北京工業大學綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室  王  帝  孫育英  王  偉

       【摘  要】評價指標是引導太陽能熱水系統工程應用與技術發展的重要導向工具。然而現行標準中對太陽能熱水系統節能效果的評價指標主要以對集熱量的考察為導向，對系統實際能耗和有效供熱性能的考察不足。本文基于某太陽能熱水系統實際工程，討論了現行指標在實際評價中存在的具體問題，提出系統能耗系數ηe、太陽能利用系數ηs和系統散熱系數ηhl三項新型評價指標，用于反映太陽能熱水系統的能耗水平、太陽能利用水平和保溫性能，并通過實際工程案例的評價闡釋了各項新型指標的工程意義。本文研究是對現有太陽能熱水系統評價指標的完善，通過新型節能效果評價指標的補充使評價更加客觀、全面、具有對比性，以促進太陽能熱水系統的高效應用。

       【關鍵詞】太陽能熱水系統；節能效果；評價指標

0 引言

       我國太陽能熱利用市場發展迅速，至2016年末，太陽能集熱系統在我國的保有量已達到46360萬m²。太陽能熱水系統是太陽能熱利用的主要方式之一。然而，從對現有太陽能熱水工程的調研情況來看，很多系統的節能效果不佳，運行費用偏高。以電費0.488元/（kW·h）估算，將1t水用電加熱的方式使溫度提升30℃所需的電費約為17元。然而根據一項對北京、廣東、山東等地200位居民所做的調研，有18%的太陽能熱水用戶所支付的熱水費用超過20元/t^{[1] [2]}。對于這些的用戶來說，與單純使用電熱水器相比，太陽能熱水系統并未體現出經濟優勢和節能。

       改善太陽能熱水系統的工程應用現狀首先要確立其工程評價方法。為此，我國發布了《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T 50801 2013），以下簡稱《標準》，分別從系統性能、節能效果、經濟性、環保性四個方面對太陽能熱水系統進行評價。然而，現行標準對太陽能熱水系統節能效果的評價尚不完善?，F有評價指標以集熱量為主要評價依據^[3]，忽視了系統對輸入熱量的損耗問題^[4]，對系統節能效果的考察不夠客觀、全面。一些研究者提出太陽能熱水系統節能效果的評價應以運行能耗為導向[5][6]，為評價體系的優化指明了基本方向，但評價指標的最佳表現形式仍有待討論。

       本文為了完善太陽能熱水系統節能效果的評價方法，結合某工程實際案例，深入分析現行評價指標中的問題，從而尋求更為客觀、全面、適于工程應用的，以運行能耗為導向的太陽能熱水系統節能效果評價方法。本文研究是對現有太陽能熱水系統評價指標的補充和完善，以促進太陽能熱水系統的高效應用。

1 研究案例

       本文以北京市某大學校醫院的太陽能熱水系統為研究案例，該醫院為一棟地上五層的單棟建筑，建筑面積約3000 m²。醫院24h開放，工作日早8：00至晚17：00為門診開放時間，其他時段僅開放急診。正常門診開放時間內，共有約42名醫務工作人員在崗，日接待患者約500人。熱水用途為職工淋浴及各科室洗手盆用水，設計日用熱水量5t，日耗熱量630MJ。

       太陽能熱水系統采用單水箱系統，內置電輔熱，原理如圖1所示。集熱系統設置有32塊微熱管平板式太陽能集熱器，有效采光面積59.52 m²。集熱系統根據集熱器出口溫度與水箱溫度之差自動控制集熱循環啟停。集熱循環停止時，集熱器中的水自動排空至水箱。保溫水箱的有效容積為5m³。水箱內安裝有3組9kW輔助電加熱器，根據水箱溫度自動控制啟停，用于在太陽能不足時保證生活熱水溫度。補水為自來水，通過電磁閥自動控制啟閉。補水的控制策略有兩種：一是根據液位上下限自動補水，二是當水箱溫度過高時補水以降低水溫，從而提高系統的集熱效率。用戶側通過一臺定壓水泵供水，并設有回水循環管。當用戶側管內溫度低于設定值時，回水電磁閥自動開啟，將用戶側管道內的低溫熱水輸回水箱進行再加熱。

       系統還設置有一套自動監控系統，實現對太陽能熱水系統的自動控制與監測，監測點位如表1所示。系統每隔30s記錄一次數據并自動保存。

       本文對該工程2017年全年的運行數據進行調研。調研周期內，系統集熱循環控制溫差為10℃，水箱液位控制范圍為0.4~1m，水箱溫度控制范圍為42~50℃，用戶側回水循環設定溫度為39℃。

2 太陽能熱水系統實際能耗調研

       基于上述案例系統在2017年的全年運行數據，統計計算太陽能熱水系統各類輸入輸出能量，分析系統能耗水平，為節能評價指標的計算和分析提供依據。

       2.1 計算方法

       太陽能熱水系統的輸入熱量包括太陽能集熱系統得熱量Q_j與輔助熱源加熱量Q_f，輸出熱量包括用戶用熱量Q_y與系統散熱量Q_s。根據能量守恒定律，系統的總輸入熱量等于總輸出熱量。本文所采用的各項熱量計算方法如下：

       （1）太陽能集熱系統得熱量Q_j

       Q_j根據太陽能集熱器回水溫度T₃和給水溫度T₄、集熱循環流量Q₂計算，如式1所示.

         

       式中：C-水的比熱容[MJ/(kg ·℃)]；ρ -水的密度（kg/m³）；t_a-開始時刻；t_b-結束時刻。

       （2）輔助熱源加熱量Q_f

       本文近似認為電加熱器的耗電量與其加熱量相等。因此，時間區間t_a至t_b間的輔助熱源加熱量Q_f的計算方法如式2所示。

       Q_f=Q_fb-Q_fa         （2）

       （3）用戶用熱量Q_y

       首先需要算出對應的熱水使用量V_u。本文通過將某一段時間內系統的補水量Q₁及水箱液位的減少量求和得出這一段時間內的熱水使用量V_u。如式3所示。

       

       式中：r—水箱底面半徑（m），其值為1m。

       然后，根據V_u計算用戶用熱量Q_y，如式4所示。將Vu與冷熱水溫差、水的比熱容以及熱水密度相乘便可得到用熱量Q_u。其中Δt為用戶用熱水溫度與補水溫度T₅之差。由于系統內用水末端數量多，位置分散，實際用戶用熱水溫度不便于直接測量和統計。在本文中，用戶用熱水溫度采用用戶側供水溫度T₁₂與回水溫度T₆的平均值進行估算。

       

       （4）系統散熱量Q_s

       系統的散熱幾乎遍布于整個系統中，當系統內水溫高于環境溫度時，管道、管件、水箱無不在向外界散失熱量。因此這部分熱量難以直接計算。本文通過能量守恒定律，根據另外三項熱量計算系統散熱量Q_s，如式5。

       Q_s=Q_j+Q_f-Q_y          （5）

       2.2 能耗分析

       基于2017年運行數據和能量平衡關系，算得該系統全年集熱系統得熱量Q_j為109906.3MJ，輔助熱源加熱量Q_f為132316.3MJ，用戶用熱量Q_y為111232.0MJ，系統散熱量Q_s為130990.6MJ，熱水使用量V_u為1103.2t。各項熱量值如圖2所示。

       從經濟性分析，電費按0.488元/（kW·h）計，可以算得該系統2017年每噸熱水的成本約為16元。而將1t水用電加熱的方式使溫度提升30℃所需電費約為17元?？梢娫撓到y相比于常規能源系統并未體現出明顯的經濟優勢。

       比較系統各項熱量間的關系，該系統2017年全年的輔助熱源加熱量Q_f大于集熱系統得熱量Q_j，占據了輸入能量的主導地位。系統散熱量Q_s大于用戶用熱量Q_y，占系統輸出熱量的多數?？梢?，該系統對太陽能的利用水平和系統保溫性能都不夠理想。而這也就導致了其輔助熱源加熱量Q_f大于用戶用熱量Q_y的現象。

3 以集熱量為導向的太陽能熱水系統節能效果評價與問題

       在《標準》中，太陽能保證率f和常規能源替代量Q_tr是被用于評價太陽能熱水系統節能效果的指標。本節對這兩項指標進行簡要的介紹，并結合案例工程分析其存在的問題。

       3.1 現有節能效果評價指標

       3.1.1 太陽能保證率f

       太陽能保證率f的定義為：太陽能供熱水、采暖或空調系統中由太陽能供給的能量占系統總消耗能量的百分率。其計算式為：

       f=Q_j/Q_z×100          （6）

       式中：f -太陽能保證率（%）；Q_j-太陽能集熱系統得熱量（MJ）；Q_z-系統能耗（MJ）。

       《標準》中規定，太陽能熱利用系統的太陽能保證率應符合設計文件的規定，當設計無明確規定時，應符合表2中的規定。

       《標準》還將太陽能熱利用系統的太陽能保證率分為3級，1級最高，如表3。

       3.1.2 常規能源替代量Q_tr

       常規能源替代量Q_tr的計算方法如式7：

       Q_tr=Q_nj/qη_t         （7）

       式中：Q_tr-太陽能熱利用系統的常規能源替代量（kgce）；Q_nj-全年太陽能集熱系統得熱量（MJ）；q-標準煤熱值（MJ /kgce），按《標準》取q=29.307MJ/kgce；η_t-以傳統能源為熱源時的運行效率。

       根據能源替代量Qtr的計算方法，其含義可以理解為制備與太陽能熱水系統運行期間所采集到的有效得熱量同等熱量所需消耗的常規能源量?！稑藴省分幸幎ǎ禾柲軣崂孟到y的常規能源替代量應符合項目立項可行性報告等相關文件的規定。

       3.2 節能效果評價指標實例計算

       3.2.1 太陽能保證率f

       利用公式6計算太陽能保證率，得到該系統2017年太陽能保證率f值為45.4%。根據《標準》附錄B中對太陽能資源區劃的規定及表2，北京屬于“資源豐富區（Ⅱ）”，太陽能熱水系統的太陽能保證率應大于等于50%?？梢?，該系統在2017年運行中的太陽能保證率接近設計值。

       3.2.2 常規能源替代量Q_tr

       根據式7通過計算可知，該系統2017年全年的常規能源替代量Q_tr為12097.3kgce，即由太陽能集熱提供的熱量替代了12097.3kg標準煤的消耗?！稑藴省分胁⑽磳υ撝笜颂峁┫拗祷蛟u級劃分標準。

       3.3 問題分析

       （1）現有指標以系統集熱量的考察為主要導向，很難客觀地反映系統的節能效果。

       在本文案例中，太陽能熱水系統每噸熱水成本約為16元，相比于估算的用電加熱制熱水理論上每噸17元的成本來說并無明顯節能優勢。而從現行指標上看，太陽能保證率為45.4%，常規能源替代量Q_tr為12097.3kgce，很難判斷實際系統是否節能。

       太陽能保證率f是以集熱量為導向的評價指標，僅代表由太陽能提供的熱量占系統總能耗的比例。而系統能耗Q_z包含了用戶用熱量Q_y與系統散熱量Q_s。其中，只有用戶用熱量Q_y才是對輸入熱量的有效利用量。因此，該指標并沒有考察輸入熱量是否得到有效利用，不能客觀地反映系統是否節能。

       常規能源替代量Q_tr同樣是以集熱量為導向的評價指標。觀察式7可知其值本質上是對太陽能集熱系統得熱量Qj的變型，沒有考察輸入熱量是否得到有效利用，并不能客觀反映系統的節能效果。

       （2）現有指標對太陽熱水系統性能的考察不夠全面，難以體現系統中存在的實際問題。

       現行評價標準僅通過太陽能保證率f和常規能源替代量Q_tr兩項指標考察系統節能效果，而這兩項指標不涉及輔助熱源加熱量Q_f、用戶用熱量Q_y、系統散熱量Q_s三項熱量，無法全面地反映系統性能，難以體現系統中存在的實際問題。雖然《標準》中還包括集熱系統效率η和貯熱水箱熱損因數U_sl兩項系統性能評價指標，但前者主要反映集熱系統自身的工作性能，不能反映出集熱系統的集熱能力對整個太陽能熱水系統來說是否足夠；而后者僅反映水箱的保溫性能，不顧及管網，且無法反映散熱對整個系統的影響程度。

       （3）現有指標缺乏橫向對比性，很難進行等級評定。

       常規能源替代量Q_tr的量值僅由集熱系統得熱量Q_j決定，在同樣的集熱效率下，對于規模較大的系統，其集熱器面積較大，Q_tr值自然較大；對于規模較小的系統，其集熱器面積較小，Q_tr值自然較小。難以根據其值反映不同系統之間節能效果的優劣，缺乏橫向對比性。

4 以能耗量為導向的太陽能熱水系統節能效果評價方法

       根據以上分析，太陽能熱水系統節能效果評價指標的設計應以實際能耗量為導向，并綜合考察系統的能耗水平、太陽能利用水平和保溫性能。同時，指標應具備橫向對比性，易于進行等級評定。為了綜合反應系統性能，避免各部分評價脫離系統主體，本文基于系統內各部分熱量關系設計新型評價指標。

       4.1 以能耗量為導向的新型評價指標

       4.1.1 系統能耗系數η_e

       系統能耗系數η_e用于評價太陽能熱水系統的節能效果。為了反映系統對輸入熱量有效利用的情況，該指標通過輔助熱源加熱量Q_f與用戶用熱量Q_y的關系來體現，如式8所示。

       η_e=Q_y/Q_f                 （8）

       對于分散式常規能源熱水設備，η_e接近并略小于1。而對于太陽能熱水系統，η_e應大于1。且其值越大說明系統節能性越好。 

       4.1.2 太陽能利用系數η_s

       當用戶用熱量Q_y一定，提升系統節能效果，減少輔助加熱量Q_f，可采取兩種途徑，一是增加集熱系統得熱量Q_j，提升對太陽能的利用水平，二是降低系統散熱量Q_s，增強系統的保溫性能。太陽能利用系數ηs用來評價系統對太陽能的利用水平，計算方法見式9。

       η_s=Q_j/Q_f       （9）

       當η_s小于1時，說明由太陽能提供的熱量不及系統輸入熱量的一半；當η_s大于1時，說明由太陽能提供的熱量占系統輸入熱量的一半以上。η_s越大說明系統對太陽能的利用程度越高。

       4.1.3 系統散熱系數η_hl

       如前所述，降低系統散熱量Q_s，即提升系統的保溫性能，是減少輔助加熱量Q_f的途徑之一。散熱系數η_hl通過系統散熱量Q_s與用戶用熱量Q_y之間的比重關系，評價系統保溫性能，如式10。

       η_hl=Q_s/Q_y              （10）

       當η_hl大于1時，說明系統散熱量Q_s超過系統輸出能量的一半；當η_hl小于1時，說明系統散熱量Q_s低于系統輸出能量的一半。η_hl越小說明系統保溫性能越好。

       4.2 新型評價指標的實際應用

       現以本文實測案例系統的運行數據為基礎對上述三項新型指標進行計算，計算結果如表4所示。

       通過以上數據進行分析，首先，系統能耗系數η_e小于1，說明該太陽能熱水系統相比于常規能源熱水制備設備在節能性上并無顯著優勢，甚至可能比常規能源設備耗能更多，并不節能。其次，太陽能利用系數η_s未達到1，說明在系統的輸入能量中輔助熱源加熱量高于太陽能集熱系統得熱量，過于依賴于輔助電加熱。同時，系統散熱系數η_hl大于1，說明系統散失的熱量比用戶用熱還要多，熱損嚴重。

       綜合以上，可以了解到該太陽能熱水系統相比于常規能源熱水系統并不節能，違背了應用太陽能熱水系統的初衷。造成系統不節能的原因包括系統太陽能利用水平不足和系統保溫性能不佳兩方面的原因。因此，亟待提高該系統的集熱效率或有效集熱面積，增強系統保溫性能。

5 結論

       本文結合太陽能熱水系統工程案例的運行能耗調研，對現行評價標準中太陽能熱水系統的節能效果評價指標進行分析，總結出其中的不足之處如下：（1）現有指標以系統集熱量的考察為主要導向，很難客觀地反映系統的節能效果；（2）現有指標對太陽熱水系統性能的考察不夠全面，難以體現系統中存在的實際問題；（3）現有指標缺乏橫向對比性，很難進行等級評定。

       為此，本文以系統實際能耗量為主要導向，并綜合考慮系統集熱能力與保溫性能，基于系統內的熱量平衡關系，提出了系統能耗系數η_e、太陽能利用系數η_s、系統散熱系數η_hl三項新型評價指標。分別用以反映太陽能熱水系統的能耗水平、太陽能利用水平、保溫性能。并利用這些指標對實際工程案例進行了評價。

       本文所提出的新型評價指標是對現有太陽能熱水系統節能評價指標的補充，結合新型評價指標可以更清晰地反映出系統是否節能、對太陽能的利用是否充分、系統保溫性能是否良好這三個問題，而且其比率的形式更便于不同系統間的性能比較。

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       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。