關(guān)于住宅太陽能生活熱水系統(tǒng)現(xiàn)狀調(diào)研及能耗模型的探索
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作者：張儀紅
針對目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本課題的研究思路為：通過文獻調(diào)研，確定研究方向以及當(dāng)前研究的成功和不足，結(jié)合自己所掌握的技術(shù)手段進行分析并制定研究方案，選取實際的典型案例進行調(diào)研和測試，通過文獻調(diào)研確定計算公式和經(jīng)驗參數(shù)搭建能耗模型，將計算結(jié)果與實測結(jié)果進行對照驗證，利用能耗模型進行分析，解決實際中發(fā)現(xiàn)的問題，進一步進行系統(tǒng)適宜性分析，最終得出研究結(jié)論和對工程的指導(dǎo)建議。具體研究內(nèi)容如下：
1)研究不同太陽能生活熱水系統(tǒng)的形式，了解目前太陽能生活熱水系統(tǒng)的實際運行狀況。太陽能熱水系統(tǒng)包括集熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、輔助加熱系統(tǒng)和輸配系統(tǒng)。通過系統(tǒng)用熱量與散熱量以及能耗，從而得出系統(tǒng)運行情況及問題。
測試內(nèi)容包括：
①太陽能輻照量、室外溫度；
②集熱器水流量及各集熱器進出水溫度；
③儲水箱水流量及進出水溫度；
④系統(tǒng)補水量及補水溫度；
⑤輔助加熱系統(tǒng)開啟策略及功率（耗能量）；
⑥集熱泵和熱水循環(huán)泵開啟策略及功率。
2)分別建立太陽能集熱器、儲熱水箱及管道和用戶末端等模型模塊，進而建立太陽能生活熱水系統(tǒng)的能耗模型，結(jié)合實測數(shù)據(jù)，修正校核模型。對于生活熱水系統(tǒng)，主要是輔助熱源的能耗，這部分耗能產(chǎn)生的熱量和系統(tǒng)吸收太陽能熱量共同保證整個系統(tǒng)的熱量供給。熱量主要耗散在管網(wǎng)輸送和用戶使用兩個方面，能耗模型的關(guān)鍵在于管網(wǎng)散熱模型和集熱模型的建立。
3)基于校核的太陽能生活熱水系統(tǒng)能耗模型，分析補水策略、用戶使用模式、用水量、集熱器效率及管道保溫等對太陽能生活熱水系統(tǒng)運行效果的影響，進而對不同系統(tǒng)形式下的太陽能生活熱水系統(tǒng)的運行性能進行分析和研究，從而得到太陽能生活熱水系統(tǒng)的適宜性評價結(jié)果。
1典型案例分析
2014年，北京建筑大學(xué)與清華大學(xué)對北京、內(nèi)蒙古等地的集中生活熱水項目進行了深入的調(diào)研與測試，了解目前太陽能生活熱水系統(tǒng)的實際運行情況。
以赤峰某小區(qū)為例，介紹實測調(diào)研結(jié)果。該小區(qū)筑面積為19.5萬m2，小區(qū)包括16棟6—18層住宅，共有用戶984戶。小區(qū)由46個單元組成，每單元獨立設(shè)置一套太陽能生活熱水系統(tǒng)用于居民生活熱水供應(yīng)。太陽能生活熱水系統(tǒng)屬于集中集熱集中儲熱式系統(tǒng)，24小時供給居民熱水需求，儲熱水箱中設(shè)置電加熱輔助加熱設(shè)備，當(dāng)水箱內(nèi)水溫低于設(shè)定溫度值時開啟輔助熱源，該項目保持水箱最低溫度為45℃。圖1為系統(tǒng)示意圖。
測試內(nèi)容包括供回水溫度和循環(huán)流量。圖2為測試期間供回水溫度和室外溫度逐時變化曲線，用戶循環(huán)泵24小時運行，測試期間電輔熱不開啟。室外溫度在15~35℃之間，平均溫度在20℃以上。水箱和管道散熱量根據(jù)測試的水溫和水流量計算，用戶用熱量根據(jù)測試的熱水溫度和自來水溫度以及用戶的用熱量計算。平均每天各部分熱量實測結(jié)果如表1所示，根據(jù)實測結(jié)果，將系統(tǒng)熱量進行拆分，如圖3所示，用戶的用熱量占整個系統(tǒng)熱量的67%，系統(tǒng)散熱量占33%，其中管道散熱量占總熱量28%，水箱散熱量僅占5%。整體來看，系統(tǒng)輸入的熱量有1/3經(jīng)各途徑損失掉。
2模型介紹
對于太陽能熱水系統(tǒng)，全年運行情況復(fù)雜。由于實測只能得到一段時間內(nèi)的運行情況，故有必要在進行調(diào)研實測的同時，輔以能耗模型進行模擬分析計算。
集中式太陽能生活熱水系統(tǒng)可分為三部分：集熱器部分、儲熱水箱部分、用戶末端部分。系統(tǒng)能耗模型也分這三部分進行搭建，將這三部分整合在一起計算出系統(tǒng)全年逐時能耗。下面以集中集熱集中儲熱式太陽能生活熱水系統(tǒng)為例對各部分模型進行介紹。
2.1 集熱器模型
集熱器模型部分用來模擬集熱器逐時對太陽能熱量的吸收。
在計算集熱器傳熱時，分集熱器開啟和集熱器關(guān)閉兩種情況。當(dāng)集熱泵關(guān)閉時，集熱器的總的熱量變化為吸收的太陽能熱量與集熱器自身的散熱損失之差。此時認為集熱器內(nèi)的水溫為一個集總參數(shù)，有熱平衡方程見式(1)：
由于每天用戶側(cè)有一定的熱水量需求，所以水箱內(nèi)水量會隨著用戶的使用而減少，在模擬計算系統(tǒng)能耗時需要考慮水箱的補水。根據(jù)實測調(diào)研案例來看，最常用的補水模式總結(jié)如下：自動補水，定時補水。自動補水即水箱設(shè)置一個安全水位，當(dāng)水箱水量低于該安全水位時，補水閥開啟，自動將水箱內(nèi)水量補至某一設(shè)定水位；定時補水即每天固定時間段，將水箱內(nèi)水量補至設(shè)定的水箱最高水位。
對于水箱自身的散熱量的計算，根據(jù)文獻[4]中介紹的方法，水箱熱損失分為保溫?zé)釗p失和其它熱損失。其中保溫?zé)釗p失的計算可根據(jù)傳熱學(xué)中的導(dǎo)熱問題的分析方法計算。當(dāng)水箱為方形水箱時，保溫?zé)釗p失的計算見式(8)：
式中：A為保溫材料表面積，m2；Z為傳熱時間，s;A為保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/( m- K)；6為保溫層厚度，m；At為熱水與環(huán)境之間的傳熱溫差，℃。
水箱的其它熱損失Q：可按0. 5Q．估算，所以水箱總的熱損失Q =1. 5Q．。
管道散熱損失計算，根據(jù)傳熱學(xué)通過圓筒壁的導(dǎo)熱計算方法，假定管道流量不隨時間變化，管壁為均值材料，管壁溫度沿徑向均勻分布，忽略管壁軸向傳熱。保溫材料為均質(zhì)材料，由于保溫層材料一般熱阻大而熱容小，忽略保溫層蓄熱，并認為保溫層外環(huán)境溫度為常數(shù)。得出計算單位管長的傳熱系數(shù)K與散熱量Q的相關(guān)計算式，見式(9)、式(10)：
式中：Q。，。為管網(wǎng)散熱量，J；Quse為用戶用熱量，J；Qsya為系統(tǒng)總耗熱量，J；77b。i．。，為鍋爐效率；K。為一二次管網(wǎng)各管段單位長度傳熱系數(shù)，W/(m-K)；￡i為一二次管網(wǎng)各管段長度，m；≠，為一二次管網(wǎng)各管段管內(nèi)水溫，oC；管道架空敷設(shè)時，￡。。為一二次管網(wǎng)各管段管外空氣溫度，無溝敷設(shè)和地溝敷設(shè)時，f。。為土壤地表面溫度，℃；下。為一二次管網(wǎng)各管段換熱時間，s；儀。為保溫層外表面對空氣的放熱系數(shù)，W／( 1112．℃)；d。。。為溝內(nèi)壁放熱系數(shù)，W／(fl12．℃);D。為一二次管網(wǎng)各管段保溫層外直徑，m;d。。。為地溝內(nèi)廓橫截面的當(dāng)量直徑，m;d。。。為地溝橫截面外表面的當(dāng)量直徑，m；A。為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W／(m．℃)；A．為土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，W／(m'℃);A。。為地溝壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/( m'屯)；艿為保溫材料的厚度，m；H為管子的折算埋深，m。
這樣，根據(jù)上述的計算方法，只需知道管道的直徑和保溫材料、管長以及水溫和環(huán)境溫度，就可以計算出管道的散熱量。
2.3 用戶末端模型
用戶末端模型部分用來模擬用戶用熱水狀況，用戶的熱水使用習(xí)慣。對于不同的居民，生活熱水使用模式具有差異性。不同的使用模式，系統(tǒng)的能耗也可能不同。在進行系統(tǒng)能耗模擬時，需要考慮用戶使用模式作為輸入?yún)?shù)。
用戶有效用熱量計算式見式(11)：
式中：v為用戶用水量，L;t。。為用熱水溫度，℃；f。。為冷水即自來水溫度，℃。
由于生活熱水用戶對熱水的使用方式存在差異性，作逐時生活熱水能耗模擬時，需要考慮不同使用模式的輸入條件，參考王榮的碩士論文關(guān)于生活熱水使用時間高峰的調(diào)研結(jié)果，本研究將用戶用水模式按照用水時間不同簡化為3種典型模式：1）
模式1：用戶21:00用熱水；2）模式2：用戶7：00用熱水；3）模式3：用戶15：00用熱水。
計算用水量時，按正態(tài)分布給出用戶用水時長和用水頻率。如圖4所示為該戶3種模式時的用水作息圖，用水集中時段分別為21:00、7:00和15：00．時間步長為5 min，用戶用水作息隨機曲線見圖4。
2.4模擬與實測對比
以赤峰項目為例，模擬計算其太陽能生活熱水系統(tǒng)全年能耗情況。
根據(jù)小區(qū)物業(yè)提供的用戶購水記錄，可以獲取用戶編號以及對應(yīng)的熱水使用情況，整理幾次購水時間之間的用水量，可以獲知用戶的用水量情況。選取6戶典型樣本進行分析計算，該典型單元樓所用系統(tǒng)供給用戶30戶，根據(jù)物業(yè)提供信息，每戶平均人數(shù)3人，計算得每人每天使用生活熱水40. 67L，模擬計算時取40 11（人．d）。
太陽能集熱器的集熱面積設(shè)計，根據(jù)中國建筑科學(xué)研究院制定的《太陽能集中熱水選用與安裝》（GJBT - 960）的規(guī)定，直接式太陽能熱水系統(tǒng)的集熱器根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計日用水量和用水溫度確定，見式(12)：
式中：q rd為設(shè)計日用水量，L/d；c水的定壓比熱容，J/( kg．℃)；f。貯熱水箱內(nèi)水的設(shè)計溫度，℃；t。水的初始溫度，℃；JT為傾斜表面平均日太陽總輻射量，MJ/( m2．d)∥太陽能保證率；叼集熱器年平均集熱效率；叼，管路及貯水箱熱損失率。
該項目位于赤峰，設(shè)計日用水量為4011（人．d）×3人／戶×30戶=3 600 L/d，水箱內(nèi)熱水設(shè)計溫度60℃，水的初始溫度為15℃。赤峰地區(qū)屬于太陽能較豐富區(qū)，太陽能保證率推薦值為0.5~0.6．取為0. 55。Jr=13. 172 MJ/( m2 -d)，集熱器效率叼一般在0. 25~0.5之間，取0.45；管路及貯水箱熱損失率，一般取0. 20~0.30，取為0.25。計算得集熱器設(shè)計面積為84.2m2。選用皇明真空管集熱器型號為：JPH - 50TT18 - 00。，規(guī)格參數(shù)如表2：需要集熱器12個，實際集熱面積為91.2 m2。
根據(jù)項目情況選取水箱容量，根據(jù)《太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》，單位采光面積產(chǎn)熱水量取為40 L/(m2/d)，則集熱水箱容量V集=91.2×40=3. 648 m3。選取放行水箱，尺寸選為2 mx2 mX1 m。水箱的散熱面積為16m2。由3.3中水箱散熱系數(shù)計算方法，水箱保溫厚度取為50 mm，計算水箱散熱系數(shù)為0. 69 W/( m2.K)。
根據(jù)實際調(diào)研情況，補水策略設(shè)定為定時補水：14：00后補水至水箱滿容量；自動補水：其他時間當(dāng)水箱內(nèi)水量少于總水量的1/3時，補水至2/3總水量。
室外干球溫度和太陽輻射量的數(shù)據(jù)根據(jù)氣象局提供的測試期間的實時氣象數(shù)據(jù)計算。
實測時間段為2014年8月27日—9月1日，為驗證模型計算的準(zhǔn)確性，模擬計算這段時間段內(nèi)系統(tǒng)運行情況。
模擬計算與實測的用熱量、管道散熱量、水箱散熱量對比結(jié)果如圖5所示，從圖5中可以看出，模擬的結(jié)果比實測結(jié)果都要偏大，但整體來說相差不大。從用熱量來看，模擬的結(jié)果為752 kW -h，而實測結(jié)果為687 kW-h，二者相差不大，模擬計算結(jié)果與實測結(jié)果是相符的。這樣在研究太陽能生活熱水系統(tǒng)相關(guān)問題時，可通過該模型模擬計算的結(jié)果來分析。
分別選取冬季和夏季各幾個典型日，研究模擬結(jié)果。冬季選取1月1日~1月3日，夏季選取8月1日—8月3日。以21:00用水的模式模擬結(jié)果為例，如圖6、圖7所示，圖6、圖7中列出了水箱水溫曲線、集熱器出口溫度曲線、用戶用水量曲線和電加熱量變化曲線。
從圖6中可以看到，1月1日—1月3日期間，冬季太陽輻射強度低，導(dǎo)致集熱器吸收太陽能熱量少，外界環(huán)境溫度低，導(dǎo)致系統(tǒng)散熱變快。電加熱開啟維持水箱水溫45℃，到日出之后，集熱器逐漸吸收太陽輻射，水箱內(nèi)水溫慢慢升高。圖中電加熱出現(xiàn)兩個波峰是由于24:00的集中補水和21:00的集中用水導(dǎo)致。補水量的輸入導(dǎo)致水箱水溫降低，但維持在最低溫度。
8月1日—8月3日期間，夏季高強度的太陽輻射令水箱水溫處于高溫狀態(tài)，基本維持在60℃以上，補水和集中用水所需的熱量由水箱過熱量提供，故系統(tǒng)基本不需要開啟電加熱。集熱器出口溫度的波動變化與集熱泵的啟停策略相吻合即當(dāng)集熱水溫高于水箱溫度7℃時集熱泵開啟，當(dāng)集熱器溫度與水箱溫差低于3℃時，集熱泵關(guān)閉。
綜合冬夏典型日的模擬結(jié)果，基本符合實際運行邏輯，進一步驗證模型有效性。
3模擬分析
利用太陽能生活熱水能耗模型，模擬分析不同因素對集中式太陽能熱水系統(tǒng)適宜性的影響。
3.1不同系統(tǒng)形式影響
前文中主要模擬對象均為集中集熱集中儲熱集中輔熱式系統(tǒng)的運行情況，對于同一用熱水項目，太陽能熱水系統(tǒng)形式的選取是可以多樣的。下文主要增加模擬集中集熱集中儲熱分散輔熱式系統(tǒng)的運行情況，并與集中集熱集中儲熱集中輔熱式系統(tǒng)進行對比分析。
集中集熱集中儲熱分散輔熱式系統(tǒng)，相對于前述系統(tǒng)最大區(qū)別在于用戶側(cè)無循環(huán)泵和循環(huán)管，下文中分別對二者以集中輔熱系統(tǒng)和分散輔熱系統(tǒng)為簡稱。
分散輔熱系統(tǒng)電加熱設(shè)置與每戶小水箱處，當(dāng)從水箱來的熱水不能滿足熱水使用溫度時，用戶自行開啟電加熱設(shè)備，加熱水至所需溫度，系統(tǒng)簡圖如圖8。
分散輔熱系統(tǒng)能耗模型同樣分為集熱器模型、水箱模型、用戶末端模型三部分。模型計算與循環(huán)系統(tǒng)類似，只是水箱模型處的計算沒有與用戶之間循環(huán)的熱量交換，且電加熱計算與用戶末端相關(guān)。
當(dāng)集熱泵關(guān)閉時只看用戶側(cè)的循環(huán)即可，水箱熱平衡方程見式(13)：
式中：V為水箱內(nèi)水的體積，m3；At。為水箱內(nèi)水溫變化量，℃；Qloss為水箱散熱量，kW．h；Q。i。。為管道散熱量，kW-h；Qsu_。。為用戶有效用熱量，kW-h。
集熱泵開啟時還需要考慮集熱器的循環(huán)，水箱熱平衡方程見式(14)：
當(dāng)水箱水溫低于設(shè)定水溫時并且用戶在用時，需要補熱，僅需要對用戶用水加熱，見式(15)：
2種系統(tǒng)全年能耗模擬計算結(jié)果如圖9所示，集中輔熱系統(tǒng)全年需要輔熱25 152 kW -h，而分散輔熱系統(tǒng)全年需要輔熱量為8 108 kW-h，分散輔熱系統(tǒng)能耗遠遠低于集中輔熱系統(tǒng)能耗。這是由于集中輔熱系統(tǒng)需要維持水箱水溫時刻保持于最低溫度，而分散輔熱系統(tǒng)水箱內(nèi)水溫不加控制，只需通過末端輔熱保證用戶用水溫度；同時集中輔熱系統(tǒng)連續(xù)的管道循環(huán)會導(dǎo)致大量熱量通過循環(huán)管道散失，造成輔熱量高于分散輔熱系統(tǒng)。
3.2使用模式影響
不同的用戶的熱水使用習(xí)慣不盡相同，不管是在使用時間上還是使用量上都存在差異，本小節(jié)主要討論使用時間不同，對系統(tǒng)運行的影響。
以集中集熱集中儲熱分散輔熱式系統(tǒng)為例分析，設(shè)定3種典型使用模式，分別為7:00用熱水，15：00用熱水，21:00用熱水。
如圖10所示，從模擬結(jié)果來看，不同使用模式的能耗差異比較顯著，15：00用水能耗最低，7:00用水能耗最高。太陽能熱水與其他熱水供應(yīng)方式有比較大的差異，選擇在下午太陽輻射高，水溫高時用水，更有利于降低系統(tǒng)能耗。如果能夠合理引導(dǎo)有條件用戶下午用熱水，會使整個系統(tǒng)效率變高，能耗更低。
3.3補水策略影響
在實測調(diào)研中，發(fā)現(xiàn)不同補水控制策略時對系統(tǒng)能耗影響較大。設(shè)定3種典型補水模式，均為定時補水，自動補水模式。即在規(guī)定時間段內(nèi)補水至滿水量，在其余時間段內(nèi)檢測水位，當(dāng)水位低于總水量的1/3時，自動補水至2/3總水位。3種補水模式定時補水時間不同，分別為10：00補水，14：00補水，24:00補水。表3為21:00用水時，3種補水策略下能耗對比。
如圖11所示，10：00補水和24:00補水所需的輔助熱源加熱量相差不大，但14：00補水時，其輔助熱源加熱量相對于前二者增加較小。由于當(dāng)集中補水時，水箱輸入大量冷水，為保持水箱溫度，水箱需要消耗熱量來平衡這部分冷水冷量，當(dāng)補水時間在14：00時，由于此時補入的冷量使得水箱內(nèi)溫度下降，且此時外界太陽能一般較充足，故系統(tǒng)所需的輔熱量會相對較小，此時太陽能的吸收利用更為充分。下午兩點左右為太陽輻射最大時段，選擇此時補水有利于降低系統(tǒng)能耗。
3.4工程設(shè)計建議
針對以上分析，對于太陽能生活熱水系統(tǒng)的設(shè)計給出一些建議。
24小時循環(huán)系統(tǒng)熱量損失較大，可采用非全天循環(huán)，如用戶用熱水時通過按鍵發(fā)送指令，2 min后啟動循環(huán)，減少散熱損失。
不同使用模式對系統(tǒng)能耗影響較大，可在用戶末端安裝溫度計，了解逐時系統(tǒng)提供的熱水溫度，引導(dǎo)人們在水溫高時使用熱水。
補水策略不同影響系統(tǒng)能耗，集中補水時間應(yīng)設(shè)置在下午太陽輻射高的時段。
綜上所述，可以設(shè)計一種新的系統(tǒng)形式，系統(tǒng)示意圖如圖12、圖13所示。系統(tǒng)采用中集熱，用戶側(cè)循環(huán)泵的開啟可由用戶控制，用戶有熱水需求時可按下按鈕，循環(huán)泵開啟。同時在用戶末端有集熱水箱的溫度顯示屏，用戶可根據(jù)溫度來選擇用水時機。這樣減少了循環(huán)所帶來的巨大熱損失，同時能起到引導(dǎo)用戶使用節(jié)約型使用模式的作用。
4 結(jié)論
集中式太陽能熱水系統(tǒng)有多種形式，通過實地測試調(diào)研，了解目前系統(tǒng)運行狀況，從實測結(jié)果來看，約有1/3的系統(tǒng)熱量通過不同途徑損失掉。
建立太陽能生活熱水系統(tǒng)能耗模型，分為集熱器、水箱和用戶末端三部分。模型模擬結(jié)果與實測基本相符。
利用模型模擬分析太陽能生活熱水系統(tǒng)適宜性，分散輔熱系統(tǒng)能耗遠低于集中輔熱系統(tǒng)能耗。補水時間影響系統(tǒng)能耗，下午兩點左右為太陽輻射最大時段，選擇此時補水有利于降低系統(tǒng)能耗。用戶使用模式影響系統(tǒng)能耗，對于集中集熱分散補熱式系統(tǒng)，選擇在下午太陽輻射高，水溫高時用水，更有利于降低系統(tǒng)能耗。
在實際工程中，對于太陽能生活熱水系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)該更多依靠模擬工具來進行模擬計算，設(shè)計更適宜于具體項目的系統(tǒng)。
5[摘要]
生活熱水能耗在建筑能耗中是不可忽視的一部分，太陽能生活熱水系統(tǒng)適宜性研究對建筑節(jié)能具有重要意義。本研究基于對太陽能生活熱水系統(tǒng)的實測調(diào)研對系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀進行研究。建立了太陽能生活熱水逐時能耗模型，并基于實測結(jié)果進行校驗。模擬分析了補水策略、用戶使用模式、系統(tǒng)形式等因素對系統(tǒng)的能耗影響，給出了系統(tǒng)適宜性分析結(jié)論。
