天津市太阳能热水系统设计研究

摘要：本文就太阳能热水系统在天津市的设计工作进行了一系列研究，分析了其可行性和经济性，对其它地区的太阳能热水系统利用具有指导和借鉴意义。

关键词：天津市；太阳能热水系统；可行性；经济性

中图分类号：TK511 文献标识码：A

能源是社会经济发展的根本推动力之一，能源供给的可持续性、多样性对保证城市发展具有至关重要的作用，然而传统能源由于具有不可再生、易污染环境的特点，制约了它的推广使用。太阳能是一种洁净、可无限使用的能源，大力推广使用太阳能符合当今环保的潮流。天津市在《天津市建筑节约能源条例》的第二十二条规定：新建建筑的采暖、制冷、热水和照明等，应当优先采用太阳能、浅层地热能等可再生能源。可再生能源利用设施应当与建筑主体工程同步设计、同步施工、同步验收。天津市居住建筑中住宅所占比例非常高，并且具有生活热水的需求，利用太阳能制备热水是一项被公认的比较成熟的技术，在一定的条件下可以大力推广应用。

1. 天津市太阳能资源研究

天津市位于东经117.10°，北纬39.06°，坐落于我国华北平原东北部，东临渤海，北依燕山，海河在城中蜿蜒而过。在新时代条件下，天津滨海新区已成为中国经济第三增长极，天津市的能源需求越来越大。

天津市太阳能资源比较丰富，全年日照时数大于3000h，太阳能区域为二类地区。在典型年中，年太阳总辐射为5977.6MJ/m2，可利用的太阳辐射天数为199天，占全年的54.5%，可利用的太阳辐射约为3880MJ/m2，占总辐射的65%。天津市太阳辐射总量有明显的季节变化，一般为夏季＞春季＞秋季＞冬季，月辐射量最大值出现在6月，最小值出现在1月。虽然冬季天津市太阳辐射较低，但可以考虑以其它能源作为补充，因此在天津大力发展太阳能热水系统具有一定的先天条件。

2. 太阳能热水系统研究

2.1太阳能热水系统简介

太阳能热水系统是一种利用太阳辐射能，通过温室效应把水加热的装置，它由集热器、储热水箱、循环水泵、管道、支架、控制系统及相关附件组成。集热器是吸收太阳辐射能并向工质(水)传递热量的装置，是热水器的核心部件。根据收集太阳辐射能的形式，集热器可分为平板型集热器和聚光型集热器两种。早期的集热器为闷晒式，后来发展成为平板式和真空管式。集热器担负着两项主要功能，一是吸收太阳辐射能，二是将热量传递给工质。集热器上的太阳能吸热材料可分为两类：非选择性吸收涂层和选择性吸收涂层。非选择性吸收涂层是指其光学特性与辐射波长无关的吸收涂层；选择性吸收涂层则是指其光学特性随辐射波长不同有显著变化的吸收涂层。

2.2 太阳能热水系统设计

太阳能热水系统的设计首先要对工程概况做详尽的调查，主要包括：

（1）建设工程所在城市的相关气象资料；

（2）建筑类别：居住建筑（户型）与公共建筑、屋面形式；

（3）建筑规模：总建筑面积（单栋或群体）及建筑高度；

确定设计参数，主要有：热水用量、水温、用水时间、水源、水质；太阳能保证率；用热水人数。根据这些资料，确定系统的运行方式，选择太阳能集热器，进行一系列设计计算，主要有：太阳能集热器面积确定；贮水箱设计；辅助热源选择与系统设计；系统布局；太阳能集热器倾角与前后排间距确定；泵、阀及管路选型与管路系统设计；电气控制系统设计；管路与设备的保温与防冻；系统安全防护（防雷/防雨/防漏电/防腐蚀/抗风雪等）。

2.3 太阳能热水系统设计时的注意事项

在与建筑结合方面，无论在屋顶、阳台或在墙面都要使太阳能集热器成为建筑的一部分，实现两者的协调和统一。太阳能热水器的安装和使用应确保建筑的承重、防水等不受影响，同时应考虑在安装太阳能热水器的时候，建筑的结构荷载。

太阳能集热器面积的确定，既要保证提供的热量能够满足大部分时间的热水需求，又不至于经常出现热量过剩的情况，同时要考虑安装条件。

3. 天津市太阳能热水系统设计要点

3.1太阳能保证率

太阳能保证率与系统使用期内的太阳辐射、气候条件、系统热性能、用户使用热水的规律、热水负荷、系统利用成本和开发商预期投资规模有关，是影响太阳能热水系统经济性能的重要参数。在选取时，对预期投资规模较大，偏重于冬季使用时可选较大值反之可选较小值。

按照天津市的气象条件和冷水温度，太阳能保证率取春秋季节的50%~60%计算年保证率可在50%以上。如果安装条件允许、投资较充裕，保证率可取70%以上，充分利用太阳能资源。

3.2 集热器朝向

结合天津市的地理位置，太阳能集热器采光面宜为正南或南偏东15°、南偏西不大于30°范围内，倾角应为29°-49°。当朝向或倾角受条件限制超出上述范围时，集热器总面积应按补偿方式确定。

3.3太阳能与热泵技术的结合

太阳能有不连续性，不能稳定提供热量，所以需要采用辅助能源，常用的有电辅热、燃油、热泵辅热等。

据地矿部门提交的《天津市地下热水赋存条件及开发利用研究报告》，估算地热资源远景储量8446.17亿立方米，远景可采储量85.41亿立方米，远景年可采储量8541万立方米。天津地热属中-低温地热资源，在分布区域和资源特征上有着很大优势：主要分布于城市及周边地区，埋藏深度适中（1000—3000米），温度适宜（25—103℃），经济性良好，具有得天独厚的优势。将太阳能与热泵联合，能实现在充分利用太阳能的前提下，热泵作为辅助加热，使太阳能与热泵优化组合，保证一年365天每天都能产生足够的热水，其耗能远小于常规太阳能热水系统的运行费用指标。将热泵热水系统引入到太阳能中央热水系统的应用，解决了太阳能辅助能源问题，并将两者的优势同时发挥，实现了热水系统最节能、最合理的结合运用。太阳能系统与热泵系统既是相对独立又是联合的系统。根据需要，它们既能分别单独满足使用要求，又能联合满足使用要求。下表是太阳能热泵热水器与其它系统的经济性对比。

低,地源热泵不影响 空气源热泵在-5℃环境效果偏低,水源地源热泵不影响

热泵节约的费用/年 25.3万元 25.6万元 16.99万元 6万元

太阳能热泵节约的费用/年 29.4万元 29.6万元 21万元 10万元 4万元

表1 太阳能热泵热水器与其它系统的经济性对比

4.小结

太阳能热水系统技术上成熟，经济上可行，符合天津市的实际需求。在太阳能热水系统的设计中，要注意太阳能保证率、集热器朝向等参数的选取，结合天津市本地的实际情况，应大力推广使用热泵辅热太阳能热水系统。

参考文献：

[1] 何广宇.太阳能集中热水系统的应用探讨[J].科技创新导报，2008，28（11）

[2] 刘海天.浅析瑞景公园小区太阳能集中热水系统的应用[J].福建建筑，2009,21（01）

[3]梁锟，曹慧.太阳能集中热水系统节能效益分析研究[J].科技传播，2010,32（09）