我国南方地区农村住宅太阳能热水系统的研究_日照

图六 春季每日实测数据

图七 夏季每日实测数据

图八 秋季每日实测数据

图九 冬季每日实测数据

春季平均气温19.9℃，由于正值梅雨时节，雨水较多，季日照总时数为296.1h，太阳能供热能力不足，需电辅助加热。夏季平均气温为27.7℃，日照时数全年最大为544.9h，太阳能热水保证率为100%，由于需热量最小，夏季的供热能力富余过多。秋季平均气温22.1℃日照，，由于秋季天气晴朗少雨，故日照时数也较大，为515.9h，太阳能保证率也较高，只需少量的电辅助加热。冬季气温最低，只有11.6℃，日照时数418.8h，但是冬季太阳能辐照强度小和热水需求量大的特点使得太阳能在冬季供热能力严重不足，常常需要电辅助加热才能满足人们的日常所需。全年太阳能保证率为65.3%。从图六至图九，可以看出，在同一季节，太阳能集热器温度主要与日照时数有关，日照时间越长，温度越高。且在相同的日照时数下，集热器出水温度由高到低依次为：夏季、秋季、春季、冬季。

3.2系统防过热、防冻、及辅助热源的设置

（1）目前分散局部热水系统都未采取有效的防高温控制措施。笔者在调查中发现，尤其是在夏季，最高温度高达99℃，一不小心就会烫伤使用者。所以在太阳能热水系统中因设置防高温配件。一方面防止高温水造成严重的结垢，影响太阳能能集热管的集热效率和电辅助加热的效率；另一方面以防高温水烫伤使用者。相反，冬季温度较低，为防止集热管在极端天气下被冻裂，当气温低于5℃时，启动电加热防冻。因此在我国南方地区，若冬季最低气温常低于0℃时，为防止真空集热管冻裂，应选用热管式真空管太阳能集热器、U形管式真空管太阳能集热器或者是平板型太阳能集热器为宜。

（2）由于普通住宅多选用分散局部的热水供应系统，特别是在农村住宅中，都以自家为单位设置太阳能集热器和集热水箱、电辅助加热一体的热水供应系统。据笔者调查了解，目前在农村住宅的热水辅助热源以电为主，并且加热元件都直接安装在集热水箱中，通过监测系统显示水箱温度，按照所需温度而人工启动电辅助加热期刊网。如果自动控制系统不合理，容易造成电辅助加热一直进行而不用太阳能的情况，造成能源巨大的浪费。该村，傍晚和晚上是用水的高峰期，所以自动控制系统应设置好温度和时间匹配的程序，不然就采用手动控制电加热系统。如：当17：00，自动控制系统显示集热水箱温度小于50℃时，再启动电辅助加热日照，而上午及中午等热水需求量较小时，不启动电加热。这样可以满足绝大部分的热水需求，还可以节省电加热能源，降低用水成本。

3.3经济性分析

3.3.1不同热水供应设备的分析

（1）目前在我国南方地区农村的热水制取设备多种多样，以该村为例，主要的热水制取设备有：液化石油气热水器、电热水器、太阳能热水器、煤炉、沼气燃气灶和柴火炉灶等。由于该村有丰富的森林资源，村民家家都会上山砍柴用于做饭和制取热水，故柴火炉灶所占比例最高，为100%；此炉灶生火简单方便，但是会排出大量的黑烟污染环境，最重要的危害是破坏森林。该村城镇化住宅率较高，所以液化石油气热水器和电热水器占有率较高，但是在冬季由于室内较为封闭，常有因有毒气体泄露而中毒的事件发生。而使用不方便、制热缓慢、污染环境的煤炉也被人们逐渐淘汰了。随着国家节能减排政策的推广和人们保护环境理念的加强，该村的养猪大户主要以猪粪为原料，通过沼气池发酵，不但解决了所排猪粪带来的水质污染问题，还能制取沼气。但是为了满足人们的正常生活，所需圈养的生猪数量有一定要求，以4-5口人的家庭为例要近10头百斤以上生猪，而且生猪排便和粪便的发酵都受温度影响较大，温度越低时生猪排便量越少，产气量越低，故在冬季时常有因产气不足而使沼气池被废弃的现象发生，为此不能大力推广。近年来太阳能热水器开始在村中流行，虽然该热水设备可以利用免费、清洁、用之不竭的太阳能，但由于太阳能热水器价格昂贵、供热不稳定等自身因素以及施工人员在安装、保温设计中不够合理，使得该新型节能设备未能被广大村民所接受，目前全村只有19户安装。

（2）在农村的热水设备安装中，目前农民们考虑最多的是热水供应设备及其燃料的价格、供热能力、方便程度。以该村为例，太阳能热水器和电热水器都是以4口之家为例的取值，常用的各种热水供应设备的价格如下：

图十 各种热水供应设备的静态投资对比图

3.3.2投资回收期比较

太阳能热水器目前还未被大力推广的主要原因就是初期投资较高，而大多数村民都未看到长远的利益和投资回报。为此笔者通过对太阳能热水系统展开为期一年的实测，并将每日的太阳能集热热水箱温度T₁相应地记录在excel表格中。当T₁＜50℃时，由电辅助加热，故当日所需热量为：4.187KJ/kg. ℃×200L×（50—T₁）。当T₁≧50℃时，日需能耗为零，其中4.187KJ/kg. ℃为热水比热，200L为太阳能集热水箱热量，50为太阳能集热水箱出水温度。笔者通过编辑上述公式求得2010.3.1—2011.2.28一年内的总能耗：2911.38MJ。若折算成电日照，考虑电热水器的能效比为0.95，则年能耗为：3064.61MJ，即851.3kwh，按当地电价0.55元/kwh，计算年运行费用为：468.2元。

表三 各种热水供应设备与电热水器相比的的静态投资回收期比较

太阳能+电辅助加热的热水供应系统，虽然初期投资大，但年运行费用低，静态投资回收期为6.2a，满足规范中投资回收年限小于10年的要求^[6]。目前太阳能热水器的实用寿命一般为15a。在寿命期内，以电热水器相比，总收益为7760.5元。

本实例中太阳能集热水箱按50L/per.d 选取的，总容积为200L，其年运行费用主要是由于阴雨天，有电辅助加热产生的能耗。由于水箱容积较大，而实际利用的热水又小于总容积，这就造成了电加热能源的浪费。如按40L/per.d，即规范5.1.1-1条中的下限值，选取水箱容积，考虑设备的型号，则水箱容积为167L、集热管长19200mm、共18支、采光面积为2.5m²，初期投资为4300元左右。相应的计算可以求得年运行能耗为2558.9MJ，运行费为390.9元/a，相比200L水箱的太阳能系统多节约能耗505.7MJ/a，节约电费77.3元/a，静态投资回收期为4.5a，节能效果更加明显。

3.3.3环境效益

太阳能热水系统的环境效益主要体现在因节省常规能源的燃烧而减少污染物的排放，目前常用CO₂的减排量为指标期刊网。沼气池+电辅助加热，除了电辅助加热时排放污染，还会在沼气燃烧工程中排放大量的的CO₂、SO₂等有害气体。该四口之家的住宅由于设置了太阳能+电辅助加热的热水供应系统，以纯电热水器相比，年节能为ΔQsave =5772.27.171MJ，寿命期内的可以减排CO₂为10423.14kg，人均2605.78kg。若以全村600人为例，每家都设置太阳能热水器，则全村在太阳能15年的寿命期内可以减排CO₂为1563.47t，减排效果非常明显。

4结论

（1）农村的住宅热水设备在选取和设计时，因缺少具体的参考数据，要因地制宜，从日照时数、太阳能辐照强度、居民用水特性、起居习惯等方面进行综合考虑，当根据最高日用水定额选用设备时应取规范5.1.1-1条中40-80L/per.d的下限为宜日照，南方地区为35-40L/per.d，并且定额由南往北依次减少。

（2）我国农村住宅的太阳能热水系统，多为分散局部供热系统，虽然方便、简单。但是缺少统一的规划和管理，能源浪费较大。特别是在热水设备出口温度的设置上，要根据当地的用水习惯、水质特点进行选取；且需设置防过热、防冻措施。不仅可以提高设备的使用效率，还节约能源。

（3）由于集热水箱容积较大，在阴雨天需要电辅助加热时，能耗也较大，一方面宜正确安装电加热元件的位置。另一方面宜按35-40L/per.d，选取集热水箱，不仅可以减小初期投资、还能减少电辅助加热的能耗。此外应合理利用电加热的自动控制系统，根据热水时变化曲线，当水温未达到设定出水温度的要求时，宜在用水高峰前启动电辅助加热，避免电辅助加热一直运行而使太阳能浪费的现象发生。

（4）我国农村幅员辽阔，各地的气候、生活习惯、用水特性也大有不同。但是随着城乡一体化推进，农民生活水平的提高，人们对生活舒适度的追求也越来越高，相应的能耗也越来越大。资源在不断枯竭，环境在不断恶化，为此在我国南方地区的农村设置太阳能热水供应系统不仅可以满足人们的正常生活所需，还能有一笔可观的收益，最重要的是还让人们切身参与节能减排的行动中。由于笔者能力有限，针对北方地区太阳能利用方面不作讨论。

参考文献
[1]国家住宅与居住环境工程技术中心著.住宅建筑太阳能热水系统整合设计.中国建筑工业出版社.2006.20-25
[2]福建上杭政府网http://www.shanghang.gov.cn/dzzw/zjsh/zrdl/qhqk/
[3]中华人民共和国国家标准.建筑给水排水设计规范.(GB50015-2003).中国建筑工业出版社.2009.
[4]罗运俊.何梓年.王常贵.太阳能利用技术.化学工业出版社.2005.26-27
[5]刘振印.太阳能集中热水供应系统的合理设计探讨.给水排水.2011.37(1).62-67
[6]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册.化学工业出版社.2006.26-28
 

 2/2   首页 上一页 1 2