太阳能热水器与居住建筑热水节能

摘 要

摘要：介绍了我国居住建筑热水的能耗现状，太阳能热水器在热水节能中的最新进展、节能性、经济适用性。太阳能热水器的经济性取决于气候条件、系统造价、能源价格体系等多种因素
摘要：介绍了我国居住建筑热水的能耗现状，太阳能热水器在热水节能中的最新进展、节能性、经济适用性。太阳能热水器的经济性取决于气候条件、系统造价、能源价格体系等多种因素。有必要进一步提升太阳能热水器性能，特别是提高气候适应性。改进建筑规划设计，实现太阳能热水器与建筑的有机结合。太阳能热水器的推广应当细分市场，对于中国广大农村，整体式、平板型太阳能热水器更有适应力。
关键词：太阳能热水器；居住建筑；生活热水；节能性；经济性
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
     节能是建筑未来发展的主题和重点[1]，深化太阳能利用是解决建筑高能耗问题以及节约能源的有效途径之一[2～6]。常规热水器的高能耗是热水加热技术发展的缺憾[7]，太阳能热水器能降低电力的高峰负荷，减少木材、煤炭、燃油等燃料的消耗[8、9]。开发、生产高品质的太阳能热水器产品是热水器技术发展的主题和方向。本文对太阳能热水器技术的发展及其与居住建筑热水节能紧密关系进行综述。
1 居住建筑热水能耗现状
    目前，我国建筑能源消耗占到社会总能耗的25.5%[10]，并随着经济的持续发展、城市化的推进和人民生活水平的提高呈现增加的趋势，给我国的能源供应带来了巨大压力。由于生活热水能耗没有明确的统计渠道，导致我国公共、居住建筑中热水能耗的统计数据缺乏。据调查，我国北方居住建筑能耗中，热水能耗占15%[11]。
    我国每户平均热水能耗(折合成耗电量)仅为80～130kW·h/(户·a)，与日本的每户平均热水能耗(折合成耗电量)1404kW·h/(户·a)相比，相差甚远[1]。对于居住建筑生活热水使用量，日本为100～150L/(人·d)，而我国使用生活热水器的居民，实际用水量仅为20～40L/(人·d)[10]。这反映了不同国家居民生活方式、生活水平的不同。
    我国热水器的每百户城镇居民拥有量为72.7台[12]，即使在上海这种国际型大都市，户均拥有热水器只为0.8台[13]，这是造成生活热水能耗差异的主要原因。居民家庭拥有的热水器中，燃气热水器占57.4%，电热水器占31.3%，太阳能热水器仅占11.3%[12]。目前，城镇制取生活热水的主要方式是燃气、电加热，农村以煤、生物质燃料直接燃烧加热为主。
    我国燃料资源储藏以煤比较丰富，但人均拥有量较低。电力生产仍以火力发电为主，燃煤发电的比重高达80%以上，发电煤耗量占全国煤炭产量的50%以上。电力工业能源利用效益水平相对落后，与世界先进水平相比差距较大[14]。
    我国居住建筑生活热水能耗远低于发达国家，农村低于城镇。随着人民生活水平的提高，生活热水的需求量将持续上升。开发、生产高品质的太阳能热水器产品，是解决常规热水器高能耗问题以及节约能源的有效途径之一。
2 太阳能热水器的发展
    我国太阳能资源非常丰富，年平均日照时间大于2200h/a，太阳年辐照度总量高于5016MJ/m2的地区占我国国土面积的66.7%以上。丰富的太阳能资源为太阳能热水器的发展、推广和普及提供了良好的资源基础，其中平板型、真空管太阳能热水器的年均增长率为25%[15]。
    ① 整体式太阳能热水器
    整体式太阳能热水器(即闷晒式太阳能热水器)集蓄热水箱和集热器于一体，冷热水的循环流动是在蓄水箱内部进行的，经过一天的闷晒，水能被加热到一定温度。具有节材、生产工艺相对简单、结构紧凑、管理方便、热效率较高等优点[16、17]。许多国家，特别是印度、以色列、德国、英国和希腊等国都对整体式太阳能热水器进行了大量研究。
    由于集热面是蓄热水箱外表面的一部分，因此整体式太阳能热水器的主要缺点是顶部热损失较大，蓄热水箱难以保证热水次日早晨使用的温度要求[18]。由于存在较高的热损失，整体式太阳能热水器的应用比平板型太阳能热水器少[19、20]。但可以通过采用选择性吸热体、双层盖板、透明隔热材料等方式降低热损失，通过使用反射器来提高集热面获得的太阳辐射量。
    巴林大学设计了一台由高质量玻璃制造的圆柱形太阳能热水器，其直径为0.14m、长度为0.8m。由于采用圆柱形设计，无需跟踪太阳。实验期间，水的进出口温差最大值达到27.8℃，最大效率为41.8%[21]。
    Souliotis和Tripanagnostopoulos提出了采用选择性吸热体表面、高透射率的低氧化铁盖板和高反射率的反射器组成的整体式太阳能热水器[22]。集热面积为0.75m2，蓄热水箱容积为81.23L。在希腊的佩特雷大学进行测试，蓄热水箱具有良好的温度分层，蓄热水箱顶部33%的热水有着足够的温升。当6:30时初始温度为20℃时，在16:30时水温可升高到60℃；当6:30时初始温度为40℃时，在16:30时水温可升高到72℃。
    ② 平板型太阳能热水器
    平板型集热器因其制造简单、运行可靠、成本低廉得到了广泛应用。2004年，平板型太阳能热水器占全球太阳能热水器总保有量的35%[15]。目前，国内外使用比较普遍的平板型集热器采用全铜集热器、铜铝复合集热器。
    平板型太阳能热水器的不足在于平板型集热器在高温段的效率偏低、表面热损失较大[23]。因此，提高平板集热器效率一方面要提高得热量，另一方面要减小热损失，尤其是对流传热损失。
    由约旦Nur Engineering公司生产的平板型太阳能热水器，集热面积为1.1m2，圆柱形蓄热水箱容积为0.1m3。对于巴林冬季的气象条件，蓄热水箱的日平均温升达到17.5℃[24]。
    Nahar提出采用铝板制造集热板的平板型太阳能热水器[25]，集热面积为1.9m2，造价比以铜制造集热板的平板型太阳能热水器低22%左右。对于印度焦特布尔的气候条件，当自来水平均温度为23.9℃时，每天可以提供100L温度为62℃的热水，到次日8:00，水温可保持在50.4℃。
    ③ 玻璃真空管太阳能热水器
    玻璃真空管集热器由多根玻璃真空集热管插入联箱组成。玻璃真空集热管是接收太阳能并转化为热能的关键部件，由于采用了真空夹层，消除了气体的对流与传导热损失，并应用太阳选择性吸收涂层，使玻璃真空集热管的辐射热损失降到最低[26、27]。
    目前，我国超过95%的玻璃真空管太阳能热水器的集热器采用紧凑式结构[28]。这种集热器的传热完全是依靠水通过单端封闭管的自然循环进行驱动，是玻璃真空管太阳能热水器应用最广泛的结构，拥有数量及生产能力均占世界首位。
    湖北宜昌某培训中心采用玻璃真空管太阳能热水器+辅助蒸汽锅炉的热水供应系统[29]。集热面积为190m2，蓄热水箱的容积为25m3。比单纯采用蒸汽锅炉供应热水年节约燃料油20.1t/a，静态投资回收期为0.94年。
    与其他传热介质相比，CO2更有利于传热[30]，具有热稳定性和不活泼性[31]。将超临界CO2作为传热介质用于太阳能集热器，具有很大的优势。Zhang和Yamaguchi提出了以超临界CO2作为传热介质的太阳能集热器[31]，实验期间，集热器年平均效率高达60.0%。
   ④ 热管式太阳能热水器
   热管式集热器分为热管式平板集热器和热管式真空管集热器，二者集热原理基本相同。热管具有无需运动部件及外动力、管内液体工质防冻、防止传热介质倒流等优点，可应用于寒冷、多云、多风的地区[32～34]。
    胡亚才等人提出了真空玻璃盖板热管式平板型太阳能热水器[35]，日平均热效率比普通玻璃真空管太阳能热水器高13.3%，平均热损率低52.5%。
   将复合抛物面聚光器(CPC)与热管式集热器结合，形成CPC型热管式集热器，在相同太阳辐照度条件下，CPC型热管式集热器比普通热管式集热器的集热能力有所提高。任云锋等人提出了一种以平面形吸热体为集热器的CPC型热管式集热器[36]，在太阳辐照度为679W/m2的条件下，从18℃开始，经过4h后，采用CPC型热管式集热器的热水器蓄水温度升高到75℃，比采用普通热管式平板集热器的热水器蓄水温度提高6℃；在太阳辐照度为892W/m2的条件下，从15℃开始，经过4h后，采用CPC型热管式集热器的热水器蓄水温度升高到91℃，比采用普通热管式平板集热器的热水器蓄水温度提高10℃。
3 太阳能热水器的经济适用性
   太阳能热水器的技术经济性受地域气候条件的影响较大。整体式和平板型太阳能热水器的结构简单、价格较低，但效率较低，适用于太阳能资源丰富，尤其是不太寒冷的地区，也适合作为寒冷地区的季节性热水器。虽然玻璃真空管太阳能热水器的价格较高，但是集热效率较高，具有防冻等优点，适用于太阳能资源不很丰富、冬季寒冷的地区。
    城镇家庭收入较高，生活作息波动性较大，人均需求热水量较大，有时要深夜使用，热水使用时间跨度较大。可以选择价格较高、效率较高的玻璃真空管、热管式太阳能热水器。农村家庭收入较低，洗澡等热水需求弹性比较大，21:00左右大部分居民已经就寝，生活热水使用时间比城镇居民提前，对蓄热水箱的保温要求相对较低，需要的是价格低廉，操作方便的产品，整体式和平板型太阳能热水器更具有适应性。
    我国太阳能热水器主要是以紧凑直插式简易产品为主，最大的问题是蓄热水箱只能与集热器一起放置在屋顶上，不易实现与建筑外观的融合，极大影响了建筑物外观。工程也以非承压、一次单循环为主，洗浴时热水水压不高，热舒适度差，而且易产生水垢，堵塞管道，有可能造成水体污染。很多主动循环系统中循环水泵的电耗达到热水系统提供热量的20%以上[12]，太阳能热水工程的推广受市场、技术、经济因素制约较多。必须加强开发主动循环和承压产品以及太阳能热水器与建筑设计部门的合作，使之可以与建筑的屋面、墙面、遮阳板、阳台等结合成一个有机的整体，突破城市楼房不同楼层太阳能热水器的安装瓶颈。
4 结论
    ① 我国居住建筑生活热水能耗远低于发达国家，农村低于城镇。随着人民生活水平的提高，热水器日益成为绝大多数家庭的必需品，这为太阳能热水器的发展提供了广阔的空间，特别是农村，是我国未来太阳能热水器的主要市场。
    ② 整体式太阳能热水器集蓄热水箱和集热器于一体，结构紧凑，但能效较低，蓄热水箱保温性能较差；平板型太阳能热水器运行可靠，成本低廉，但集热器在高温段效率偏低，对流传热损失较大；玻璃真空管太阳能热水器消除了对流、导热损失，辐射热损小；热管式太阳能热水器效率高，具有无运动部件及外动力、管内液体工质防冻、防止传热介质倒流等优点。
    ③ 太阳能热水器的经济性取决于地域气候条件、系统造价、能源价格体系等多种因素。有必要进一步提升太阳能热水器性能，特别是提高气候适应性。改进建筑规划设计，实现太阳能热水器与建筑的有机结合。
    ④ 太阳能热水器的推广应当细分市场，既要考虑太阳辐射强度、气温等气候因素，又要考虑农村、城镇家庭生活习惯、能耗结构的差异。对于中国广大农村，整体式、平板型太阳能热水器更有适应力。
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(本文作者：陈晓明 罗清海 张锦 柳建祥 王衍金 南华大学 城市建设学院 湖南衡阳 421001)