太阳能热水工程应用分析报告

XXX旧居改造项目

太阳能热水工程应用分析报告 2008年7月中旬，应领导要求，我项目部就太阳能建筑一体化应用问题先后对山东桑乐太阳能有限公司、皇明太阳能集团、山东力诺瑞特新能源有限公司等国内知名的太阳能生产厂家进行了咨询。 结合咨询情况，我项目部对太阳能热水系统在建筑中应用作了进一步的分析，并结合以往工程经验，对XXX旧居改造项目热水系统的应用，从初投资和运行费用方面对太阳能热水系统及常规热水系统作了分析和比较。

第一部分太阳能热水系统在建筑中的应用分析 一、太阳能热水系统在建筑中应用方式分析 太阳能作为一种新能源，是一种清洁无污染的可再生能源。太阳能热水系统是以吸收太阳辐射能为热源，将太阳能转为热能以达到加热水的目的的整套装置，包括太阳能集热装置、储热装置、循环管路装置等。由于太阳能热水系统在全年运行中受天气的影响很大，其独立应用存在间歇性、不稳定性和地区差异性，在太阳能应用中除利用集热器将太阳能转换成热能外，应采取热水保障系统（辅助加热系统）和储热措施来确保太阳能热水系统全天候稳定供应热水。

太阳能供热水系统按其集热、储热和辅助加热方式分为三种：1.单机太阳热水器，即分户集热、储热、辅助加热；2.集中式中央太阳能供热水系统，即集中集热储热、集中辅助加热或分户辅助加热；3.半集中方式，即集中集热、分户储热和辅助加热。 1.单机入户系统

该系统适用于统一安装的多层建筑。 家用太阳热水器的特点是用户单独安装、独立使用，太阳能热水系统相对简单，且互不干扰。由于不存在计费问题，物业管理方便，但用户辅助加热部分耗能大，综合造价与同档次的中央热水系统相比相对较高；因无可靠的回水系统，供水管路存水变凉造成热能浪费，热水资源无法共享使系统资源不能充分利用；系统管道较多，与建筑配合难度较大。 单机入户的供水系统中有两种形式，一种是集热器与水箱一体，白天水在集热器中加热后存储在水箱中，用水时采用落水法或顶水法取水；另一种为分体式系统，换热介质通过循环泵在集热器和水箱内换热盘管中循环，将太阳热能传递到水箱中，用水时靠自来水水压将热水顶出。该种形式水箱与集热器分离，容易与建筑配合以实现与建筑的一体化。 2.集中集热储热系统

集中式中央太阳能供热水系统的特点是集成化程度高，集中储热方式利于降低造价并减少热损失，辅助加热系统集中利于补热；热水系统供应管路简单，合理的干管循环回水保证供水品质，实现各用水终端即开即热；对于住宅小区，集中式系统相对分户系统有初期投资少、集成化程度高的优势，模块化的集热器与建筑结合也比较美观。但该类系统集中运行一旦出现故障，用户热水将不能得到保证，且用户使用前需放出较多冷水。该系统在用水时间上可能受系统运行方式影响，当24小时供热水运行费用太高时，改用定时供热水将使用户用热水受到限制。

为解决以上问题，可在上述系统中将集中辅助加热方式改成分户加热方式。该方式运行成本低，能实现太阳能热水的免费供应，但同时也会出现个别用户大量使用热水造成其他用户的热水量减少的现象，需采用经济手段解决用水平衡。

该方式在用水时间上不受限制，能实现24小时供热水，而且集热系统出现故障也不会对用户使用造成影响。

3.半集中式系统

该类系统类似于中央空调系统。集热器集中集热，循环泵将热水输送到每个用户的承压水箱中，通过换热盘管对水箱中的水加热。当需要用水时，若水箱中的水温没有达到设定温度时启用辅助加热；各户单独使用，热水资源分配均匀，且白天部分用户用掉箱中热水后，水箱中的冷水还可以得到一定的热能；集热部分可承压运行，系统闭式循环可避免因水质引起管路和集热器结垢，运行控制方式简单。该系统的最大特点是将热水储存于每户中，这样可以减少水箱占用屋面或地下室面积，整个系统的管路在建筑中也不影响建筑美观。 二、太阳能热水系统与建筑一体化设计

要做好太阳能热水系统与建筑的一体化设计，应从太阳能集热器的选择和安装方式两方面着手，以下分别加以阐述。 1.太阳能集热器选择

集热器产品主要有平板式、全玻璃真空管式、热管式、U型管式几种，应根据当地气候特点以及安装要求来选择适当的集热器。 (1)平板式集热器

平板式集热器具有整体性好、寿命长、故障少、安全隐患低、成本造价低等优点，其热性能也很稳定；采用紧凑式或无间隙安装，在生产热水的同时还具有保温、隔热、遮光、防水的传统屋面功能，这就为取代部分或全部屋面构件提供了基础；集热器形状结构可灵活设计，尺寸可与建筑材料的模数和建筑结构达到较好的相容性。此外，平板式集热器对安装方向角度有较高的要求。

平板式集热器由于盖板内为非真空，保温性能差，故环境温度较低时集热性能较差。对于广东、福建、海南、广西、云南等冬天不结冰的南方地区用户，选取用平板式太阳能集热器是非常合适的。

(2)全玻璃真空管式集热器

全玻璃真空管式集热器效率高，四季均可提供生活热水，对于长江、黄河流域地区的用户比较适宜。真空管对安装角度无特殊要求，水平安装时可实现按季节跟踪阳光，竖向安装可实现一天内跟踪阳光，但与平板式集热器相比存在一定的安全隐患，有可能发生爆管的现象，且系统不能承压运行。 (3)热管式集热器

热管式集热器能抗-40°C低温，而平板式、真空管式都无法抵抗如此低温，故东北三省、内蒙古、新疆、西藏地区的用户必须选用热管型太阳能集热器，但热管式的造价高昂。 (4)U型管式集热器

对于工业用途的热水，一般要求70~90℃的较高温度，并且要求承压，因此选用U型管式是比较划算的，它可承压、产水温度高且无安全隐患，系统稳定性好，价格也比热管式低。 2.太阳能集热器安装设计

城市建筑多属多层以上建筑，其中多层建筑屋顶集热面积一般能满足太阳热水系统需求，故安装形式以屋顶安装为主。高层建筑由于建筑面积大，相对屋顶面积过小故不能满足集热需求，可利用东、南、西三个建筑立面的阳台、窗间墙等部位解决集热面积不足的问题。 (1)坡屋面安装方式

坡屋面多采用集热器与屋面结合，平铺在屋面上的集热器能很好地与屋面一体化。 (2)平屋面安装方式

在平屋面建筑中，屋面安装是一种风险较小、较安全的方式，故一般尽可能将集热器安装在屋面上。在安装中，如果直接将集热器布置在屋面上，将占据住户活动的空间并影响屋面的使用。而将集热器安装在屋面上的架空钢架上，则不影响原楼面的利用（绿化、晒被褥、休闲等），甚至可以起到美化和遮阳的作用。架空安装在一定程度上能增加集热面积，其遮

阳效果还能降低顶层房间的空调能耗，但必须考虑安全性能以及维修的方便。 (3)立面安装方式 在高层建筑中，有时即使屋面全部利用了还不能解决集热面积不足的问题，这时可采用立面安装形式。立面安装应尽量使集热器多接收太阳光，避免遮挡，且安全问题应特别重视。 全玻璃真空管集热器在立面安装使用时，由于存在爆管问题，一般以内插U管式集热器或热管集热器代替，采用承压运行方式。平板式集热器由于对安装位置角度要求较严，在立面安装使用时应尽量与墙面成一定角度。目前立面利用太阳能多采用分体式单机系统，每户单独安装，水箱置于阳台或卫生间内。 在与建筑一体化方面，可将集热器与建筑遮阳结合，在集热的同时起到遮阳与挡雨的作用；可在立面垂直安装，利用阳台栏杆或者窗间墙等作为集热器布置空间或直接将集热器作为阳台护栏。此外集热器还可以安装在南立面空调机外侧，这样可起到遮挡空调机的目的。 安装位置并安排预埋件，同时预留相应的孔洞方便管路的安排。其他的专业如给水专业根据使用要求确定系统运行方式，进行管路的布置和水力计算，再由太阳能设备厂家完成安装施工。

第二部分太阳能热水应用的经济性分析

一、住宅部分（以每栋楼100户，每天15吨热水用量分析，集中式供热水分析） 1、每年节约的能量

△Q save =ACJT(1-ηc) ηcd

式中：△Q save——太阳能热水系统的节能量，MJ AC——直接系统的太阳集热器面积，m2

JT——太阳集热器采光表面上的年总太阳辐照量MJ/ m2 ηcd——太阳集热器的年平均集热效率，％ ηc——管路和水箱的热损失率 在本项目中，太阳集热器采光表面上的年总太阳辐照量为5500 MJ/ m2,根据这一公式的计算结果为：

＝280m2×5500 MJ/ m2×（1－20％）×65％ ＝800800MJ

每吨标准煤的热值为29308MJ，因此使用太阳能热水系统相当于每年27.3吨标准煤充分燃烧产生的热量值。 2、经济效益分析

以每天产热水量共15吨计

2.1 太阳能系统每天所产总热量 Q w=cm(tend-ta)

=4.187*15000*(50-11) =2449395kj

2.2 太阳能与电热效益分析

电加热的转化效率一般在90％左右，要产相同热量所需总热量为 Ｑ电＝＝＝2721550kj 换算电能为

１度＝1kwh＝3600000ｊ＝3600ｋｊ 则每天需要电能

2721550/3600＝755.98kwh 电费按0．6元／kwh ，则 755.98*0.6＝453.59元

太阳能系统按每年270天工作，则每年可节约费用： 453.59*270＝122469元

15吨太阳能系统一次性投资在25万元左右，所以在2-3年内可回收成本。 2.3 太阳能与天然气的效益分析

天然气热值ｑ天然气＝36006.5kj/m3 天然气价格2.7元/m3

天然气热转化效率为７５％左右，则要产生相同热量所需总天然气为

＝＝ 100.8m3

每天所需要的费用为 100.8*2.7=272.1元/天

太阳能系统按每年270天工作，则每年可节约费用 272.1*270=73468.58元/年

15吨太阳能系统一次性投资在25万元左右，所以在3-4年内可回收成本。 1.4太阳能与煤的经济效益分析

Hc无烟煤的热值，24420 KJ /㎏无烟煤价格 750元/吨 燃煤锅炉的热转化效率在30%--50%,本处取40%。 由

则= =278.6kg 278.6kg=0.2786t

0.2786t *750=208.95元 208.95*270=56416.5元

15吨太阳能系统一次性投资在25万元左右，所以在4-5年内可回收成本。 3、各种供热水方式投资比较分析

3.1传统锅炉：燃煤锅炉运行成本低但方式不可取，环保通不过

每楼配一200kw电锅炉也可，投资约6万，控制也简单，但运行费用高，15吨系统每年电费近25万元。

3.2燃气锅炉：每楼配一个，投资与电锅炉相当，运行费用每年20万左右。

3.3热泵：空气源热泵每楼投资约8万元，但冬季效果不好，地源热泵投资高，每楼一个设备投资70万左右。

3.4太阳能系统每楼投资约25万，电辅助运行费用每年约9万。 4. 集中式和分体式的利弊分析

XXX旧居改造项目住宅部分属于高层住宅，单层面积小，楼顶空间小，不过将集热器安装在屋面上的架空钢架上，则不影响原楼面的利用（绿化、晒被褥、休闲等），甚至可以起到美化和遮阳的作用。但若考虑利用南立面安放集热器，只能采用单台分体壁挂式。另外在造价方面，太阳能热水系统单户分体壁挂式比集中式造价会高60%左右。 4.1集热式利弊分析

利：造价相对低，日均水温比分体高20%

弊：管理运行成本高，比如日常系统维护、检修等后续服务要求较高。（可对每户安装热量表进行集中收费）

4.2单台分体壁挂式利弊分析

利：几乎没有与物业有关的后续服务 弊：造价高，热水温度相对较低 二、、酒店部分 1、热负荷计算

根据要求，本项目的热负荷共分为两个部分： 1.1游泳池热负荷计算

A：游泳池的热损包括：a、水面蒸发和传导损失。b、池底、池壁传导损失。d、管道、设备热损失。上述a-d项热损失按游泳池每天自然温降（按2℃计算）的简化公式计算如下： Q(a-d)=αγ△TV=4.18KJ/Kg. ℃*1Kg/L*2℃/d*216000L =1805760KJ/d

B：补充水加热热量，按照贵方提供的数据，本项目每天补充的水量为20立方米，设自来水起始温度12℃，则需要的热量为：

Qe=αγqe(ts-tb)=4.18KJ/Kg.℃*1Kg/L*20000L*(27℃-12℃) =1254000KJ/d

C：游泳池每天所需总热量（即每天采热量）为： Q总= Q(a-d)+ Qe =3059760KJ/d 1.2客房用水热负荷计算

按照提供的数据400个床位，每个床位40公斤热水计算。则每天需要的水量为： 40Kg×400人=16000Kg，每天需要的热量为： =4.18KJ/Kg.0C×16000L×(450C-110C) =2273920KJ/d

2、集热面积确定

太阳能辐射强度和光照时间确定：

山东省属于我国三类太阳能辐照度地区，年照时数大多在2259-3016H/年以上，辐射量5016-5852（MJ/m2.a）。 2.1集热面积确定

根据国家现行标准《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T 18713-2002太阳热水系统的集热器采光面积可根据系统的日平均用水量和用水温度确定，按下面公式进行计算：

A c = QwC w (tend — ti) f/｛A c JTηcd (1—ηL)｝ A c——直接式系统集热器采光面积，㎡； Q w ——日平均用水量批；

C w ——水的定压比热容，4.18kJ /（kg ·℃）； tend ——贮热水箱内水的终止温度，45℃； ti——水的初始温度，11℃；

JT ——当地春分或秋分所在月集热器受热面上月均日太阳辐照量，kJ/㎡； f ——太阳能保证率，无量纲

ηcd ——集热器全日集热效率，无量纲； ηL ——管路及贮水箱热损失率，无量纲；

其中Jr—为所在地集热器受热面上月均辐照量，计算结果应依照春、夏、秋三个季节的平均值，在本项目中取3、4、6、9、10月份的平均值，计算结果如下： （18.333＋18.214＋16.629＋18.035＋16.682）MJ/m2÷5=13971KJ/m2 根据以上公式，太阳能热水系统的集热器面积计算结果为： 游泳池所需集热面积：

＝3059760KJ/d×55%÷（13971Kj×55%×（1－20%）） ＝1682868Kj÷6147Kj ＝273m2

客房用水所需集热面积：

＝2273920KJ/d×55%÷（13971Kj×55%×（1－20%）） ＝1250656Kj÷6147Kj ＝203m2

2.2电辅助加热功率计算

电辅助加热的功率取决于加热时间，在本方案中，为提高太阳能热水系统利用率，应尽可能缩短加热时间，例如下午三点开始洗浴，如蓄热水箱水位未达到设定时间，则应提前2小时启动电锅炉补充热量，到夜间7点以前，电锅炉的全负荷运行必须保证系统的连续供水，则需要的电辅助加热的功率为： KW＝Qs／Hcη1η2H

式中：KW———电加热功率

Qs ———所需热量（客房用水），2273920KJ/㎡ Hc ———电的热值，3600 KJ KWH η1 ———管道输送效率，95％ η2 ———锅炉运行效率，95％ H ———电锅炉运行时间 6小时

根据以上公式计算结果为：6小时加热16吨淋浴用水需要116KW。

考虑到设备故障等一切最不利因素，本项目确定最终的电加热功率为120KW，共6个20KW电热管。

通过以上计算，游泳池与客房共使用热水32吨，集热器80组，造价约60万元。 3、效益分析

每天产热水量共32吨

3.1 太阳能系统每天所产总热量 Q w=cm(tend-ta)

=4.187*32000*(50-12) =5082880kj

3.2 太阳能与电热效益分析

电加热的转化效率一般在90％左右，要产相同热量所需总热量为 Ｑ电＝＝＝5647644kj 换算为电能为

１度＝1kwh＝3600000ｊ＝3600ｋｊ 则每天需要电能

5647644/3600＝1568.7kwh 电费按０．６元／kwh ，则 1568.7＊0.6＝941.2元

太阳能系统按每年270天工作，则每年可节约费用 941.2*270＝254124元

32吨太阳能系统一次性投资约60万元左右，所以在2-3年内可回收成本。 3.3 太阳能与天然气的效益分析

天然气热值ｑ天然气＝36006.5kj/m3 天然气价格2.7元/m3

天然气热转化效率为７５％左右，则要产生小要产相同热量所需总天然气为

＝＝ 188.2m3

每天所需要的费用为 188.2*2.7=508元/天

太阳能系统按每年270天工作，则每年可节约费用 508*270=1371602元/年

32吨太阳能系统一次性投资约60万元左右，所以在4-5年内可回收成本。 3.4 太阳能与煤的经济效益分析

Hc无烟煤的热值，24420 KJ /㎏无烟煤价格 750元/吨 燃煤锅炉的热转化效率在30%--50%,本处取40%。 由

则= =520.4kg 520.4kg=0.5204t

0.5204*750=390.3元

太阳能系统按每年270天工作，则每年可节约费用 390.3*270=105381元/年

32吨太阳能系统一次性投资约60万元左右，所以在6年内可回收成本。 4. 各种供热水方式投资比较分析（与住宅部分基本等比） 第三部分总结

根据以上分析，XXX旧居改造项目热水系统选用太阳能作热源是比较经济的，此举也正响应了5月14日XXX市建委发布的“新建住宅须用太阳能热水”的通知要求。 由于单台分体壁挂式存在的安装运行复杂、水资源浪费较多、造价高及不安全等方面的种种弊病，因此项目部建议采用集中集热、分户加热的集中式太阳能系统，将集热器安装在屋面上的架空钢架上，以解决屋面空不足的问题。

酒店部分太阳能集中式热水系统的利用可有效解决传统热水方式耗能高或污染严重的问题。 最后，太阳能建筑一体化的实施与建筑规划以及设计院的工作都有关联，若确定应用太阳能热水系统，尚需与规划部门及设计院做好沟通工作。 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX分公司