北京某宾馆太阳能热水系统节能改造实例分析

　太阳能作为一种免费、清洁、无污染的能源，以节能和环保的突出特点，在建筑中的利用越来越普遍。人类对太阳能的利用已经经历了百年的历程，我国太阳能热利用起源于20世纪70年代。20世纪80年代，由于能源紧张引起国家和社会的重视，国内许多科研院所、大专院校开始从事太阳能利用的研究工作，其中太阳能的光热利用已取得显著成果并转化为生产力。下面以北京某宾馆为例，浅谈太阳能热水系统在节能改造中的应用。

　　改造前情况

　　该宾馆地处北京市南五环。现采用一台燃煤锅炉给客房提供生活热水，储热水箱放置在锅炉房旁边的一设备间内，据该宾馆后勤人员介绍，该宾馆每天大约需15吨50摄氏度的热水，每年大约烧掉100吨左右煤，加上两个锅炉工工资及维修等费用，年运行费用也是很高的。据我方技术人员的实地考察得知，该锅炉属于淘汰型锅炉，燃烧效率很低，同时现有储热水箱保温材料有多处脱落，特别冬季散热很大；锅炉与水箱连接管道及供热水管道未做任何保温处理，热损失较大。

　　改造方案的提出

　　在北京地区实行的“煤改气（油、电）”等环保政策，使宾馆等商业单位的能源费用大幅上涨，该宾馆为了降低运行费用及环保，计划对该燃煤锅炉进行节能改造，寻求合理的改造方案。

　　根据该宾馆实际情况及结合我方技术人员的实地考察，对于该宾馆可以采用燃油、燃气锅炉、空气源热泵等改造方案分析如下：

　　锅炉（燃油、燃气、电锅炉）加热系统，需要占用现有设备间的空间；锅炉安装需要安装许可手续，而且手续复杂；且燃油锅炉存在安全问题和油污染问题；锅炉系统日常维护要求高，维护费用较高。燃油锅炉需要专门的储油罐、箱，维护和加油等专人负责管理；燃气锅炉需要气源。因为该单位没有气源，本系统只能采用燃油、电锅炉。如采用电锅炉，则成本高，不如安装电加热管，因此该宾馆如选用锅炉，只能选用燃油锅炉，但近来随着油价的上涨，燃油锅炉运行费用也会居高不下。

　　空气源热泵虽然成本高，但可以节约70%电能，选择空气源热泵还具有以下优点：

　　1.利用建筑物屋面，不需要设专门锅炉房，也省去了占有的建筑空间。对于寸土寸金的城市繁华地段的建筑，或无条件设锅炉房的建筑，空气源热泵冷热水机组无疑是一个比较合适的选择；

　　2.运行安全，使用寿命长，无人操作；

　　3.节能效果突出，运行费用低投资回收期短，环保型产品，无任何污染；

　　4.模块化设计，系统设备少而集中，操作、维护管理简单方便。

　　但空气源热泵在北方寒冷地区，冬季环境温度低，空气源热泵运行效率很低。

　　综上所述，对于该宾馆所处地理位置和现有状况采用以上加热方式都是不可取的。

　　中国有较丰富的太阳能资源，其太阳辐射资源区划分为四个资源带：一类为资源丰富地区（年辐射总量≥6700MJ/m2）；二类为资源较丰富地区（年辐射总量＝5400～7000MJ/m2）；三类为资源一般地区（年辐射总量＝4000～5400MJ/m2）和四类为贫乏地区（年辐射总量＜4200MJ/m2）。年太阳辐照时数超过2200小时的太阳能利用条件较好的地区占国土的2/3。其中北京市属于二类资源地区，具有利用太阳能的良好条件，又由于太阳能资源节能和环保的突出特点，因此建议该宾馆采用太阳能提供生活热水。

　　但由于太阳能源的不稳定、不连续性，为了保证该宾馆全天候24小时供应热水的需求，采用太阳能系统时必须采用辅助能源，根据以上分析及结合现有状况，建议该宾馆采用电加热作为辅助能源，采用电加热作为辅助能源具有以下优点：电加热管可以直接装在现有的储热水箱中，具有安装方便，不占用设备间的空间；全部自动化运行，不需专人看管，节省专人看管人员工资；系统运行维护方便；可以利用低谷电，节省运行费用。

　　经过我方技术人员分析及结合该宾馆现有状况，最终该宾馆负责人选择了太阳能热水系统节能改造方案。

　　相关计算

　　太阳能集热面积

　　根据GB/T18713-2002《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》，直接系统太阳能集热器的采光面积可以按如下公式计算：

　　式中：
　　Ａc——直接系统太阳能集热器的采光面积，单位m2

Qw——日均用水量，单位kg。对于该宾馆太阳能系统，应取15000kg

　　Cw——水的定压比热容，单位kJ/(kg℃)。应取4.186kJ/(kg℃)

　　tend——贮水箱内水的终止温度，单位℃。对于该太阳能系统，应取50℃

　　ti——水的初始温度，单位℃。对于该太阳能系统，应取10℃

　　f——太阳能保证率，无量纲。最新的国家标准建议取0.3～0.8。这里取0.67

　　JT——太阳能集热器采光面的太阳辐照量，单位kJ/m2。对于该太阳能系统，应取17000kJ/m2·d

　　ηcd——太阳能集热器效率，无量纲。应取0.55

　　ηL——管路及贮水箱热损失，无量纲。考虑到贮水箱在室内，取0.10

　　据上述数据计算得：Ａc=200m2

　　电加热功率

　　电加热功率应按阴雨天完全靠电加热管加热时计算，可按如下公式计算：

　　P=CwQw（tend-ti）/ηH·3600

　　式中：

　　P——电加热管的功率，单位kW

　　Qw——日均用水量，单位kg。对于该宾馆太阳能系统，应取15000kg

　　Cw——水的定压比热容，单位kJ/(kg·℃)。应取4.186kJ/(kg·℃)。

　　tend——贮水箱内水的终止温度，单位℃。对于该太阳能系统，应取50℃

　　ti——水的初始温度，单位℃。对于该太阳能系统，应取10℃

　　η——电加热管效率，无量纲。这里取0.95

　　H——加热时间，单位h。这里取8h

据上述数据计算得：P=92kW

关键设备选型

　　1.太阳能集热器选型

　　目前国内使用的太阳能集热器类型主要有平板型太阳能集热器、真空管太阳能集热器、热管真空管太阳能集热器、U形管真空管太阳能集热器。平板型太阳能集热器保温性能不如真空管太阳能集热器，适合在春、夏、秋三季使用；真空管集热器在-25℃的低温条件下，仍可产生热水，可一年四季使用，冬季利用太阳能的效率最高，但存在炸管泄漏问题；热管集热器可在零下50℃条件下使用，但热管冷凝端（加热端）表面积仅是真空管的百分之一，易结水垢，换热效果不如真空管，且使用效果直接受到热管本身质量和寿命的影响，部分热管出现质量下降和衰减问题，不容易被发现，且成本高；U形管真空管太阳能集热器是在真空管的内壁插入了一根U形的铜管，利用传热介质在U形铜管内流动将真空管吸收太阳热能带走，因而可封闭带压循环，不存在炸管泄漏问题，但由于U形管怕冻，因此必须采用防冻液介质循环，成本相对也高。

　　综上所述，不同类型的产品各有其优缺点。我们认为：选择全玻璃真空管太阳能集热器比较合适，热效率高，经济实用，是目前国内市场（包括北京）普遍使用的产品。

　　2.储热水箱

　　为了尽量利用原有设备，降低节能改造费用。建议采用原有的储热水箱，但原有水箱需重新做保温，内壁需重新涂刷耐高温的环保防腐涂料。

　　3.控制系统

　　系统控制器应能实现：在保证优先利用太阳能加热的情况下，根据天气阴晴变化和热水用水量的多少，自动判断和启动辅助加热系统，以保证全天候热水供应。因此建议该宾馆采用CPU可编程电脑控制器，实现太阳能系统的全自动化、智能化，确保控制系统的可靠性，实现自动化运行，并具有可以根据用户的实际需要，任意修改控制程序，使太阳能系统实现真正意义上的全自动控制和智能化管理。

　　4.系统管路

　　建议选用丹麦格兰富或德国威乐水泵，噪音低，寿命长。电磁阀选用浙江余姚三力新牌无压直开式电磁阀。管路选用国标热镀锌钢管，外用5cm聚苯乙烯保温，外裹玻璃钢铝箔布，保温效果好，美观耐用。

　　安装太阳能热水系统，其节省的费用，相对于电锅炉系统来说，节省的电费，2年左右就可收回投资；相对于燃油锅炉来说，节省的燃油费，3年左右就能收回投资。相对于燃气锅炉来说，节省的燃气费，4年左右就能收回投资，而太阳能系统的使用寿命在10年以上（一般可用15年）。由此可见，安装太阳能系统的经济效益非常显著。

　　2.环境效益

　　该太阳能热水系统无污染、无噪音、无废物废气排放，可以有效降低温室气体CO2的排放，有利于缓解全球气候变暖；同时也减少酸雨气体SO2和总悬浮颗粒物的排放量，有益于改善北京地区的生态环境，环境效益显著；还能较大幅度地减少煤炭或其它化石燃料的消耗。

　　3.社会效益

　　以太阳能作为热源提供生活热水符合资源可持续发展的要求，《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003也对此有明确的规定，其中第5.2.2条“集中热水供水系统的热源，宜首先利用工业余热、废热、地热和太阳能。”第5.2.6条也规定了“局部热水供应系统的热源宜采用太阳能及电能、燃气、蒸汽等”；同时采用太阳能热水系统符合国家环保政策，利国利民，一次投资，长期受益。太阳能热水系统的节能、环保、安全与社会发展潮流相符合，太阳能热水系统的广泛应用，获得了良好的社会效果。

　　对于正在使用燃油、燃气或电锅炉的单位，如机关厂矿、宾馆学校、住宅等提供生活热水的地方，进行节能改造，采用太阳能热水系统是有效的节能降耗措施之一，将会给企业带来可观的经济效益，值得广泛推广应用。