我国南方地区农村住宅太阳能热水系统的研究
导读:：太阳能热水器已进入寻常百姓家。我国住宅生活热水能耗占到建筑总能耗的10%-20%[1]。年平均日照时数1765h。环境效益。
关键词：太阳能热水器，热水，日照，环境效益
0前言
随着我国经济的快速发展，农村的城镇化如火如荼。人们的住宅和生活质量都有了质的飞跃：住房由过去的土坯房，到如今的1-5层的楼板房;热水设备由过去的柴火炉灶、煤炉发展到现在的电热水器、液化石油气热水器、太阳能热水器、空气源热泵等;浴室由过去简陋的大澡堂，向卫生、安静、独立的室内浴室发展。但是，农村的城镇化发展也带来了环境的污染和能源的浪费。由于我国农村人口众多，村镇发展缺少合理的规划，致使我国农村资源浪费和环境污染日趋严重。因此，农村的节能减排迫在眉睫。
有关资料表明，我国住宅生活热水能耗占到建筑总能耗的10%-20%[1]。随着人们生活质量的改善，热水需求会越来越高，制备热水所需能耗也会越来越大。而太阳能热水器不仅可以利用免费的、用之不尽的太阳光源，还低碳环保。近年来，太阳能热水器已进入寻常百姓家，但由于该节能设备价格较高，加之安装、使用、规划不合理等方面的原因，使得该设备和节能理念未能被大众接受。另外由于我国现行的建筑给排水设计规范是主要针对城市住宅而设定的，而农村住宅的用水定额并没有统一的标准，给设计、施工和热水量计算带来一定的难度。为此笔者通过调查福建省上杭县旧县乡寨里村民的用水特性、热水供应设备等，并以该村某四口之家的住宅太阳能热水供应系统为背景，记录了春、夏、秋、冬中的四个典型月中每日生活热水供应量日照，及对2010年3月1日到2011年2月28日太阳能集热水箱热水温度、气温、日照时数等相关数据进行记录,分析与研究了太阳能热水系统在我国农村的实用性，以及为国家贯彻节能减排、建设资源节约型、环境友好型社会提供一定的借鉴，还能为广大的太阳能热水系统的设计者和使用者提供一些参考，使得该节能环保的制热设备和节能理念能与实际生活有机结合起来。
1调查对象简述
上杭县位于福建省西南部，东经116°16′，北纬24°46′。该县四季分明，气候温和，雨量充沛。其年平均气温20.0℃, 年平均雨量1646mm，年平均日照时数1765h，无霜期多达277d [2]。旧县乡寨里位于上杭县中部，2010年底该村有109户居民，共计600人。
某住宅位于村中部，共三层，常住人口 4人，设有全玻璃真空管太阳能+电辅助加热热水系统。其真空集热管共20支并为以35°倾角，朝南安装;管长2100mm、直径58mm、集热面积为3m2，集热水箱200L，电辅助加热功率为1500W，并设有温度自动控制系统。室内主要热水用水设备为：淋浴器、洗脸盆、盥洗池。
2用水特性研究
2.1洗浴频率的调查
该村经济发展较快，城镇化住宅也越来越多。全村109户住宅中，1-4层的砖混结构的楼房共98户，一层的瓦房为11户。由于当地的生活质量在不断提高，加之人们经常洗澡的生活习性，预示着人们对热水的需求会越来越大。针对当地村民的洗浴频率的问题，笔者采用问卷调查的形式对该村100名村民进行采访，调查的人口年龄结构和结果如下。
|
岁数 |
人数 |
|
≥60 |
20 |
|
20－60 |
50 |
|
10-20 |
15 |
|
1-10 |
15 |
表一 被采访人员的年龄结构分布
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洗澡频率 次/d |
所占比例 |
|
一天一次 |
78.00% |
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每隔1-2天 |
16.00% |
|
每隔3-4天 |
3.00% |
|
每隔5天以上 |
3.00% |
表二 该村年平均洗澡频率所占的比例
2.2村民的起居习惯和热水时变化曲线的研究
当地气候温和、土地肥沃，村民以种植水稻、烤烟、蔬菜为主要的经济来源。由于该村位于北回归线附近，春秋季日出和日落大约在6点和18点30分左右，冬季日出和日落大约在6点50分和18点左右，夏季日出和日落时间大约在5点40分和19点左右。人们日出而作日入而息，故每日6-8点和18-20点期间热水需求量最大。笔者以上述四口之家的住宅为调查对象，通过分析冬季典型月中连续一周的日热水量的各个时段变化，得出该住宅大概的热水需求量时变化曲线，如图一
图一 冬季典型月热水供应的时变化曲线图
上述曲线可知，每日6-9点和12-14点两个时段内，热水主要用于洗脸和餐具的洗涤，故热水需求量较小;而18-20点外出干活的人们回家洗澡，洗浴热水量剧增，该时段热水需求量占了整日的70%-80%;相反其余各个时段热水供应量几乎为零。现行的建筑给排水设计规范 5.1.1-2中规定用水器具的热水用水水温：淋浴器为37℃—40℃，洗脸盆和盥洗池为30℃;而规范5.1.5条规定：原水水质需处理但未进行水质处理的加热器出口的最高水温为60℃日照，当热水供应系统只供淋浴器和盥洗用水、不供洗涤盆时配水点最低水温40℃[3]。根据当地人们的生活习惯，淋浴温度一般在40℃左右，加之当地水质硬度较大，因此本文设定太阳能制备热水的最高温度为50℃，各热水用水器具的最低温度为40℃。
2.3各个典型月日热水供应量的研究
住宅热水除了用于洗浴，还包括一日三餐餐具的洗涤、洗脸与洗手等，其中洗浴热水占总热水的80%-90%左右。同一住宅在不同的季节中，居民洗澡频率稍有不同，而且每日各个时段热水量和一天的热水总量也有所区别。为了反映不同时间段、不同气温下的热水供应量变化，笔者分别选取春夏秋冬的一个典型月，连续记录该住宅每日生活热水量的变化，为太阳能热水器的选取提供一定参考。其中选取的春季典型月为4月，夏季典型月为7月16日至8月15日，秋季典型月为10月15日至11月14日，冬季典型月1月15日至2月14日，如图二~图五。
图二春季典型月日热水供应量变化图图三 夏季典型月日热水供应量变化图
图四 秋季典型月日热水供应量变化图 图五 冬季典型月日热水供应量变化图
由四个典型月的日热水量变化图可知，冬季的典型月，由于正直年关和天气寒冷的原因，使得该月日热水量变化较大：用水量最大的一天为200L，最小的一天为145L，两者相差55L。相反，夏季的典型月中，由于天气炎热，每日热水量需求最小，变化较为稳定。而春季多雨，所以在春季的典型月中，特别是清明前后热水量较大，随着时间的推移，气温上升，靠近“五·一”时，热水量呈递减的趋势。在秋季，由于天气干燥少雨，日照时间相对较长，气温较高，热水需求量相对不大，但随着冬季的靠近，气温逐渐减低，热水量不断增大。
我国《建筑给水排水设计规范》中5.1.1-1条规定在自备热水供应和淋浴设备的住宅，最高日用水定额为40-80L/d.per[3]。以上述4季的典型月的日热水供应量为参考，冬季热水用量最大日照，日平均水量为164L/d,人均41L/d，最高日用水量为50L/d.per,最小为36.3L/d.per。春季日平均150L/d，人均37.5L/d，最高日用水量为46.3L/d.per，最小为26.8 L/d.per期刊网。秋季日平均139L/d，人均34.8L/d，最高日用水量为45.8L/d.per，最小为27.5L/d.per。夏季热水需求量最少，日平均81L/d，人均20.3L/d，最高日用水量为30.8L/d.per，最小为14.8L/d.per。以上数据表明，在我国南方地区农村自备热水供应和淋浴设备的住宅，冬、春、秋三季的最高日用水定额都与规范要求的下限基本一致，其中春、秋两季都比规范下限的要求稍小;夏季的用水定额与规范偏差较大，仅为20.3L/d.per。为此，在进行热水水量计算和设备选型时，应因地制宜地选择最高日用水定额，并且尽量选择规范5.1.1-1条中的下限值。以该村为例，在选取太阳能集热水箱时，以人均35-40L/d 的热水定额取值为宜。避免在阴雨天，电辅助加热时因为水箱过大而造成加热时间长、能源浪费。
3太阳能热水供应系统的分析
我国太阳能资源相当丰富，除了黔、川、渝三个地区之外，全国绝大多数地方都可以推广使用太阳能热水供应系统。福建省上杭县年日照时数1700h-2200h，阳光资源丰富。按照我国科学自然资源综合考察组的资料，全国根据接受太阳能辐射量的大小大致分为资源丰富带、资源较富带、资源一般带和资源贫乏带四个资源带[4]，而该村属于资源一般地带。虽然太阳能是取之不尽用之不竭的、既环保又可再生的能源，但是太阳能热源与常规能源相比具有低密度、不稳定、不可控的特点[5]。为此笔者，在2010年3月1日到2011年2月28日为期一年的时间里，对该农村住宅的太阳能集热水箱的温度、日照时数、日平均气温度进行了系统的测量，以确实的数据反映太阳能热水器在我国南方农村住宅的使用效果以及相关问题。
3.1实验数据分析
图六 春季每日实测数据
图七 夏季每日实测数据
图八 秋季每日实测数据
图九 冬季每日实测数据
春季平均气温19.9℃，由于正值梅雨时节，雨水较多，季日照总时数为296.1h，太阳能供热能力不足，需电辅助加热。夏季平均气温为27.7℃，日照时数全年最大为544.9h，太阳能热水保证率为100%，由于需热量最小，夏季的供热能力富余过多。秋季平均气温22.1℃日照，，由于秋季天气晴朗少雨，故日照时数也较大，为515.9h，太阳能保证率也较高，只需少量的电辅助加热。冬季气温最低，只有11.6℃，日照时数418.8h，但是冬季太阳能辐照强度小和热水需求量大的特点使得太阳能在冬季供热能力严重不足，常常需要电辅助加热才能满足人们的日常所需。全年太阳能保证率为65.3%。从图六至图九，可以看出，在同一季节，太阳能集热器温度主要与日照时数有关，日照时间越长，温度越高。且在相同的日照时数下，集热器出水温度由高到低依次为：夏季、秋季、春季、冬季。
3.2系统防过热、防冻、及辅助热源的设置
(1)目前分散局部热水系统都未采取有效的防高温控制措施。笔者在调查中发现，尤其是在夏季，最高温度高达99℃，一不小心就会烫伤使用者。所以在太阳能热水系统中因设置防高温配件。一方面防止高温水造成严重的结垢，影响太阳能能集热管的集热效率和电辅助加热的效率;另一方面以防高温水烫伤使用者。相反，冬季温度较低，为防止集热管在极端天气下被冻裂，当气温低于5℃时，启动电加热防冻。因此在我国南方地区，若冬季最低气温常低于0℃时，为防止真空集热管冻裂，应选用热管式真空管太阳能集热器、U形管式真空管太阳能集热器或者是平板型太阳能集热器为宜。
(2)由于普通住宅多选用分散局部的热水供应系统，特别是在农村住宅中，都以自家为单位设置太阳能集热器和集热水箱、电辅助加热一体的热水供应系统。据笔者调查了解，目前在农村住宅的热水辅助热源以电为主，并且加热元件都直接安装在集热水箱中，通过监测系统显示水箱温度，按照所需温度而人工启动电辅助加热期刊网。如果自动控制系统不合理，容易造成电辅助加热一直进行而不用太阳能的情况，造成能源巨大的浪费。该村，傍晚和晚上是用水的高峰期，所以自动控制系统应设置好温度和时间匹配的程序，不然就采用手动控制电加热系统。如：当17：00，自动控制系统显示集热水箱温度小于50℃时，再启动电辅助加热日照，而上午及中午等热水需求量较小时，不启动电加热。这样可以满足绝大部分的热水需求，还可以节省电加热能源，降低用水成本。
3.3经济性分析
3.3.1不同热水供应设备的分析
(1)目前在我国南方地区农村的热水制取设备多种多样，以该村为例，主要的热水制取设备有：液化石油气热水器、电热水器、太阳能热水器、煤炉、沼气燃气灶和柴火炉灶等。由于该村有丰富的森林资源，村民家家都会上山砍柴用于做饭和制取热水，故柴火炉灶所占比例最高，为100%;此炉灶生火简单方便，但是会排出大量的黑烟污染环境，最重要的危害是破坏森林。该村城镇化住宅率较高，所以液化石油气热水器和电热水器占有率较高，但是在冬季由于室内较为封闭，常有因有毒气体泄露而中毒的事件发生。而使用不方便、制热缓慢、污染环境的煤炉也被人们逐渐淘汰了。随着国家节能减排政策的推广和人们保护环境理念的加强，该村的养猪大户主要以猪粪为原料，通过沼气池发酵，不但解决了所排猪粪带来的水质污染问题，还能制取沼气。但是为了满足人们的正常生活，所需圈养的生猪数量有一定要求，以4-5口人的家庭为例要近10头百斤以上生猪，而且生猪排便和粪便的发酵都受温度影响较大，温度越低时生猪排便量越少，产气量越低，故在冬季时常有因产气不足而使沼气池被废弃的现象发生，为此不能大力推广。近年来太阳能热水器开始在村中流行，虽然该热水设备可以利用免费、清洁、用之不竭的太阳能，但由于太阳能热水器价格昂贵、供热不稳定等自身因素以及施工人员在安装、保温设计中不够合理，使得该新型节能设备未能被广大村民所接受，目前全村只有19户安装。
(2)在农村的热水设备安装中，目前农民们考虑最多的是热水供应设备及其燃料的价格、供热能力、方便程度。以该村为例，太阳能热水器和电热水器都是以4口之家为例的取值，常用的各种热水供应设备的价格如下：
图十 各种热水供应设备的静态投资对比图
3.3.2投资回收期比较
太阳能热水器目前还未被大力推广的主要原因就是初期投资较高，而大多数村民都未看到长远的利益和投资回报。为此笔者通过对太阳能热水系统展开为期一年的实测，并将每日的太阳能集热热水箱温度T1相应地记录在excel表格中。当T1<50℃时，由电辅助加热，故当日所需热量为：4.187KJ/kg. ℃×200L×(50—T1)。当T1≧50℃时，日需能耗为零，其中4.187KJ/kg. ℃为热水比热，200L为太阳能集热水箱热量，50为太阳能集热水箱出水温度。笔者通过编辑上述公式求得2010.3.1—2011.2.28一年内的总能耗：2911.38MJ。若折算成电日照，考虑电热水器的能效比为0.95，则年能耗为：3064.61MJ，即851.3kwh，按当地电价0.55元/kwh，计算年运行费用为：468.2元。
|
热水系统类型 |
静态投资 元 |
能耗 MJ/a |
运行费用 元/a |
节约费用 元/a |
回收期 a |
|
太阳能+电辅助加热 |
5500 |
3064.61 |
468.20 |
881.88 |
6.2 |
|
沼气池+电辅助加热 |
3450 |
2602.11 |
397.54 |
952.54 |
3.6 |
|
罐装液化石油气 |
500 |
9105.03 |
599.28 |
750.80 |
0.7 |
|
煤炉 |
100 |
9712.03 |
364.52 |
985.56 |
0.1 |
|
柴火炉灶 |
600 |
16166.71 |
808.34 |
541.74 |
1.1 |
|
电热水器 |
950 |
8836.88 |
1350.08 |
0.00 |
0.0 |
表三 各种热水供应设备与电热水器相比的的静态投资回收期比较
太阳能+电辅助加热的热水供应系统，虽然初期投资大，但年运行费用低，静态投资回收期为6.2a，满足规范中投资回收年限小于10年的要求[6]。目前太阳能热水器的实用寿命一般为15a。在寿命期内，以电热水器相比，总收益为7760.5元。
本实例中太阳能集热水箱按50L/per.d 选取的，总容积为200L，其年运行费用主要是由于阴雨天，有电辅助加热产生的能耗。由于水箱容积较大，而实际利用的热水又小于总容积，这就造成了电加热能源的浪费。如按40L/per.d，即规范5.1.1-1条中的下限值，选取水箱容积，考虑设备的型号，则水箱容积为167L、集热管长19200mm、共18支、采光面积为2.5m2，初期投资为4300元左右。相应的计算可以求得年运行能耗为2558.9MJ，运行费为390.9元/a，相比200L水箱的太阳能系统多节约能耗505.7MJ/a，节约电费77.3元/a，静态投资回收期为4.5a，节能效果更加明显。
3.3.3环境效益
太阳能热水系统的环境效益主要体现在因节省常规能源的燃烧而减少污染物的排放，目前常用CO2的减排量为指标期刊网。沼气池+电辅助加热，除了电辅助加热时排放污染，还会在沼气燃烧工程中排放大量的的CO2、SO2等有害气体。该四口之家的住宅由于设置了太阳能+电辅助加热的热水供应系统，以纯电热水器相比，年节能为ΔQsave =5772.27.171MJ，寿命期内的可以减排CO2为10423.14kg，人均2605.78kg。若以全村600人为例，每家都设置太阳能热水器，则全村在太阳能15年的寿命期内可以减排CO2为1563.47t，减排效果非常明显。
4结论
(1)农村的住宅热水设备在选取和设计时，因缺少具体的参考数据，要因地制宜，从日照时数、太阳能辐照强度、居民用水特性、起居习惯等方面进行综合考虑，当根据最高日用水定额选用设备时应取规范5.1.1-1条中40-80L/per.d的下限为宜日照，南方地区为35-40L/per.d，并且定额由南往北依次减少。
(2)我国农村住宅的太阳能热水系统，多为分散局部供热系统，虽然方便、简单。但是缺少统一的规划和管理，能源浪费较大。特别是在热水设备出口温度的设置上，要根据当地的用水习惯、水质特点进行选取;且需设置防过热、防冻措施。不仅可以提高设备的使用效率，还节约能源。
(3)由于集热水箱容积较大，在阴雨天需要电辅助加热时，能耗也较大，一方面宜正确安装电加热元件的位置。另一方面宜按35-40L/per.d，选取集热水箱，不仅可以减小初期投资、还能减少电辅助加热的能耗。此外应合理利用电加热的自动控制系统，根据热水时变化曲线，当水温未达到设定出水温度的要求时，宜在用水高峰前启动电辅助加热，避免电辅助加热一直运行而使太阳能浪费的现象发生。
(4)我国农村幅员辽阔，各地的气候、生活习惯、用水特性也大有不同。但是随着城乡一体化推进，农民生活水平的提高，人们对生活舒适度的追求也越来越高，相应的能耗也越来越大。资源在不断枯竭，环境在不断恶化，为此在我国南方地区的农村设置太阳能热水供应系统不仅可以满足人们的正常生活所需，还能有一笔可观的收益，最重要的是还让人们切身参与节能减排的行动中。由于笔者能力有限，针对北方地区太阳能利用方面不作讨论。
参考文献
[1]国家住宅与居住环境工程技术中心著.住宅建筑太阳能热水系统整合设计.中国建筑工业出版社.2006.20-25
[2]福建上杭政府网http://www.shanghang.gov.cn/dzzw/zjsh/zrdl/qhqk/
[3]中华人民共和国国家标准.建筑给水排水设计规范.(GB50015-2003).中国建筑工业出版社.2009.
[4]罗运俊.何梓年.王常贵.太阳能利用技术.化学工业出版社.2005.26-27
[5]刘振印.太阳能集中热水供应系统的合理设计探讨.给水排水.2011.37(1).62-67
[6]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册.化学工业出版社.2006.26-28
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