太阳能热水系统

一、研究案例

本文以北京市某大学校医院的太阳能热水系统为研究案例，该医院为一栋地上五层的单栋建筑，建筑面积约3000 m2。医院24h开放，工作日早8：00至晚17：00为门诊开放时问，其他时段仅开放急诊。正常门诊开放口寸间内，共有约42名医务工作人员在岗，日接待患者约500人。热水用途为职工淋浴及各科室洗手盆用水，设计日用热水量53日耗热量630MJo

太阳能热水系统采用单水箱系统，内置电辅热，原理如图1所示。集热系统设置有32 块微热管平板式太阳能集热器，有效采光面积59.52 m2。集热系统根据集热器出口温度与水箱温度之差自动控制集热循环启停。集热循环停止时，集热器中的水自动排空至水箱。保温水箱的有效容积为5m3。水箱内安装有3组9kW辅助电加热器，根据水箱温度自动控制启停，用于在太阳能不足时保证生活热水温度。补水为自来水，通过电磁阀自动控制启闭。补水的控制策略有两种：一是根据液位上下限自动补水，二是当水箱温度过高时补水以降低水温，从而提高系统的集热效率。用户侧通过一台定压水泵供水，并设有回水循环管。当用户侧管内温度低于设定值时，回水电磁阀自动开启，将用户侧管道内的低温热水输网水箱进行再加热。

系统还设置有一套自动监控系统，实现对太阳能热水系统的白动控制与监测，监测点位如表1所示。系统每隔30s记录一次数据并自动保存。

本文对该工程2017年全年的运行数据进行调研。调研周期内，系统集热循环控制温差为10℃,水箱液位控制范围为0.4~lm,水箱温度控制范围为42~50°C,用户侧网水循环设定温度为39℃。

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图1太阳能热水系统原理图

表1太阳能热水系统监测点位

二、太阳能热水系统实际能耗调研

基于上述案例系统在2017年的全年运行数据，统计计算太阳能热水系统各类输入输出能量,

分析系统能耗水平，为节能评价指标的计算和分析提供依据。

2.1计算方法

太阳能热水系统的输入热量包括太阳能集热系统得热量Qj与辅助热源加热量:Qf,输出热量包括用户用热量Qy与系统散热量Qs。根据能量守恒定律，系统的总输入热量:等于总输出热量。本文所采用的各项热量计算方法如下：

（1）太阳能集热系统得热量Qj

Qj根据太阳能集热器回水温度T3和给水温度T4、集热循环流量Q2计算，如式1所示.

Q∕ = CpJ: （22（73-74）丸，二萍

式中:C-水的比热容［MJ∕（kg • ℃）］； P -水的密度（kg/m3）； ta・开始时刻；tb-结束时刻。

（2）辅助热源加热量Qf

本文近似认为电加热器的耗电量与其加热量相等。因此，时间区间ta至tb间的辅助热源加热量Qf的计算方法如式2所示。

Qf=Qfb-Qfa （2）

（3）用户用热量Qy

首先需要算出对应的热水使用量Vu。本文通过将某一段时间内系统的补水量Q1及水箱液位的减少量求和得出这一段时间内的热水使用量Vu。如式3所示。

v u = J：Qι dt + {Y a- Y b y E-2七！赖头族’

式中：r—水箱底面半径（m）,其值为1m。

然后，根据Vu计算用户用热量Qy,如式4所示。将Vu与冷热水温差、水的比热容以及热水密度相乘便可得到用热量Quo其中∆t为用户用热水温度与补水温度T5之差。由于系统内用水末端数量多，位置分散，实际用户用热水温度不便于直接测量和统计。在本文中，用户用热水温度采用用户侧供水温度T12与回水温度T6的平均值进行估算。

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(4)系统散热量Qs

系统的散热几乎遍布于整个系统中，当系统内水温高于环境温度时，管道、管件、水箱无不 在向外界散失热量。因此这部分热量难以直接计算。本文通过能量守恒定律，根据另外三项 热量计算系统散热量Qs,如式5。

Qs=Qj+Qf∙Qy (5)

2.2 能耗分析

基于2017年运行数据和能量平衡关系，算得该系统全年集热系统得热量Qj 为

109906.3MJ,辅助热源加热量Qf 为132316.3MJ,用户用热量Qy 为111232.0MJ,系统散热

量Qs 为130990.6MJ,热水使用量Vu 为1103∙2t0各项热量值如图2所示。

250000-

200000 -

150000 →

100000-

50000-

愉入热鼠

输出热僦

_

4

一

士二暖通湿及

图2系统各部分热量计算结果 .

从经济性分析，电费按0.488元/ (kW∙h)计，可以算得该系统2017年每吨热水的成木 约为16元。而将It 水用电加热的方式使温度提升30C 所需电费约为17元。可见该系统相 比于常规能源系统并未体现出明显的经济优势。

比较系统各项热量间的关系，该系统2017年全年的辅助热源加热量Qf 大于集热系统得 热量Qj,占据了输入能量的主导地位。系统散热量Qs 大于用户用热量Qy,占系统输出热 量的多数。可见，该系统对太阳能的利用水平和系统保温性能都不够理想。而这也就导致了 其辅助热源加热量Qf 大于用户用热量Qy 的现象。

三、以集热量为导向的太阳能热水系统节能效果评价与问题

在《标准》中，太阳能保证率f 和常规能源替代量Qtr 是被用于评价太阳能热水系统节能 效果的指标。本节对这两项指标进行简要的介绍，并结合案例工程分析其存在的问题。

3.1

现有节能效果评价指标

3.1.1 太阳能保证率f

辅助热源加热瓶Q/

132316.3MJ 54 6%

集热系统得热量Q

1099063MJ 45 4%

系统散热显Q

130990 6MJ 54 1%

用户用热少电

111232.0MJ 45.9%