我國南方地區(qū)農村住宅太陽能熱水系統(tǒng)的研究
導讀:：太陽能熱水器已進入尋常百姓家。我國住宅生活熱水能耗占到建筑總能耗的10%-20%[1]。年平均日照時數1765h。環(huán)境效益。
關鍵詞：太陽能熱水器，熱水，日照，環(huán)境效益
0前言
隨著我國經濟的快速發(fā)展，農村的城鎮(zhèn)化如火如荼。人們的住宅和生活質量都有了質的飛躍：住房由過去的土坯房，到如今的1-5層的樓板房;熱水設備由過去的柴火爐灶、煤爐發(fā)展到現在的電熱水器、液化石油氣熱水器、太陽能熱水器、空氣源熱泵等;浴室由過去簡陋的大澡堂，向衛(wèi)生、安靜、獨立的室內浴室發(fā)展。但是，農村的城鎮(zhèn)化發(fā)展也帶來了環(huán)境的污染和能源的浪費。由于我國農村人口眾多，村鎮(zhèn)發(fā)展缺少合理的規(guī)劃，致使我國農村資源浪費和環(huán)境污染日趨嚴重。因此，農村的節(jié)能減排迫在眉睫。
有關資料表明，我國住宅生活熱水能耗占到建筑總能耗的10%-20%[1]。隨著人們生活質量的改善，熱水需求會越來越高，制備熱水所需能耗也會越來越大。而太陽能熱水器不僅可以利用免費的、用之不盡的太陽光源，還低碳環(huán)保。近年來，太陽能熱水器已進入尋常百姓家，但由于該節(jié)能設備價格較高，加之安裝、使用、規(guī)劃不合理等方面的原因，使得該設備和節(jié)能理念未能被大眾接受。另外由于我國現行的建筑給排水設計規(guī)范是主要針對城市住宅而設定的，而農村住宅的用水定額并沒有統(tǒng)一的標準，給設計、施工和熱水量計算帶來一定的難度。為此筆者通過調查福建省上杭縣舊縣鄉(xiāng)寨里村民的用水特性、熱水供應設備等，并以該村某四口之家的住宅太陽能熱水供應系統(tǒng)為背景，記錄了春、夏、秋、冬中的四個典型月中每日生活熱水供應量日照，及對2010年3月1日到2011年2月28日太陽能集熱水箱熱水溫度、氣溫、日照時數等相關數據進行記錄,分析與研究了太陽能熱水系統(tǒng)在我國農村的實用性，以及為國家貫徹節(jié)能減排、建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會提供一定的借鑒，還能為廣大的太陽能熱水系統(tǒng)的設計者和使用者提供一些參考，使得該節(jié)能環(huán)保的制熱設備和節(jié)能理念能與實際生活有機結合起來。
1調查對象簡述
上杭縣位于福建省西南部，東經116°16′，北緯24°46′。該縣四季分明，氣候溫和，雨量充沛。其年平均氣溫20.0℃, 年平均雨量1646mm，年平均日照時數1765h，無霜期多達277d [2]。舊縣鄉(xiāng)寨里位于上杭縣中部，2010年底該村有109戶居民，共計600人。
某住宅位于村中部，共三層，常住人口 4人，設有全玻璃真空管太陽能+電輔助加熱熱水系統(tǒng)。其真空集熱管共20支并為以35°傾角，朝南安裝;管長2100mm、直徑58mm、集熱面積為3m2，集熱水箱200L，電輔助加熱功率為1500W，并設有溫度自動控制系統(tǒng)。室內主要熱水用水設備為：淋浴器、洗臉盆、盥洗池。
2用水特性研究
2.1洗浴頻率的調查
該村經濟發(fā)展較快，城鎮(zhèn)化住宅也越來越多。全村109戶住宅中，1-4層的磚混結構的樓房共98戶，一層的瓦房為11戶。由于當地的生活質量在不斷提高，加之人們經常洗澡的生活習性，預示著人們對熱水的需求會越來越大。針對當地村民的洗浴頻率的問題，筆者采用問卷調查的形式對該村100名村民進行采訪，調查的人口年齡結構和結果如下。
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歲數 |
人數 |
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≥60 |
20 |
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20－60 |
50 |
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10-20 |
15 |
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1-10 |
15 |
表一 被采訪人員的年齡結構分布
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洗澡頻率 次/d |
所占比例 |
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一天一次 |
78.00% |
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每隔1-2天 |
16.00% |
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每隔3-4天 |
3.00% |
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每隔5天以上 |
3.00% |
表二 該村年平均洗澡頻率所占的比例
2.2村民的起居習慣和熱水時變化曲線的研究
當地氣候溫和、土地肥沃，村民以種植水稻、烤煙、蔬菜為主要的經濟來源。由于該村位于北回歸線附近，春秋季日出和日落大約在6點和18點30分左右，冬季日出和日落大約在6點50分和18點左右，夏季日出和日落時間大約在5點40分和19點左右。人們日出而作日入而息，故每日6-8點和18-20點期間熱水需求量最大。筆者以上述四口之家的住宅為調查對象，通過分析冬季典型月中連續(xù)一周的日熱水量的各個時段變化，得出該住宅大概的熱水需求量時變化曲線，如圖一
圖一 冬季典型月熱水供應的時變化曲線圖
上述曲線可知，每日6-9點和12-14點兩個時段內，熱水主要用于洗臉和餐具的洗滌，故熱水需求量較小;而18-20點外出干活的人們回家洗澡，洗浴熱水量劇增，該時段熱水需求量占了整日的70%-80%;相反其余各個時段熱水供應量幾乎為零，F行的建筑給排水設計規(guī)范 5.1.1-2中規(guī)定用水器具的熱水用水水溫：淋浴器為37℃—40℃，洗臉盆和盥洗池為30℃;而規(guī)范5.1.5條規(guī)定：原水水質需處理但未進行水質處理的加熱器出口的最高水溫為60℃日照，當熱水供應系統(tǒng)只供淋浴器和盥洗用水、不供洗滌盆時配水點最低水溫40℃[3]。根據當地人們的生活習慣，淋浴溫度一般在40℃左右，加之當地水質硬度較大，因此本文設定太陽能制備熱水的最高溫度為50℃，各熱水用水器具的最低溫度為40℃。
2.3各個典型月日熱水供應量的研究
住宅熱水除了用于洗浴，還包括一日三餐餐具的洗滌、洗臉與洗手等，其中洗浴熱水占總熱水的80%-90%左右。同一住宅在不同的季節(jié)中，居民洗澡頻率稍有不同，而且每日各個時段熱水量和一天的熱水總量也有所區(qū)別。為了反映不同時間段、不同氣溫下的熱水供應量變化，筆者分別選取春夏秋冬的一個典型月，連續(xù)記錄該住宅每日生活熱水量的變化，為太陽能熱水器的選取提供一定參考。其中選取的春季典型月為4月，夏季典型月為7月16日至8月15日，秋季典型月為10月15日至11月14日，冬季典型月1月15日至2月14日，如圖二~圖五。
圖二春季典型月日熱水供應量變化圖圖三 夏季典型月日熱水供應量變化圖
圖四 秋季典型月日熱水供應量變化圖 圖五 冬季典型月日熱水供應量變化圖
由四個典型月的日熱水量變化圖可知，冬季的典型月，由于正直年關和天氣寒冷的原因，使得該月日熱水量變化較大：用水量最大的一天為200L，最小的一天為145L，兩者相差55L。相反，夏季的典型月中，由于天氣炎熱，每日熱水量需求最小，變化較為穩(wěn)定。而春季多雨，所以在春季的典型月中，特別是清明前后熱水量較大，隨著時間的推移，氣溫上升，靠近“五·一”時，熱水量呈遞減的趨勢。在秋季，由于天氣干燥少雨，日照時間相對較長，氣溫較高，熱水需求量相對不大，但隨著冬季的靠近，氣溫逐漸減低，熱水量不斷增大。
我國《建筑給水排水設計規(guī)范》中5.1.1-1條規(guī)定在自備熱水供應和淋浴設備的住宅，最高日用水定額為40-80L/d.per[3]。以上述4季的典型月的日熱水供應量為參考，冬季熱水用量最大日照，日平均水量為164L/d,人均41L/d，最高日用水量為50L/d.per,最小為36.3L/d.per。春季日平均150L/d，人均37.5L/d，最高日用水量為46.3L/d.per，最小為26.8 L/d.per期刊網。秋季日平均139L/d，人均34.8L/d，最高日用水量為45.8L/d.per，最小為27.5L/d.per。夏季熱水需求量最少，日平均81L/d，人均20.3L/d，最高日用水量為30.8L/d.per，最小為14.8L/d.per。以上數據表明，在我國南方地區(qū)農村自備熱水供應和淋浴設備的住宅，冬、春、秋三季的最高日用水定額都與規(guī)范要求的下限基本一致，其中春、秋兩季都比規(guī)范下限的要求稍小;夏季的用水定額與規(guī)范偏差較大，僅為20.3L/d.per。為此，在進行熱水水量計算和設備選型時，應因地制宜地選擇最高日用水定額，并且盡量選擇規(guī)范5.1.1-1條中的下限值。以該村為例，在選取太陽能集熱水箱時，以人均35-40L/d 的熱水定額取值為宜。避免在陰雨天，電輔助加熱時因為水箱過大而造成加熱時間長、能源浪費。
3太陽能熱水供應系統(tǒng)的分析
我國太陽能資源相當豐富，除了黔、川、渝三個地區(qū)之外，全國絕大多數地方都可以推廣使用太陽能熱水供應系統(tǒng)。福建省上杭縣年日照時數1700h-2200h，陽光資源豐富。按照我國科學自然資源綜合考察組的資料，全國根據接受太陽能輻射量的大小大致分為資源豐富帶、資源較富帶、資源一般帶和資源貧乏帶四個資源帶[4]，而該村屬于資源一般地帶。雖然太陽能是取之不盡用之不竭的、既環(huán)保又可再生的能源，但是太陽能熱源與常規(guī)能源相比具有低密度、不穩(wěn)定、不可控的特點[5]。為此筆者，在2010年3月1日到2011年2月28日為期一年的時間里，對該農村住宅的太陽能集熱水箱的溫度、日照時數、日平均氣溫度進行了系統(tǒng)的測量，以確實的數據反映太陽能熱水器在我國南方農村住宅的使用效果以及相關問題。
3.1實驗數據分析
圖六 春季每日實測數據
圖七 夏季每日實測數據
圖八 秋季每日實測數據
圖九 冬季每日實測數據
春季平均氣溫19.9℃，由于正值梅雨時節(jié)，雨水較多，季日照總時數為296.1h，太陽能供熱能力不足，需電輔助加熱。夏季平均氣溫為27.7℃，日照時數全年最大為544.9h，太陽能熱水保證率為100%，由于需熱量最小，夏季的供熱能力富余過多。秋季平均氣溫22.1℃日照，，由于秋季天氣晴朗少雨，故日照時數也較大，為515.9h，太陽能保證率也較高，只需少量的電輔助加熱。冬季氣溫最低，只有11.6℃，日照時數418.8h，但是冬季太陽能輻照強度小和熱水需求量大的特點使得太陽能在冬季供熱能力嚴重不足，常常需要電輔助加熱才能滿足人們的日常所需。全年太陽能保證率為65.3%。從圖六至圖九，可以看出，在同一季節(jié)，太陽能集熱器溫度主要與日照時數有關，日照時間越長，溫度越高。且在相同的日照時數下，集熱器出水溫度由高到低依次為：夏季、秋季、春季、冬季。
3.2系統(tǒng)防過熱、防凍、及輔助熱源的設置
(1)目前分散局部熱水系統(tǒng)都未采取有效的防高溫控制措施。筆者在調查中發(fā)現，尤其是在夏季，最高溫度高達99℃，一不小心就會燙傷使用者。所以在太陽能熱水系統(tǒng)中因設置防高溫配件。一方面防止高溫水造成嚴重的結垢，影響太陽能能集熱管的集熱效率和電輔助加熱的效率;另一方面以防高溫水燙傷使用者。相反，冬季溫度較低，為防止集熱管在極端天氣下被凍裂，當氣溫低于5℃時，啟動電加熱防凍。因此在我國南方地區(qū)，若冬季最低氣溫常低于0℃時，為防止真空集熱管凍裂，應選用熱管式真空管太陽能集熱器、U形管式真空管太陽能集熱器或者是平板型太陽能集熱器為宜。
(2)由于普通住宅多選用分散局部的熱水供應系統(tǒng)，特別是在農村住宅中，都以自家為單位設置太陽能集熱器和集熱水箱、電輔助加熱一體的熱水供應系統(tǒng)。據筆者調查了解，目前在農村住宅的熱水輔助熱源以電為主，并且加熱元件都直接安裝在集熱水箱中，通過監(jiān)測系統(tǒng)顯示水箱溫度，按照所需溫度而人工啟動電輔助加熱期刊網。如果自動控制系統(tǒng)不合理，容易造成電輔助加熱一直進行而不用太陽能的情況，造成能源巨大的浪費。該村，傍晚和晚上是用水的高峰期，所以自動控制系統(tǒng)應設置好溫度和時間匹配的程序，不然就采用手動控制電加熱系統(tǒng)。如：當17：00，自動控制系統(tǒng)顯示集熱水箱溫度小于50℃時，再啟動電輔助加熱日照，而上午及中午等熱水需求量較小時，不啟動電加熱。這樣可以滿足絕大部分的熱水需求，還可以節(jié)省電加熱能源，降低用水成本。
3.3經濟性分析
3.3.1不同熱水供應設備的分析
(1)目前在我國南方地區(qū)農村的熱水制取設備多種多樣，以該村為例，主要的熱水制取設備有：液化石油氣熱水器、電熱水器、太陽能熱水器、煤爐、沼氣燃氣灶和柴火爐灶等。由于該村有豐富的森林資源，村民家家都會上山砍柴用于做飯和制取熱水，故柴火爐灶所占比例最高，為100%;此爐灶生火簡單方便，但是會排出大量的黑煙污染環(huán)境，最重要的危害是破壞森林。該村城鎮(zhèn)化住宅率較高，所以液化石油氣熱水器和電熱水器占有率較高，但是在冬季由于室內較為封閉，常有因有毒氣體泄露而中毒的事件發(fā)生。而使用不方便、制熱緩慢、污染環(huán)境的煤爐也被人們逐漸淘汰了。隨著國家節(jié)能減排政策的推廣和人們保護環(huán)境理念的加強，該村的養(yǎng)豬大戶主要以豬糞為原料，通過沼氣池發(fā)酵，不但解決了所排豬糞帶來的水質污染問題，還能制取沼氣。但是為了滿足人們的正常生活，所需圈養(yǎng)的生豬數量有一定要求，以4-5口人的家庭為例要近10頭百斤以上生豬，而且生豬排便和糞便的發(fā)酵都受溫度影響較大，溫度越低時生豬排便量越少，產氣量越低，故在冬季時常有因產氣不足而使沼氣池被廢棄的現象發(fā)生，為此不能大力推廣。近年來太陽能熱水器開始在村中流行，雖然該熱水設備可以利用免費、清潔、用之不竭的太陽能，但由于太陽能熱水器價格昂貴、供熱不穩(wěn)定等自身因素以及施工人員在安裝、保溫設計中不夠合理，使得該新型節(jié)能設備未能被廣大村民所接受，目前全村只有19戶安裝。
(2)在農村的熱水設備安裝中，目前農民們考慮最多的是熱水供應設備及其燃料的價格、供熱能力、方便程度。以該村為例，太陽能熱水器和電熱水器都是以4口之家為例的取值，常用的各種熱水供應設備的價格如下：
圖十 各種熱水供應設備的靜態(tài)投資對比圖
3.3.2投資回收期比較
太陽能熱水器目前還未被大力推廣的主要原因就是初期投資較高，而大多數村民都未看到長遠的利益和投資回報。為此筆者通過對太陽能熱水系統(tǒng)展開為期一年的實測，并將每日的太陽能集熱熱水箱溫度T1相應地記錄在excel表格中。當T1<50℃時，由電輔助加熱，故當日所需熱量為：4.187KJ/kg. ℃×200L×(50—T1)。當T1≧50℃時，日需能耗為零，其中4.187KJ/kg. ℃為熱水比熱，200L為太陽能集熱水箱熱量，50為太陽能集熱水箱出水溫度。筆者通過編輯上述公式求得2010.3.1—2011.2.28一年內的總能耗：2911.38MJ。若折算成電日照，考慮電熱水器的能效比為0.95，則年能耗為：3064.61MJ，即851.3kwh，按當地電價0.55元/kwh，計算年運行費用為：468.2元。
|
熱水系統(tǒng)類型 |
靜態(tài)投資 元 |
能耗 MJ/a |
運行費用 元/a |
節(jié)約費用 元/a |
回收期 a |
|
太陽能+電輔助加熱 |
5500 |
3064.61 |
468.20 |
881.88 |
6.2 |
|
沼氣池+電輔助加熱 |
3450 |
2602.11 |
397.54 |
952.54 |
3.6 |
|
罐裝液化石油氣 |
500 |
9105.03 |
599.28 |
750.80 |
0.7 |
|
煤爐 |
100 |
9712.03 |
364.52 |
985.56 |
0.1 |
|
柴火爐灶 |
600 |
16166.71 |
808.34 |
541.74 |
1.1 |
|
電熱水器 |
950 |
8836.88 |
1350.08 |
0.00 |
0.0 |
表三 各種熱水供應設備與電熱水器相比的的靜態(tài)投資回收期比較
太陽能+電輔助加熱的熱水供應系統(tǒng)，雖然初期投資大，但年運行費用低，靜態(tài)投資回收期為6.2a，滿足規(guī)范中投資回收年限小于10年的要求[6]。目前太陽能熱水器的實用壽命一般為15a。在壽命期內，以電熱水器相比，總收益為7760.5元。
本實例中太陽能集熱水箱按50L/per.d 選取的，總容積為200L，其年運行費用主要是由于陰雨天，有電輔助加熱產生的能耗。由于水箱容積較大，而實際利用的熱水又小于總容積，這就造成了電加熱能源的浪費。如按40L/per.d，即規(guī)范5.1.1-1條中的下限值，選取水箱容積，考慮設備的型號，則水箱容積為167L、集熱管長19200mm、共18支、采光面積為2.5m2，初期投資為4300元左右。相應的計算可以求得年運行能耗為2558.9MJ，運行費為390.9元/a，相比200L水箱的太陽能系統(tǒng)多節(jié)約能耗505.7MJ/a，節(jié)約電費77.3元/a，靜態(tài)投資回收期為4.5a，節(jié)能效果更加明顯。
3.3.3環(huán)境效益
太陽能熱水系統(tǒng)的環(huán)境效益主要體現在因節(jié)省常規(guī)能源的燃燒而減少污染物的排放，目前常用CO2的減排量為指標期刊網。沼氣池+電輔助加熱，除了電輔助加熱時排放污染，還會在沼氣燃燒工程中排放大量的的CO2、SO2等有害氣體。該四口之家的住宅由于設置了太陽能+電輔助加熱的熱水供應系統(tǒng)，以純電熱水器相比，年節(jié)能為ΔQsave =5772.27.171MJ，壽命期內的可以減排CO2為10423.14kg，人均2605.78kg。若以全村600人為例，每家都設置太陽能熱水器，則全村在太陽能15年的壽命期內可以減排CO2為1563.47t，減排效果非常明顯。
4結論
(1)農村的住宅熱水設備在選取和設計時，因缺少具體的參考數據，要因地制宜，從日照時數、太陽能輻照強度、居民用水特性、起居習慣等方面進行綜合考慮，當根據最高日用水定額選用設備時應取規(guī)范5.1.1-1條中40-80L/per.d的下限為宜日照，南方地區(qū)為35-40L/per.d，并且定額由南往北依次減少。
(2)我國農村住宅的太陽能熱水系統(tǒng)，多為分散局部供熱系統(tǒng)，雖然方便、簡單。但是缺少統(tǒng)一的規(guī)劃和管理，能源浪費較大。特別是在熱水設備出口溫度的設置上，要根據當地的用水習慣、水質特點進行選取;且需設置防過熱、防凍措施。不僅可以提高設備的使用效率，還節(jié)約能源。
(3)由于集熱水箱容積較大，在陰雨天需要電輔助加熱時，能耗也較大，一方面宜正確安裝電加熱元件的位置。另一方面宜按35-40L/per.d，選取集熱水箱，不僅可以減小初期投資、還能減少電輔助加熱的能耗。此外應合理利用電加熱的自動控制系統(tǒng)，根據熱水時變化曲線，當水溫未達到設定出水溫度的要求時，宜在用水高峰前啟動電輔助加熱，避免電輔助加熱一直運行而使太陽能浪費的現象發(fā)生。
(4)我國農村幅員遼闊，各地的氣候、生活習慣、用水特性也大有不同。但是隨著城鄉(xiāng)一體化推進，農民生活水平的提高，人們對生活舒適度的追求也越來越高，相應的能耗也越來越大。資源在不斷枯竭，環(huán)境在不斷惡化，為此在我國南方地區(qū)的農村設置太陽能熱水供應系統(tǒng)不僅可以滿足人們的正常生活所需，還能有一筆可觀的收益，最重要的是還讓人們切身參與節(jié)能減排的行動中。由于筆者能力有限，針對北方地區(qū)太陽能利用方面不作討論。
參考文獻
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[6]鄭瑞澄.民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術手冊.化學工業(yè)出版社.2006.26-28
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