太陽能熱水器與居住建筑熱水節(jié)能

摘 要

摘要：介紹了我國居住建筑熱水的能耗現狀，太陽能熱水器在熱水節(jié)能中的最新進展、節(jié)能性、經濟適用性。太陽能熱水器的經濟性取決于氣候條件、系統(tǒng)造價、能源價格體系等多種因素
摘要：介紹了我國居住建筑熱水的能耗現狀，太陽能熱水器在熱水節(jié)能中的最新進展、節(jié)能性、經濟適用性。太陽能熱水器的經濟性取決于氣候條件、系統(tǒng)造價、能源價格體系等多種因素。有必要進一步提升太陽能熱水器性能，特別是提高氣候適應性。改進建筑規(guī)劃設計，實現太陽能熱水器與建筑的有機結合。太陽能熱水器的推廣應當細分市場，對于中國廣大農村，整體式、平板型太陽能熱水器更有適應力。
關鍵詞：太陽能熱水器；居住建筑；生活熱水；節(jié)能性；經濟性
Solar Water Heater and Hot Water Energy-saving in Residential Building
CHEN Xiao-ming，LU0 Qing-hai，ZHANG Jin，LIU Jian-xiang，WANG Yan-jin
Abstract：The present states of hot water energy consumption in Chinese residential buildings，the recent progress. Energy-saving efficiency and economic applicability of solar water heater in hot water energy-saving are introduced. The economic efficiency of solar water heater depends on climate conditions，system fabrication cost，energy price system and other factors. It is necessary to further improve the performance of solar water heater，especially its climate adaptability. The organic combination of solar water heater with building can be achieved by improving the architectural planning design. The promotion of solar water heater should be based on market segmentation. For the vast countryside in China，the integrated collector storage solar water heater and flat plate solar water heater have better adaptability.
Key words：solar water heater；residential building；domestic hot water；energy-saving efficiency；economic efficiency
     節(jié)能是建筑未來發(fā)展的主題和重點[1]，深化太陽能利用是解決建筑高能耗問題以及節(jié)約能源的有效途徑之一[2～6]。常規(guī)熱水器的高能耗是熱水加熱技術發(fā)展的缺憾[7]，太陽能熱水器能降低電力的高峰負荷，減少木材、煤炭、燃油等燃料的消耗[8、9]。開發(fā)、生產高品質的太陽能熱水器產品是熱水器技術發(fā)展的主題和方向。本文對太陽能熱水器技術的發(fā)展及其與居住建筑熱水節(jié)能緊密關系進行綜述。
1 居住建筑熱水能耗現狀
    目前，我國建筑能源消耗占到社會總能耗的25.5%[10]，并隨著經濟的持續(xù)發(fā)展、城市化的推進和人民生活水平的提高呈現增加的趨勢，給我國的能源供應帶來了巨大壓力。由于生活熱水能耗沒有明確的統(tǒng)計渠道，導致我國公共、居住建筑中熱水能耗的統(tǒng)計數據缺乏。據調查，我國北方居住建筑能耗中，熱水能耗占15%[11]。
    我國每戶平均熱水能耗(折合成耗電量)僅為80～130kW·h/(戶·a)，與日本的每戶平均熱水能耗(折合成耗電量)1404kW·h/(戶·a)相比，相差甚遠[1]。對于居住建筑生活熱水使用量，日本為100～150L/(人·d)，而我國使用生活熱水器的居民，實際用水量僅為20～40L/(人·d)[10]。這反映了不同國家居民生活方式、生活水平的不同。
    我國熱水器的每百戶城鎮(zhèn)居民擁有量為72.7臺[12]，即使在上海這種國際型大都市，戶均擁有熱水器只為0.8臺[13]，這是造成生活熱水能耗差異的主要原因。居民家庭擁有的熱水器中，燃氣熱水器占57.4%，電熱水器占31.3%，太陽能熱水器僅占11.3%[12]。目前，城鎮(zhèn)制取生活熱水的主要方式是燃氣、電加熱，農村以煤、生物質燃料直接燃燒加熱為主。
    我國燃料資源儲藏以煤比較豐富，但人均擁有量較低。電力生產仍以火力發(fā)電為主，燃煤發(fā)電的比重高達80%以上，發(fā)電煤耗量占全國煤炭產量的50%以上。電力工業(yè)能源利用效益水平相對落后，與世界先進水平相比差距較大[14]。
    我國居住建筑生活熱水能耗遠低于發(fā)達國家，農村低于城鎮(zhèn)。隨著人民生活水平的提高，生活熱水的需求量將持續(xù)上升。開發(fā)、生產高品質的太陽能熱水器產品，是解決常規(guī)熱水器高能耗問題以及節(jié)約能源的有效途徑之一。
2 太陽能熱水器的發(fā)展
    我國太陽能資源非常豐富，年平均日照時間大于2200h/a，太陽年輻照度總量高于5016MJ/m2的地區(qū)占我國國土面積的66.7%以上。豐富的太陽能資源為太陽能熱水器的發(fā)展、推廣和普及提供了良好的資源基礎，其中平板型、真空管太陽能熱水器的年均增長率為25%[15]。
    ① 整體式太陽能熱水器
    整體式太陽能熱水器(即悶曬式太陽能熱水器)集蓄熱水箱和集熱器于一體，冷熱水的循環(huán)流動是在蓄水箱內部進行的，經過一天的悶曬，水能被加熱到一定溫度。具有節(jié)材、生產工藝相對簡單、結構緊湊、管理方便、熱效率較高等優(yōu)點[16、17]。許多國家，特別是印度、以色列、德國、英國和希臘等國都對整體式太陽能熱水器進行了大量研究。
    由于集熱面是蓄熱水箱外表面的一部分，因此整體式太陽能熱水器的主要缺點是頂部熱損失較大，蓄熱水箱難以保證熱水次日早晨使用的溫度要求[18]。由于存在較高的熱損失，整體式太陽能熱水器的應用比平板型太陽能熱水器少[19、20]。但可以通過采用選擇性吸熱體、雙層蓋板、透明隔熱材料等方式降低熱損失，通過使用反射器來提高集熱面獲得的太陽輻射量。
    巴林大學設計了一臺由高質量玻璃制造的圓柱形太陽能熱水器，其直徑為0.14m、長度為0.8m。由于采用圓柱形設計，無需跟蹤太陽。實驗期間，水的進出口溫差最大值達到27.8℃，最大效率為41.8%[21]。
    Souliotis和Tripanagnostopoulos提出了采用選擇性吸熱體表面、高透射率的低氧化鐵蓋板和高反射率的反射器組成的整體式太陽能熱水器[22]。集熱面積為0.75m2，蓄熱水箱容積為81.23L。在希臘的佩特雷大學進行測試，蓄熱水箱具有良好的溫度分層，蓄熱水箱頂部33%的熱水有著足夠的溫升。當6:30時初始溫度為20℃時，在16:30時水溫可升高到60℃；當6:30時初始溫度為40℃時，在16:30時水溫可升高到72℃。
    ② 平板型太陽能熱水器
    平板型集熱器因其制造簡單、運行可靠、成本低廉得到了廣泛應用。2004年，平板型太陽能熱水器占全球太陽能熱水器總保有量的35%[15]。目前，國內外使用比較普遍的平板型集熱器采用全銅集熱器、銅鋁復合集熱器。
    平板型太陽能熱水器的不足在于平板型集熱器在高溫段的效率偏低、表面熱損失較大[23]。因此，提高平板集熱器效率一方面要提高得熱量，另一方面要減小熱損失，尤其是對流傳熱損失。
    由約旦Nur Engineering公司生產的平板型太陽能熱水器，集熱面積為1.1m2，圓柱形蓄熱水箱容積為0.1m3。對于巴林冬季的氣象條件，蓄熱水箱的日平均溫升達到17.5℃[24]。
    Nahar提出采用鋁板制造集熱板的平板型太陽能熱水器[25]，集熱面積為1.9m2，造價比以銅制造集熱板的平板型太陽能熱水器低22%左右。對于印度焦特布爾的氣候條件，當自來水平均溫度為23.9℃時，每天可以提供100L溫度為62℃的熱水，到次日8:00，水溫可保持在50.4℃。
    ③ 玻璃真空管太陽能熱水器
    玻璃真空管集熱器由多根玻璃真空集熱管插入聯箱組成。玻璃真空集熱管是接收太陽能并轉化為熱能的關鍵部件，由于采用了真空夾層，消除了氣體的對流與傳導熱損失，并應用太陽選擇性吸收涂層，使玻璃真空集熱管的輻射熱損失降到最低[26、27]。
    目前，我國超過95%的玻璃真空管太陽能熱水器的集熱器采用緊湊式結構[28]。這種集熱器的傳熱完全是依靠水通過單端封閉管的自然循環(huán)進行驅動，是玻璃真空管太陽能熱水器應用最廣泛的結構，擁有數量及生產能力均占世界首位。
    湖北宜昌某培訓中心采用玻璃真空管太陽能熱水器+輔助蒸汽鍋爐的熱水供應系統(tǒng)[29]。集熱面積為190m2，蓄熱水箱的容積為25m3。比單純采用蒸汽鍋爐供應熱水年節(jié)約燃料油20.1t/a，靜態(tài)投資回收期為0.94年。
    與其他傳熱介質相比，CO2更有利于傳熱[30]，具有熱穩(wěn)定性和不活潑性[31]。將超臨界CO2作為傳熱介質用于太陽能集熱器，具有很大的優(yōu)勢。Zhang和Yamaguchi提出了以超臨界CO2作為傳熱介質的太陽能集熱器[31]，實驗期間，集熱器年平均效率高達60.0%。
   ④ 熱管式太陽能熱水器
   熱管式集熱器分為熱管式平板集熱器和熱管式真空管集熱器，二者集熱原理基本相同。熱管具有無需運動部件及外動力、管內液體工質防凍、防止傳熱介質倒流等優(yōu)點，可應用于寒冷、多云、多風的地區(qū)[32～34]。
    胡亞才等人提出了真空玻璃蓋板熱管式平板型太陽能熱水器[35]，日平均熱效率比普通玻璃真空管太陽能熱水器高13.3%，平均熱損率低52.5%。
   將復合拋物面聚光器(CPC)與熱管式集熱器結合，形成CPC型熱管式集熱器，在相同太陽輻照度條件下，CPC型熱管式集熱器比普通熱管式集熱器的集熱能力有所提高。任云鋒等人提出了一種以平面形吸熱體為集熱器的CPC型熱管式集熱器[36]，在太陽輻照度為679W/m2的條件下，從18℃開始，經過4h后，采用CPC型熱管式集熱器的熱水器蓄水溫度升高到75℃，比采用普通熱管式平板集熱器的熱水器蓄水溫度提高6℃；在太陽輻照度為892W/m2的條件下，從15℃開始，經過4h后，采用CPC型熱管式集熱器的熱水器蓄水溫度升高到91℃，比采用普通熱管式平板集熱器的熱水器蓄水溫度提高10℃。
3 太陽能熱水器的經濟適用性
   太陽能熱水器的技術經濟性受地域氣候條件的影響較大。整體式和平板型太陽能熱水器的結構簡單、價格較低，但效率較低，適用于太陽能資源豐富，尤其是不太寒冷的地區(qū)，也適合作為寒冷地區(qū)的季節(jié)性熱水器。雖然玻璃真空管太陽能熱水器的價格較高，但是集熱效率較高，具有防凍等優(yōu)點，適用于太陽能資源不很豐富、冬季寒冷的地區(qū)。
    城鎮(zhèn)家庭收入較高，生活作息波動性較大，人均需求熱水量較大，有時要深夜使用，熱水使用時間跨度較大?？梢赃x擇價格較高、效率較高的玻璃真空管、熱管式太陽能熱水器。農村家庭收入較低，洗澡等熱水需求彈性比較大，21:00左右大部分居民已經就寢，生活熱水使用時間比城鎮(zhèn)居民提前，對蓄熱水箱的保溫要求相對較低，需要的是價格低廉，操作方便的產品，整體式和平板型太陽能熱水器更具有適應性。
    我國太陽能熱水器主要是以緊湊直插式簡易產品為主，最大的問題是蓄熱水箱只能與集熱器一起放置在屋頂上，不易實現與建筑外觀的融合，極大影響了建筑物外觀。工程也以非承壓、一次單循環(huán)為主，洗浴時熱水水壓不高，熱舒適度差，而且易產生水垢，堵塞管道，有可能造成水體污染。很多主動循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)水泵的電耗達到熱水系統(tǒng)提供熱量的20%以上[12]，太陽能熱水工程的推廣受市場、技術、經濟因素制約較多。必須加強開發(fā)主動循環(huán)和承壓產品以及太陽能熱水器與建筑設計部門的合作，使之可以與建筑的屋面、墻面、遮陽板、陽臺等結合成一個有機的整體，突破城市樓房不同樓層太陽能熱水器的安裝瓶頸。
4 結論
    ① 我國居住建筑生活熱水能耗遠低于發(fā)達國家，農村低于城鎮(zhèn)。隨著人民生活水平的提高，熱水器日益成為絕大多數家庭的必需品，這為太陽能熱水器的發(fā)展提供了廣闊的空間，特別是農村，是我國未來太陽能熱水器的主要市場。
    ② 整體式太陽能熱水器集蓄熱水箱和集熱器于一體，結構緊湊，但能效較低，蓄熱水箱保溫性能較差；平板型太陽能熱水器運行可靠，成本低廉，但集熱器在高溫段效率偏低，對流傳熱損失較大；玻璃真空管太陽能熱水器消除了對流、導熱損失，輻射熱損??；熱管式太陽能熱水器效率高，具有無運動部件及外動力、管內液體工質防凍、防止傳熱介質倒流等優(yōu)點。
    ③ 太陽能熱水器的經濟性取決于地域氣候條件、系統(tǒng)造價、能源價格體系等多種因素。有必要進一步提升太陽能熱水器性能，特別是提高氣候適應性。改進建筑規(guī)劃設計，實現太陽能熱水器與建筑的有機結合。
    ④ 太陽能熱水器的推廣應當細分市場，既要考慮太陽輻射強度、氣溫等氣候因素，又要考慮農村、城鎮(zhèn)家庭生活習慣、能耗結構的差異。對于中國廣大農村，整體式、平板型太陽能熱水器更有適應力。
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(本文作者：陳曉明 羅清海 張錦 柳建祥 王衍金 南華大學 城市建設學院 湖南衡陽 421001)