王 丽, 杨 修

(广西大学土木建筑工程学院,广西工程防灾与结构安全重点实验室，广西南宁 530004)

随着《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》等“1+N”政策体系的陆续发布，充分显示了国家对于降低碳排放量，调整“大量生产、大量消耗、大量排放”产业的决心。而据调查显示我国的建筑能耗占能源总消耗的比例已经达到27%甚至更高，这说明实现建筑能源的绿色化对于降低碳排放，解决整个社会能源问题的重要意义。目前常用的可再生能源热水系统有太阳能+空气源热泵系统、太阳能+电热水器系统、地源热泵系统、空气源热泵系统，如何从这些可再生能源热水系统中选择经济适用的一套系统，也是夏热冬冷地区在可再生能源热水系统利用方面迫切需要解决的问题。

1 研究对象地区(桂林)概况

在气候上，桂林是广西纬度较高的地区，年温不高、气候温和。辐射量和日照较少而季节变化大、热量水平低。年太阳辐射3 726～4 354MJ/m2，年日照率在28%～38%间，夏、秋2季日照率较高，桂林等地最高的月份达59%，是广西的高值区之一；冬、春两季日照率较低，多在20%以下，2、3月多为16%～17%，是广西的主要低值区[1]。

研究将以高校宿舍太阳能建筑一体化设计为例，探讨在广西夏热冬地区这个特定的自然环境和地理条件下热水系统辅助能源研究及其能源经济效益，为今后该地区对于太阳能热水系统辅助能源的利用寻找一条经济适用的道路。

2 工程实例

2.1 项目概况

本项目为桂林某高校宿舍楼，位于桂林市雁山区，北纬25°03′，东经110°18′。坡屋顶，倾角为21°，方位角为16°公寓楼地上共6层，共住612(学生)+1(管理员)=613人。目前校区内已建有1#～8#宿舍楼，与本项目相邻，建筑风格也与本项目相似，皆为带有传统桂北建筑风格的多层宿舍建筑。

2.2 可再生能源热水系统选择

几种可再生能源热水系统的经济性对比见表1。

根据表1几种供热水系统的经济性数据对比，可以明显地看出太阳能热泵系统相较于地源热泵和空气源热泵具有几点优势：

表1 可再生能源热水系统经济性对照

(1)同等供应热水量条件下，1年的燃料耗量只有地源热泵和空气源热泵的1/5，相对应的燃料价也较另2种系统节省4/5。

(2)虽然3种系统都需要专用机房，但对于地源热泵来说由于土壤的导热系数较小，埋管内的载能流体与管外的土壤之间能流密度很小，换热量小，所以需要的地下换热器的表面积很大，占据较大的地下和地上空间[2]；而空气源热泵布置在地面上，占地面积大；相比起来，在相同热负荷条件下，太阳能热泵所需要的集热器面积与蓄能装置容积等都比其他2种系统要小得多，并且经过一体化设计后能让系统结构更紧凑，对建筑风貌干扰不大。

(3)地源热泵部分系统需铺设在土壤中，会对土壤环境造成一定的影响；空气源热泵则有可能使外部空间环境局部恶化，引起热岛效应；而太阳能清洁、安全，几乎不会造成环境污染。

(4)地源热泵、空气源热泵运行时噪音较大，对居住、工作都有较大干扰，太阳能热泵则无这个问题。

(5)地源热泵埋置于土壤的部分较难维修；空气源热泵则有可能在供热工况下，蒸发器上会结霜，需要定期除霜[3]；而太阳能热泵相对来说维修界面较为直接，且受外界影响较小。

(6)3种能源中，地源热泵的初始投资是最大的，太阳能热泵相对适中，但因为太阳能热泵的年花费最少，所以汇总对比后仍然是太阳能热泵的经济性占有较大优势。

相较于地源热泵和空气源热泵，太阳能热泵有如此多种的优点，因此本项目选择采用太阳能热水系统，具体辅助能源选择电能还是空气能还需要进一步比较决定。

2.3 太阳能热水系统设计

2.3.1 集热参数设定

桂林全年的太阳能辐射量差异较大，采用年平均值不足以说明建设地的气候特点。因此，需要利用桂林逐月气温和太阳辐射量等数据，计算出各个季节该地区每户所需的集热面积，为建筑师进行立面设计提供可靠数据。项目主要经济指标如表2所示。

表2 项目主要经济指标

2.3.2 集热器选型

目前，国内大部分热水系统采用真空管集热器，而在和建筑的结合上，平板集热器在国外已经运用得相当成熟，更容易与建筑相结合。在外观上，国内外应用最广的是深蓝色和深褐色的平板型太阳能集热器，项目在结合宿舍楼的外墙设计时，结合原有的红色瓦屋面色彩采用了深褐色的集热器，更符合建筑一体化的美观要求，如图1所示。

图1 屋顶太阳能板特写

2.3.3 集热系统设计

根据太阳能热水系统与多层学生宿舍的适配性，考虑到该学生宿舍的屋面面积的局限性、造价高、桂林地区硬水水质、日照情况以及用水要求等多方面因素，因此该项目采用集中集热—集中储热—强制循环—间接换热的热水系统,相对于分户供热水系统，热水得到合理分配与管理，更适合集合住宅的形式。项目采用1个单元1个集中热水系统，按每间人数4人，人均用水量50L/d计算，得出每单元每天用水量(表3)。

表3 每单元宿舍间数及其每天用水量

项目热水系统的设计按照每个单元作为1个循环，由统一的储热水箱通过管道井向各层用水点提供热水，水压一般可至屋面。由于桂林所处的地理环境并非太阳能辐射量高产区，阴雨天与冬季的部分时期太阳能辐射量达不到热水使用要求，则需要一定的辅助热源来满足供热水要求。关于辅助能源到底是使用空气源热泵还是电热水器，本研究进行了测算比较，见表4。

经计算1年大概只有120天没有太阳光照，需要空气源热泵辅助加热，电费按1元/(kW·h)计算。

由表4可知，本项目使用太阳能+空气源热泵辅助加热比太阳能+电热水器辅助加热每年节约158 585.5kW·h，节约标准煤为60.3t(按标煤0.38kg/kW·h),减少二氧化碳排放158.1t,4.8t二氧化硫(S02)的污染排放。无论是从环保程度、系统效率还是经济效益都是采用空气源热泵更优于采用电热水器。因此，在水箱处均安装有空气源热泵与集热循环泵，当检测温度低于50 ℃时，会自动启动循环加热装置，以保证最不利工况时能及时供热、即开即热的使用要求，防止冬季阴雨天气集热面积不够的情况；而夏季集热面积远远超出用户的需求量，所以可以考虑关掉部分工质循环，避免造成浪费，或是用于其他用途，例如宿舍庭院的花草灌溉。这样做方便管理与维修，计量收费简单易行，还能平衡宿舍间用热水量，充分利用集热器与太阳散射辐射集热功能。并且如果人人都有多用热水的意识习惯，则集中集热储热管线过长的问题就会弱化。

2.3.4 施工设计

综合以上设计与分析结果，可以得出相应的建筑施工图，为具体施工提供可靠依据，并可计算出该项目的总建筑工程费用，得出热水计量收费标准。为了不破坏屋面防水层，屋面集热器的固定采用安装预埋件的固定方式，平屋面预留了太阳能热水立管出屋面、太阳能热水器电路出屋面的孔洞，并相应进行了建筑构造做法处理。夹层内置储水箱，并不外露，使得外观更美观。楼梯间可通往夹层。夹层与屋面、夹层与其余楼层之间预留孔洞和管井。为了增加管井的使用效率，方便维修，将各房间的太阳能热水立管与冷水管整体考虑，共同置于楼梯间的管道井内。并设置可上人楼梯用于维修与维护。

表4 辅助能源使用空气源热泵和电热水器的对比研究数据(2种能源系统使用期内成本计算30650L/d热水器的比较)

3 结束语

从上文分析可知，在广西北区相同设计条件下的多种可再生能源热水系统从燃料消耗、系统占地面积、初始投资、污染性、噪音影响、设备维护、运行费用等多方面进行测算对此之后，可知设计选择太阳能+空气源热泵热水系统比其他几种可再生能源热水系统拥有的优点：

(1)初始投资适中，年运行费用较低，投资总额度小，回报率较高。

(2)年燃料消耗低，二氧化碳排放量较之其他几种更少，从节能、环保上占据更多优势。

(3)设备布置灵活，占地面积小，在经过一体化设计后，可与建筑外观紧密结合，不影响建筑风貌。

(4)对周边环境无污染，无噪音。

(5)后期维修、维护直观、方便。

今后该地区在进行热水系统选择时，都可以参照本研究结论去进行选择，优先考虑太阳能+空气源热泵热水系统，这种相对环保、经济、节能的热水系统。