高层住宅太阳能热水系统经济分析

Abstract: Taking the design of group hot water system of a high-rise residential building for example, this paper expounds the main links of calculation and design of the balcony wall-mounted solar hot water system, makes a economic analysis on it, and compares it with conventional electric heating systems, which is a reference for design ideas of green buildings, energy reduction.

Keywords: solar energy; hot-water systems, high-rise residence; design for energy efficient

中图分类号：S214.2 文献标识码：A 文章编号：2095-2104(2012)

引言：

能源是支撑经济社会发展的重要物质基础，近年来，随着经济发展和人民生活水平的提高，能源需求不断增加，能源供需矛盾日益突出，资源环境承载压力逐渐增大。太阳能作为一种取之不竭的清洁可再生能源，已逐步成为替代常规化石能源的新型能源。太阳能光热系统是成熟适用、清洁环保的重要新能源技术，推广应用太阳能光热系统对满足能源增长需要、保护环境、实现可持续发展具有重要作用。

一、太阳能资源

太阳能设计首先要判断工程所在地的太阳能资源分布情况，根据太阳能资源的丰富程度确定太阳能适用性。在太阳能资源丰富和较丰富低区，宜使用太阳能热水系统;在太阳能资源一般低区，宜优先选择和使用太阳能热水系统，在太阳能资源贫乏低区，宜进行投资收益分析，再选择和使用太阳能热水系统。

下面以山东省济南市某高层住宅工程为例，进行具体介绍分析。

1.1 气候特点

山东省属于三类太阳能辐照区，位于黄河下游，处于北纬34.25 ～38.23 ，东经114.36 ～122.43，之间。其济南市位于北纬36°40′，东经117°00′。济南市属暖温带大陆性季风气候。其主要气候特征是：季风明显，四季分明;冬冷夏热，雨量集中。

1.2 太阳辐照量

计气象参数可参照济南市的气象资料。年平均日照小时数为7.1h;水平面年总辐照量为4809.780MJ/(m2•a)，水平面年平均日辐照量为14.455MJ/(m2•a);当地纬度倾角平面年总辐照量为5277.709MJ/(m2•a)，当地纬度倾角平面年平均日辐照量为14.455MJ/(m2•a)。

1.3 适用性分析

Xx住宅小区1~6#楼项目位于济南市，年日照时间2591小时左右，年太阳能辐射量5277.709兆焦耳/平方米，属于三类太阳能辐照区，按《全国民用建筑工程设计技术措施-给水排水》(节能专篇)4.1.1规定：对于年日照时间数大于1400h，年太阳能辐射量大于4200兆焦耳/平方米的地区，气候有利于使用太阳能热水，本项目设计选用太阳热水系统。

二、太阳能系统设计

2.1 项目概况

济南XX住宅小区1~6#楼，共有6栋楼。项目总建筑面积为149345.60m2。

其中1#楼29F;2#楼28F;3#楼30F;4#~6#楼均为33F。

2.2方案设计

本项目均为高层建筑，建筑户数多，相对屋顶面积较小，采用屋顶集中式太阳能热水系统热水供应量小，无法满足用户适用要求。若采用屋顶单户式太阳能集热器，也因屋顶面积无法满足所有用户安装太阳能热水器。山东太阳能资源丰富，当地太阳能厂家众多，太阳能热水系统经济性较好。根据本项目特点和实际情况，并遵循可再生能源利用相关法规和规范的相关规定，采用分户阳台壁挂式太阳热水系统提供居民生活热水。太阳能集热器挂在每户南向阳台外栏杆处。热水经太阳能集热器加热后，进入每户独立的热水水箱，系统正常情况下优先使用太阳能，太阳能水温不足时由住户加热装置进行辅助加热，水箱的电加热功率为2000W。

2.3 系统原理

本方案为分户集热，分户水箱，集热器闭式，水箱承压的自然式双循环热水系统。自然循环系统将储热水箱置于集热器上方(最佳垂直距离为0.3～1 米)，循环介质在集热器中接受太阳幅射的加热，温度上升，造成集热器及储热水箱中温度不同而产生密度差，因此引起浮力，此热虹吸现象促使循环介质在储热水箱及集热器中上下自然流动，不断与储热水箱中的水进行热交换，加热水箱中的水。

2.3.1系统为闭式系统，最大工作压力 3bar;循环管路采用Φ16 ×0.6mm 铜管;分体注液阀采用磁性锁注液阀;连接管件喇叭口接头连接;集热器介质出口必须垂直方向低于水箱介质出口不小于 0.3m;水箱下介质进出口要高于集热器介质进出口，管路绝对不允许有反坡出现。管路一定要有倾斜，尽量不水平走管，倾斜角度越大越好, 管路不宜有直角弯，弯曲半径越大越好。

2.3.2安装时，水箱底端与集热器顶端的最佳垂直距离为 0.3～1 米;管路单向长度不宜超过2 米。本要求考虑大多数实际安装情况，如有特殊情况，水箱与集热器间距越小越好。集热器安装时，集热器介质进出口端不低于集热器底端。水箱进水口压力不宜大于 0.40MPa; 注液阀、所有管路必须做保温，室内介质循环管路也必须做保温，南方保温层厚 15mm 以上，北方地区保温层厚20mm 以上。室外部分要在室内保温材料厚度基础上再加20mm 厚保温材料。同时进出介质管不能合并在一起，要分开分别做保温。安全阀泄压口应采用热水软管接至地漏处。软管不许折弯和堵塞，耐温大于120℃(水箱安装处一定要有地漏)

2.3.3太阳能集热器的方向朝南、南偏西或南偏东30°以内。有偏向角度或垂直安装时，会对集热器效果有影响，应进行集热面积补偿。

2.4 设计计算

2.4.1 热水量计算

按照每户3.2 人进行热水量计算，热水的温度选定为55℃，按照《全国民用建筑工程设计技术措施-给水排水》中表6.1.0-1，每人每日的热水用水定额为45L，则每户每日的热水用量为3.2×45=144L。

2.4.2 集热器面积计算

集热器面积计算如下(具体参数取值略)：

由于是阳台外挂式集热器，垂直接受日光，因此要对其进行面积补偿。根据《太阳能集热系统设计与安装》(06K503)附录2 主要城市太阳能集热器补偿面积比，查得济南市补偿面积为0.65。因此最终确定的换热器面积为：

2.5 系统选择

阳台壁挂式太阳能热水系统：分户集热，分户水箱，集热器封闭，水箱承压的自然循环热水系统，采用太阳热水系统型号：B-J-F-2-100/Ac/0.7-Z，其中：

B——玻璃-金属真空管;

J——金属管内走介质;

F——分体;

2——间接系统;

100——水箱容量;

Ac——轮廓采光面积;

0.7——水箱耐压0.7公斤;

Z——自然循环。

三、经济性分析

相对于常规热水系统，太阳热水系统在寿命期内消费的特点是初投资大而运行费用低。初投资大是因为太阳热水系统是在常规热水系统的基础上增加了太阳集热系统，因此增加了初投资;运行费用低，则是因为充分利用太阳能提供生活热量而减少了常规能源的消耗。

太阳热水系统综合节能效益分析是根据太阳热水系统形式，确定的集热器面积及集热器性能参数及气象条件下在系统寿命期内的节能效益分析。主要包括太阳热水系统寿命期内节省费用的分析，太阳热水系统增加初投资的回收年限，以及太阳热水系统环保效益分析等。

3.1 主要计算参数

a. 济南太阳能辐照量：14.455MJ/m2;

b. 1KW•H = 3.6 MJ;

c. 电价:0.6元/度;

d. 太阳能使用寿命：15年。

3.2 寿命期内太阳热水系统总节省费用的预评估

3.2.1 太阳供热系统的年节能量



△Qsave—太阳热水系统的节能量，MJ;

Ac—系统的太阳集热器面积，本项目为 2105.39m2;

JT—太阳集热器采光表面上的年平均日太阳辐照量，山东地区取14.455MJ/m2;

(根据各地区的太阳能辐照表选取，具体数值查询GB50364-2005);

ηcd—太阳集热器的全日集热效率，取60%;(可选数值0.3～0.8);

ηL—管路和水箱的热损失率，取20%;(推荐数值：0.1～0.2)。

代入数据得，△Qsave=5331934MJ，即 1481093Kwh

3.2.2 寿命期内太阳热水系统的总节省费用

SAV—系统寿命期内总节省费用，元;

PI—折现系数;其中，e 为年燃料价格上涨率，取为1%，n 为经济分析年限，取为15 年，d 为五年以上银行贷款利率(按2008 年执行)，取5.94%，则PI=9.89;

Cc—常规能源热价，元/MJ，以单位电价计，电加热设备效率按照95%考虑，假设电价0.6 元/度，则Cc=0.18 元/MJ;

Ad—太阳供热系统总增投资，太阳能项目增投资大概在305 万。

DJ—维修费用，每年用于与太阳热水系统有关的维修费用占总增投资的百分

率，%，一般取1%。

将以上数据代入得，SAV=614.03 万元。

3.3 太阳热水系统增投资回收年限的预评估

当太阳能热水系统运行n 年后节省的费用与系统的增加初投资相等时，这个年限n 即为投资回收年。
高层住宅太阳能热水系统经济分析

经过计算可得，本项目回收期N=3.7 年。

3.4 太阳能热水系统环保效益的评估

太阳热水系统的环保效益体现在因节省常规能源而减少污染物的排放，主要指标为CO2 的减排量。将系统寿命期的节能量折算成标准煤，然后将标准煤中碳的含量折算成CO2，即为该太阳热水系统CO2 的减排量。
高层住宅太阳能热水系统经济分析

QCO2—系统寿命期内CO2 减排量，kg;

W—标准煤热值，29.308MJ/kg;

n—系统回收年限，15;

FCO2—二氧化碳排放因子，0.866kg 碳/kg 标准煤;

Eff—常规能源电加热装置效率，本项目取0.95。

带入数据，计算得：QCO2=9121275kg≈9121吨

综上，该太阳能光热系统寿命期内总节能量148.1万KWh，总节省费用614.03万元，投资回收期3.7年，CO2减排9121吨。

四、总结：

太阳能热水系统一次投资，长期受益。开发利用太阳能既可节约能源，为企业提高经济效益，又可减少常规能源的消耗和对环境的污染，有利于保持生态平衡，因此近年来国家及各级政府均高度重视太阳能推广应用，连续出台了加快新能源和节能环保产业发展的意见，明确了开发利用太阳能的目标、思路和政策措施，为推广应用太阳能创造了良好的环境和条件。工程设计人员应大力推行太阳能与建筑一体化，大力提升太阳能光热利用技术水平，为发展节能产业、绿色经济作出更大贡献。