d e m a n dr e l a t i o n s h i p i nw a t e rf o rb a l a n c ep r o f i t i nt h el a s t ，t h ea r t i c l em a d e c h e n g j i a n q i a n y u a nc o m m u n i t yf o re x a m p l e ，p r o p o s e df e a s i b i l i t ya n a l y s i so f s o l a rh o t w a t e rs y s t e mi nc o m m u n i t yi n t e g r a t i o n k e yw o r d s ：c o m m u n i t y ；s o l a r ；t h ep r i c e o fh o tw a t e r 2 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 舢l i l l i i i l l l | l l l l 删l i i i l l y 1 8 01 ，3 3 目录 引言5 1 国外太阳能热水系统的使用情况5 2 我国国家政策要求以太阳能作为建筑的新能源5 3 本文研究内容6 第一章背景7 1 1 我国一次能源紧缺，太阳能资源丰富7 1 2 使用太阳能热水的节能效果9 1 3 太阳能热水器产业的快速发展，为推广住宅太阳能热水系统奠定了坚实的 产品基础9 1 3 1 太阳能热水技术现状9 1 3 2 太阳能热水器产业日趋完善1 1 1 3 3 产品的性能不断提高1 1 1 3 4 产品的市场份额增大1 2 1 4 居民的用热水习惯分析1 3 1 4 1 居民的热水用量1 3 1 4 2 居民使用的热水器具15 1 4 3 居民每天洗浴时段16 1 4 4 热水供应温度16 1 4 5 居民洗浴次数1 6 1 5 与其他热源经济效益比较。1 7 1 5 1 计算太阳、电、燃气热水器每次淋浴的加热费用1 7 1 5 2 以太阳能作为热源具有明显的经济性1 7 1 6 以太阳能作为热源符合规范要求1 9 1 7 太阳能可以成为稳定的热源1 9 第二章效益分析。2 1 2 1 各种热水器的淋浴费用比较2 1 2 1 1 使用太阳能热水器每次淋浴的加热费用：0 4 9 元2 1 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 2 2 2 使用燃气热水器每次淋浴的加热费用：0 8 3 元2 2 2 1 3 使用电热水器每次淋浴的加热费用：1 2 1 元2 2 2 2 太阳能热水器投资回收年限估算2 3 2 2 1 太阳能热水器年节约能源量2 3 2 2 2 太阳能热水器年节约运行费2 3 2 2 3 增加投资的回收年限2 3 第三章住宅太阳能热水系统整合设计综述2 4 3 1 住宅太阳能热水系统整合设计研究背景2 4 3 2 住宅建筑太阳能热水系统工程整合设计原则2 6 3 3 住宅太阳能热水系统整合设计的困境2 7 第四章中央太阳能热水系统供水价格问题的提出2 8 4 1 中央太阳能热水系统供水价格的分析模型2 8 4 1 1 分析模型2 8 4 1 2 可以采用季节性水价3 3 4 1 3 观念、成本等原因困扰着国人的热水使用3 4 4 2 小区太阳能热水系统的其他优势3 5 第五章实例报告分析3 6 5 1 小区环境及基本自然条件3 6 5 2 小区太阳能热水系统安装方案3 6 5 2 1 方案一_ 3 6 5 2 2 方案二3 7 5 3 合理定价方案3 7 第六章结论及展望4 0 4 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 引言 1 国外太阳能热水系统的使用情况 全球1 0 0 。c 以下低温热能的消耗占总能耗的一半以上，而把煤炭、天然气等一 次能源和电能等二次能源降级使用，在转换过程中损失又太大。自从人们将太阳 能作为“近期急需的补充能源”和“未来能源结构的基础 以来，就积极探求太 阳能在建筑中的应用，并得到了各国政府的重视和扶植。日本1 9 7 4 年就制定了“阳 光计划”；1 9 9 7 年美国、德国分别启动了“百万太阳能屋顶计划”；丹麦由欧共 体能源计划支持的赫尔弗a c s l c r 项目以及日本东京都住宅公团支持的太阳城计划 等等。虽然规模和侧重点不尽相同，但都涵盖了太阳能建筑应用这个范畴，已经 建成了多项太阳能利用技术集成的低能耗建筑示范。目前，已经或正在建立太阳 能建筑应用研究的国家和地区包括意大利、西班牙、德国、美国、日本、韩国、 新加坡和我国香港等。 近十年来，发达国家在以太阳能为主的可再生清洁能源用于建筑领域的技术 开发己进入实际工程应用阶段。在太阳能热利用方面，太阳能热水器应用技术最 成熟，市场化进程最快。许多国家的使用比例己非常之高，比如日本和以色列的 太阳能热水器用户比例分别为2 0 和8 0 。以德国为代表的欧洲国家早在2 0 世 纪8 0 年代就已经开始在工程中应用集畔太阳能采暖和供热水技术。在一些住宅小 区中，将大型太阳能加热系统与社区热力网相连接，通过增大系统的规格，实现 系统性能的提高及成本的降低。 2 我国国家政策要求以太阳能作为建筑的新能源 以太阳能为代表的可再生能源在建筑中的应用引起我国政府的高度重视，要 求建筑行业开展节能省地型住宅的研究与建设。2 0 0 5 年初讨论通过了中国第一部 可再生能源法，并于2 0 0 6 年1 月1 日颁布实施，以立法的方式保证了可再生 能源在建筑中的应用。同时大力提倡建设节约型社会，加大环境保护、节约能源 的宣传，在居民中建立起节能、环保的新生活理念。 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 在国家营造的节能、环保大背景下，建筑行业开始探索以太阳能利用作为解 决居民生活用能日益增高问题的新途径。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为 其总辐射能量的2 2 亿分之一，但已高达1 7 3 0 0 0 t w ，也就是说太阳每秒钟照射到地 球上的能量就相当于5 0 0 万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和 生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳，即使是地球上的化石燃料( 如煤、石 油、天然气等) 从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能 所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的 直接转换。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用， 又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人 类进入一个节约能源减少污染的时代。 3 本文研究内容 据统计，生活热水的总负荷占到建筑总能耗的1 0 一2 0 ，通过太阳能光热 利用技术为住户提供质优价廉的生活热水，不仅有效地减少了常规能源的消耗量， 改善居民的生活条件，而且将会为中国和世界经济、社会和环境等方面的可持续 发展作出巨大的贡献。 本文借鉴并参考国内外太阳能应用资料、国内主要太阳能热水器生产企业资 料以及对在沈阳开展的3 3 6 户住户和1 2 2 名行人中热水使用实态调查，对调研结 果进行分析研究。给出小区太阳能热水成本价格的组成情况，并提出降低成本的 办法。同时以沈阳市城建乾元小区( 以下简称为小区) 为例，给出了太阳能热水 系统小区一体化建设的可行性分析报告。 6 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 第一章背景 太阳能是一种低密度、间歇性的能源，受气候条件、日照情况的影响较大， 能否为生活热水提供充足的热源，是太阳能在住宅热水供给中必须研究的首要问 题。 1 1 我国一次能源紧缺，太阳能资源丰富 随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，对能源的需求量日益高涨， 能源紧缺与居民生活舒适度提高的矛盾日益凸现，在使用生活热水方面尤为突出。 在城市中，使用热水已经从单纯的清洁作用增进为健身、美容等等，越来越多的 家庭安装了浴缸，并在家进行香芬浴、泡泡浴、药浴，洗澡已经逐步成为一种生 活享受。此外，住宅中洗涤、洗脸、洗衣等用热水量也在增加。在广大的农村地 区，经济的发展和收入水平的提高，加快了城市化的进程，人们对生活热水的需 求也有了不同程度的提高。“如果我国2 5 家庭用电热水器提供热水，其用电量 将是目前两个三峡工程的装机容量，如果用燃气热水器，仅管道投资约高达2 6 0 0 亿元。”解决居民生活热水的供应问题对日趋紧张的能源供应提出了新的挑战。 而太阳能作为一种新能源，在解决世界性能源危机方面具有重要的意义。它与常 规能源相比具有三大特点：第一，它是人类可以利用的最丰富的能源。据估计， 在过去漫长的1 1 亿年中，太阳消耗了它本身能量的2 。今后足以供给地球人类， 使用几十亿年，真是取之不尽，用之不竭。第二，地球上，无论何处都有太阳能， 可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地 区更具有利用的价值。第三，太阳能是一种洁净的能源。在开发利用时，不会产 生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡，绝对不会造成污染和 公害。 我国一次性能源的状况是“多煤少油缺气”，人均能源资源占有量不到世界 平均水平的一半。我国具有丰富的太阳能资源，年日照时数在2 2 0 0 小时以上地区 约占国土面积的2 3 以上。口1 太阳能资源分布的特点是西部多于东部，南部大部 分地区少于北部。图卜1 表明了我国主要地区的太阳能资源状况。从图中可以看 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 出只有四川、湖南一带太阳能资源相对不足，其他地方均可以使用太阳能热水系 统。欧洲的太阳能资源与我国相比并不充足，如图卜2 。以德国为例，太阳 能年辐照量只有3 6 0 0 m j m 2 ，相当于我国的资源贫乏区( 即四川、湖南一带) ， 但是当地的太阳能热水器占有量却达到3 1 ( 2 0 0 1 年) ，走在世界的前列。 这当然有经济的原因，但更主要的是因为常规能源的紧缺以及环保的要求。 我国具有得天独厚的太阳能资源条件，借鉴国外的经验，使用太阳能是解决 能源紧张和居民生活舒适度这一矛盾的有效方法。 图1 - 1我国主要地区的太阳能资源状况分布图 图1 - 2 世界主要地区的太阳能资源状况分布图 8 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 1 2 使用太阳能热水的节能效果 根据太阳能年辐照量和太阳能热水系统的集热效率，可以简单估算各地 的节能效果。年节能率估算方法：根据g b 5 0 0 1 5 2 0 0 3 建筑给排水设计规范 热水定额取中间值，每人每天热水定额为6 0 热水5 0 l ，自来水水温按1 0 “1 2 计算，每人每天耗热量约1 0 5 m j ，如果每天洗浴一次，则每人每年耗热量约 3 8 2 0 6 m j 。太阳能热水系统合格产品平均日集热效率约4 5 ，以太阳能资源 一般区，太阳能年辐照量4 2 0 0 m j ( m 2 a ) 为例计算，年平均计算太阳能热水 系统最少得热量1 8 9 0 m j m 2 ，年太阳能热水系统节能率约4 9 ，适当考虑系统 运行中的热损失( 取2 0 ) ，该值调整为4 1 。上述计算中包含了三种假设： 全年充分使用太阳能热水，即所得到的热量都被用掉了；居民每天洗浴 一次，全年3 6 5 次；安装集热器面积为每人lm 2 。根据我国居民的生活习惯， 每人每年的洗浴次数不会是3 6 5 次，而且估算选用的热水定额偏大，即居民实际的 每人每年生活热水耗热量应小于算出的数值，而太阳能的年得热量是定值，因此 在太阳资源一般区，当选用合格的太阳能热水系统产品时，如果每人安装1m 2 集热 器，则年节能率最低为4 l 。同样方法可以推算其他太阳能资源区的最低节能率， 资源较富区为5 3 ，资源丰富区为6 5 。根据实际工程的经验分析，按照夏季的 太阳辐照条件，配备适宜的太阳能集热系统，在夏季，太阳能可以为热水提供8 0 - 9 5 的充足能量，基本不使用其他能源，在过渡季和冬季的晴天，太阳能能够 对冷水进行预热，使得辅助热源加热的初始水温可达到3 0 一5 0 ，太阳能的节能 作用很明显。 1 3 太阳能热水器产业的快速发展，为推广住宅太阳能热水系统奠定 了坚实的产品基础 1 3 1 太阳能热水技术现状 太阳能利用已经发展成为一项成熟、可靠的技术。目前已经开发出各种类型 的太阳能热水系统，并根据不同的需要和全球气象条件进行有效调整。太阳能热 水器就其水的流动方式而言大体可分为三类：直流式、整体式、循环式。聆3 9 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 直流式亦称一次式，直流式太阳热水器又可分为热虹吸型和定温放水型两种。 热虹吸型是由集热器、补水箱、蓄水箱与连接管道组成开式热系统。补给水箱的 水位由浮球阀控制，使水位与集热器出口热水管( 上升管) 的最高位置处于同一 水平。无阳光照射时，根据连通器原理，集热器、上升管和下降管均充满水，但 不流动。当集热器接受热量后，其内部水温上升，系统中形成热虹吸压头，从而 使上升管中的热水流入蓄热水箱，而补水箱的冷水则经下降管进入集热器。日照 愈强，所得热水温度愈高，数量也愈多，太阳升起一段时间以后在蓄热水箱中， 即可收集到一定数量的热水供使用。定温放水型是为了得到符合使用要求的热水， 在集热器出口安装温度敏感元件，通过控制器操纵装在集热器入口管路上的电动 阀的开度，根据出口温度来调节流量，使出口水温始终保持一定。在这种系统中 可以取消补水箱，补冷水管直接接在自来水管，它的可靠性亦取决于电动阀的质 量。直流式太阳热水器，既不需要水泵，又可避免自然循环的缺点，在具备可靠 工作的电动阀的备件下，应是结构合理、值得推广的太阳热水器装置形式。 整体式热水装置特点是集热器与蓄水箱合二为一。简言之，它实际上是一个 表面涂黑的贮水容器。水在容器内不流动。靠容器壁吸收太阳辐射后对它传热， 经过一个白天整容器内的水被加热，到傍晚即可使用。整体式热水器又可分为开 放型、塑料薄膜型、三角形、圆筒型、棒槌型等类型。整体式太阳热水器的优点 是结构简单，成本低。缺点是装置保温性能差，夜间水温不能保持，只能在傍晚 时刻及时使用热水，它的使用范围受到限制。但对于农村，或经济不发达地区还 有一定的使用价值。 循环式按水循环的动力可分为自然循环式和强制循环式。自然循环式、直接 换热，这种方式适用于没有霜冻问题的低纬度地区，比如南欧国家、以色列、澳 大利亚以及我国的长江以南地区。自然循环式热水装置，它的蓄水箱置于集热器 的上方，水在集热器受太阳热能的辐射温度升高。由于集热器与蓄水箱中的水的 温差，形成系统的热虹吸压头，使热水由上循环管进入水箱的上部，同时箱底的 冷水由下循环管流入集热器形成循环。在运行过程中系统和水温逐渐升高，经过 一段时间后，水箱上部的热水即可使用。在用水的同时由补给水箱向蓄水箱补充 冷水。这类热水器安装在屋顶建筑上，贮热水箱高于集热器，对建筑外观有一定 的影响，不设置循环泵，运行方式简单，无须专门的维护管理。这类装置优点是 1 0 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 结构简单，运行可靠且不需要外来能源。缺点是为了防止系统在夜间产生倒流现 象及维持必要的温度，热虹吸压头蓄水箱必须置于集热器的上方，这对于大型的 装置，由于水箱过大，在建筑布置及用负荷考虑都会带来一些问题。此外自然循 环热水装置中的水箱大多置于室外，要求有良好的保温设施。强制循环式二次换 热，这种热水装置靠水泵使水压集热器与蓄水箱间循环。h 1 系统中备有控制装置， 当集热器顶端的水温比蓄水箱底部的水温高出若干度时，控制装置启动水泵。反 之，两者的温差低于限定值时水泵停止运行。在有霜冻问题的地区，如中北欧， 我国的东北，西北地区，多采用此种系统。集热器设置在建筑屋面上，贮热水箱 设置在房屋内部，集热系统通过循环泵，以电力驱动传热介质( 水防冻液) 在管 路中循环，通过贮热水箱中的换热器将集热系统获得的热量传递到水中，使水升 温。该系统符合建筑美观与使用功能的要求，又适用于不同气候条件，在国外普 遍采用。 1 3 2 太阳能热水器产业日趋完善 中国太阳能热水器产业的快速发展，为用户提供了物美价廉、适合使用的太 阳能热水器产品，并逐步形成产业化规模。中国的太阳能热水器市场，从2 0 世纪 8 0 年代中后期开始起步，9 0 年代中前期稳步发展，自9 0 年代后期，进入快速发 展时期，已经成为世界上生产和使用太阳能热水器最多的国家。早期的市场分布 主要受太阳能资源、经济条件以及太阳能生产地等因素的影响，因而从全国区域 的角度看，山东、江苏、广东、北京、云南、河北、安徽等地的数量较多。进入 2 1 世纪以来，太阳能热水器已经几乎遍布到了全国各地，即使在东北和西北最寒 冷的地区以及太阳能资源较差的湖南、贵州等地，太阳能热水器也逐步得到了应 用。 1 3 3 产品的性能不断提高 ( 1 ) 供热能力提高 早期，受到经济条件和集热技术的制约，每户太阳能热水器采光面积多在 1 - 1 5m 2 ，对应的热水产量为5 0 - - 7 5 l 。随着经济条件的改善和集热技术的提高， 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 单台太阳能热水器采光面积增大到1 5 , - - , 4m 2 ，并可以配合辅助热源联合加热。在 南方经济发达地区，面积明显大于北方，多在3i l l 2 以上，而北方多在1 5 3i l l 2 之 间。平均而言，每户2 , - - - , 3m 2 的采光面积，同时配合适当的辅助热源，可以提供足 够的热水供3 4 人的家庭使用。 ( 2 ) 产品功能不断完善 产品功能已经由简单的完全依靠天气提供热水，向满足居民用热水舒适度的 方向发展。主要体现在系统的运行方式由自然循环发展为强制循环，控制方式增 多为防冻控制、防超温控制、辅助热源的自动起停控制等人性化的方式，可以和 其他能源共同工作，提供稳定的热水供应。产品性能的不断提高，使得住户乐于 使用太阳能热水。国家住宅工程中心实态调查的结果是，在被调查住户中，共有 2 4 6 户住户填写了对太阳能热水的总体评价，其中，认为很好的8 5 户，较好的1 3 4 户，一般的2 7 户，可见使用太阳能热水的住户对产品的评价较高，认为较好以上 的达到8 9 0 2 。 1 3 4 产品的市场份额增大 目前，中国的太阳能热水器9 0 以上用于家庭热水洗浴，伴随着集热效率的 提高，产品性能的完善，以及常规能源价格的升高，太阳能热水器在与电、 燃气热水器的激烈竞争中，占据的市场份额日益增多，逐渐呈现出三足鼎立 的局面。尤其是在电力不足、无燃气的广大乡镇地区，太阳能热水器更是具 有广阔的市场。 此外，由于具有明显的经济优势，近几年，宾馆、学校、厂矿等单位纷 纷采用大中型太阳能热水系统替代原有的常规热源热水系统，带动了新建的 公建及住宅小区太阳能集中热水供应的逐步兴起，使得太阳能热水在住宅集 中热水供应方式中的市场份额也越来越高。 1 2 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 1 4 居民的用热水习惯分析 1 4 1 居民的热水用量 通过对全国不同地区的2 6 8 户局部热水供应住户和1 3 个集中热水供应 的小区进行居民生活热水用量的调查统计啼3 ，得出如下结论： ( 1 ) 我国居民实际的热水用量不高 当采用局部热水供应时，居民实际的热水用量为1 5 3 9 l 人d 的， 占总户数的4 5 5 2 ；3 9 6 0 l 人d 的，占总户数的2 8 7 3 ；6 0 - 9 0 l 人d 的，占总户数的1 5 3 ；9 0 l 人d 以上的，占总户数的lo 4 5 。如图1 3 所示。 图卜3居民热水用量分布 集中热水的实态调查显示，设置集中热水供应的住区均为高档的住宅或 公寓，卫生设备完善。热水价格是影响热水用量的主要因素，当水价合理时， 居民会因为适宜的性价比而充分使用，这时的平均热水用量可以代表较高生 活水平居民实际的热水用量。以系统运行较好的6 个小区为例进行统计，如 表卜1 所示，大部分小区的年平均日热水用量不超过5 0 l 人d 。 北京北京北京常州昆明兰州 小区名称 亮马明居宏源公寓万泉新家同金禧园小区金典苑小区路桥大厦 热水用量 4 3 4 8 4 4 4 7 5 1 7 2 ( l 人d ) 表卜1各小区平均生活热水用量 ( 2 ) 当采用太阳能作为热源时，居民的用水量大 1 3 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 在上述调查结果中，居民年平均曰热水用量超过5 0 l 人d 的小区是 以太阳能作为热源的云南红塔金典苑小区和兰州路桥大厦。这两个小区分别 处于我国日照资源丰富的昆明和兰州，热水的制水成本主要是驱动循环设备 的电力费，均不超过l 元t ，物业部门在收取水费时，热水价格只需略高 于冷水价格即可。因为热水价格便宜，居民使用起来的经济负担很小，在这 两个小区基本实现了洗浴、洗面、洗涤等所有生活用水均使用热水，体现了 较高的用热水水平。可见，以太阳能作为集中热水供应系统的热源，在充分 节能的基础上，体现出优越的经济性，保证了高品质供应热水。 ( 3 ) 南、北方的用热水需求不同 按照昆明和兰州两个小区居民的调查数据绘制逐月的日平均热水用量 图。从图1 - 4 、1 - 5 中可以看出，当居民充分使用热水时，北方居民的热水 用量高于南方居民，这是因为北方的冷水温度低于南方的冷水温度，当获得 相同温度的用水量时，需要混合更多的热水，而且由于环境温度低，居民洗 浴时间要比南方长，所消耗的热水量也会高于南方。 图1 - 4昆明金典苑小区日平均热水用量图 1 4 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 l u u 一 二1 一 二| 。 。j “ 一_ 。 ? 飞 9 0 8 0 名，三，：赡。蛳，d 缆 7 0 ! 一一一7 弋夕e s ： 6 0 露 5 0 捌 ， 刊 4 0 3 0 2 0 1 0 n| v ? i ：一l1毛 u 1 月2 月3 月4 月5 月6 r7 月8 月9 月1 0 月1 1 月1 2 月 i + l 人d 图卜5兰州路桥大厦日平均热水用量图 在昆明这类冬暖夏热地区，居民的月用水高峰出现在高温的夏季，这 是因为夏季洗浴的次数增多；而在兰州这类寒冷地区，居民的月用水高峰出 现在低温的冬季，这是因为冬季洗浴的时间长。 1 4 2 居民使用的热水器具 在入户调查中，共有3 6 4 户填写了用热水器具这一项，统计结果( 见表 1 2 ) 可以说明，在住宅中，居民最主要的用热水器具是淋浴器，使用户数 超过8 8 7 4 ；而使用淋浴器与厨房洗涤盆的情况，约占七成。由此分析， 居民日常生活中热水主要用于洗浴和厨房的炊事活动，其中又以洗浴列为首 位。 器具组l 、2 、3 、 1 、2 、3 、 2 、3 、4 、其他用 2 、3 、42 、42 、32合计 厶 4 、545 途 户数2 74 62 51 1 63 92 2 4 8 4 13 6 4 所占比 7 4 21 2 6 46 8 73 1 - 8 7l o 7 16 0 41 3 1 91 1 2 61 0 0 例( ) 注：表中用水器具：卜盆浴；2 一淋浴；3 洗面器；4 一洗涤池；5 一洗农机 表卜2居民使用热水器具统计表 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 1 4 3 居民每天洗浴时段 根据对1 0 2 9 人的调查统计发现，住宅的洗浴高峰集中在晚饭后至睡觉 前，大约1 9 点2 3 点，在这一时段内洗浴的人数占总调查人数的8 0 8 6 ； 在早晨和午后洗浴的人数分别占总调查人数的0 4 9 和1 2 6 ；另外，洗 浴多次、多时段的为1 7 4 0 。由于洗浴是居民的主要热水用途，因此，可 以由洗浴时段的分析总结出居民的生活用热水的高峰时段为1 9 点2 3 点。 居民在一天中洗浴时段见图1 - 6 。 1 。4 4 热水供应温度 图1 - 6居民洗浴时段调查 建筑给水排水设计规范g b 5 0 0 1 5 2 0 0 3 要求热水供水温度要在5 5 - 6 0 。但热水温度高于5 5 时，即使有软化水设备，结垢现象仍很严重，甚 至出现供水泵被水垢堵塞的情况。再者，为了维持高水温所耗费的热量，是 管理单位无法承受的。户用局部太阳能热水系统由于输水管道相对集中系统 短很多，管道的热损失也少，住户大多按照厂家推荐的4 0 5 0 设定出水温 度。所以，可以设定出水温度为5 0 ，进行计算。 1 4 5 居民洗浴次数 每周洗浴次数，统计结果如下，平均每人每周淋浴4 5 1 - 4 8 1 次。1 通 1 6 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 过数据可以看出：我国居民目前的洗浴方式仍然是以淋浴为主；根据当 地的生活习惯，南方居民一天内可能多次洗浴；此数据来自夏季，所以“平 均每人每周淋浴4 5 1 4 8 1 次”肯定高于全国的平均次数。通过居民洗 浴次数的分析，可以看出居民对热水的需求在提高，洗热水澡将逐步成为一 种最基本的生活要求。 1 5 与其他热源经济效益比较 1 5 1 计算太阳、电、燃气热水器每次淋浴的加热费用 以北京地区为例，分别按照每户家庭配置贮水容积i o o l 的太阳、电、燃 气热水器计算每次淋浴的加热费用，各类产品均选用本行业内质量、性能相 近的产品作比较。按照充分使用太阳能热水器所收集的热量，并忽略三种产 品的维修费用的条件计算。在北京地区，使用电热水器、燃气热水器、太阳 能热水器淋浴一次的加热费用( 包括设备折旧费用) 分别为1 2 6 元、0 8 0 元、 o 4 1 元。7 3 1 5 2 以太阳能作为热源具有明显的经济性 按照太阳能热水器每年节约的运行费用估算太阳能热水器的投资回收 年限，相对于电热水器、燃气热水器，使用太阳能热水器所增加的投资回收 年限分别为3 2 3 年和5 3 8 年。 在具有相同的供热水条件、相似的产品质量时，使用太阳能热水器最便 宜，在其工作寿命期内，可以通过节约燃气、电等常规能源的费用偿还安装 太阳能热水器所增加的投资。当然，随着能源紧缺的加剧，各类常规能源的 费用必然越来越高，可以预见使用太阳热水的经济性会日益凸显。 上述计算比较表明，太阳能与电相比具有明显的经济优势，与天然气相 比也有一定的经济优势。这是因为北京地区的天然气在国内处于燃烧热值 高、费用低的状况。另外，使用天然气和电必须有完善的市政管网，考虑铺 设管网所需要的高额费用，使用太阳能热水可以带来巨大的经济效益。并且 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 随着人们环保意识的提高，太阳能热水器节能、环保、安全，与发展潮流相 符合，居民乐于选用。在进行居民入户调查的过程中，有近半数的居民了解 太阳能，安装太阳能热水器的主要原因是因为节能环保、经济。在2 0 0 5 年2 4 月由国内几个知名网站组织的“太阳能热水器的消费使用状况调查中， 共收回了有效问卷9 8 5 7 0 份，其中有7 0 4 的用户表示会二次购买。阳1 在进 行小区热水使用实态调查的过程中，所有的物业管理部门都表示，如果在设 计的时候能够采用太阳能等清洁能源，不仅可以减少环境的污染，而且可以 减低热水的运行成本，给管理者和居民带来实惠。 我国在太阳能热利用方面并没有实施国际上通行采用的政府补贴、无息 贷款、减少税收等优惠政策，完全依靠居民的自觉使用，却培育了国际上最 大的使用市场。在调查过程中，我们可以看到，不论是城镇还是城市，只要 具备安装条件，就有住户安装使用太阳能热水器。 “北京金地格林小镇”是国家住宅工程中心的健康住宅示范工程，重点 研究规划、景观环境等特色设计，以及雨水收集和回用技术、楼板隔声等新 技术应用，营造了生态、健康的居住环境，受到买房者的欢迎，在开盘后很 快售空。当居民入住后，项层住户纷纷安装太阳能热水器，破坏了小区建筑 的整体美观，图1 - 7 为人住1 年后的实景照片。开发单位由此看出了居民对 使用太阳能热水器的积极性，已经决定在新开发的项目中，预先安装太阳能 热水器，既可使之成为住宅的新卖点，又保证建筑的整体美观。 1 8 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 图1 - 7“北京金地格林小镇”入住一年后实拍图 1 6 以太阳能作为热源符合规范要求 太阳能的节能环保特性是无庸置疑的，以太阳能作为热源符合住宅可持 续发展的要求，建筑给水排水设计规范g b 5 0 0 1 5 瞩2 0 0 3 也对此有明确的 规定，其中第5 2 2 条“集中热水供应系统的热源，宜优先利用工业余热、 废热、地热和太阳能。”同时注解：以太阳能为热源的集中热水供应系统， 宜附设一套辅助加热装置。采用工业余热、废热无疑可以变废为宝，消除热 污染，所以排在前面。但是，在应用中却存在只有在拥有大型工业的城市才 能使用工业余热成废热，还必须配备市政热力管网才能供应周边用户使用等 问题，所以实际工程应用不多。第5 2 6 条也规定了“局部热水供应系统的 热源宜采用太阳能及电能、燃气、蒸汽等。” 1 7 太阳能可以成为稳定的热源 我国太阳能行业经过数十年的努力，行业已经逐步规范，生产形成规模， 1 9 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 产品也日臻完善，使得太阳能作为一种可靠的热源已经具备了一定的产品基 础。国内许多学校、宾馆的集中热水供应系统均已采用太阳能作为热源，经 过几年的运行测算，节能效果明显。事实证明太阳能作为热源也已经具备了 技术基础。另外，从上述热水实态调查的分析可以看出，我国居民的实际热 水用量不高，用热水高峰集中在晚上，这恰好符合太阳能热水系统需要白天 集热的要求，实际的洗浴温度与太阳能热水系统所获得最佳集热温度相吻 合，当配以适当的辅助热源时，太阳能完全可以提供稳定的热水供应阳3 。 随着太阳能热利用技术的不断完善与发展，使用太阳能在减少c 0 ：排放 量，降低环境污染，产生巨大的社会效益的同时，由于节约常规能源消耗所 带来的经济效益也将日益显著，将对营造健康、可持续发展的人居环境作出巨 大的贡献。本文旨在通过实态调查，进行数据分析，给建设部门、开发部门以实 例数据参考，增进对太阳能节能效果的了解，使设计部门参与到太阳能热水系统 的设计中去，使得太阳能热水系统与建筑有机地结合，实现太阳能在住宅建筑热 水供给中的充分利用。 2 0 太阳能作为供应住宅热水及热源可行性问题研究 第二章效益分析 帚一早 以盆万个丌 2 1 各种热水器的淋浴费用比较 设定洗浴水温4 0 ，冷水温度1 0 。c ，一次淋浴需要5 0 l 热水，则耗热量 q = q ( t r - t o ) c p q 一次淋雨的耗热量( m j ) g 器具的额定秒流量( l s ) z 使用时的热水温度( ) t o 冷水温度( ) c 水的比热，4 1 8 7 ( j k g ) p 热水密度( k g l ) q = 5 0 x ( 4 0 一l o ) 4 1 8 7 1 = 6 2 8 0 5 0 0 j = 6 2 8 m j = 】7 4 k w h 2 1 1 使用太阳能热水器每次淋浴的加热费用：0 4 9 元 ( 1 ) 沈阳位于中国东北地区的南部，辽宁省的中部，在东经1 2 2 度2 5 分9 秒 一1 2 3 度4 8 分2 4 秒、北纬4 1 度1 1 分5 1 秒一4 3 度2 分1 3 秒之间。纬度倾角平 面年总辐照量5 0 8 2 m j m 2 a ，n 们集热效率为4 5 计算，则每1m 2 集热器每年的得 热量为2 2 8 7