夏热冬冷地区太阳能热水器供暖的改造
李 涛，余俊勇，姚璟仪，罗威龙，傅星宇，毛前军
(武汉科技大学 城市建设学院，湖北 武汉 430065)
夏热冬冷地区冬季阴冷[1]，缺乏集中供暖措施，居住建筑冬季室内温度低、舒适度差[2]，亟需通过供暖手段提升冬季室内热环境。但如若夏热冬冷地区超过150亿m2的居住建筑均采用全面供暖，势必造成供暖能耗的急剧上升[3]。
已有大量研究表明居住建筑适宜于推行分散式供暖[4-5]。目前居民已经采用单体分散式供暖形式如分体式空调、燃气壁挂炉地板辐射供暖、电散热器等改善室内热环境[6-8]，但如果每家每户都新增传统能源或者电能供暖措施，仍会造成供暖能耗增加，进而造成碳排放量增加。太阳能供暖是降低建筑能耗的有效手段之一，且在西北太阳能资源富集地区已经得到了较为广泛的应用[9-11]。倘若在夏热冬冷地区能够应用太阳能供暖技术，将有利于削减能耗。但夏热冬冷地区，大多位于太阳能资源可利用的Ⅲ区，甚至部分地区位于太阳能资源贫乏的Ⅵ区[12]，造成太阳能供暖保证率低，在很大程度上影响了太阳能供暖技术的应用。相比于严寒、寒冷地区，夏热冬冷地区冬季供暖时间短、建筑热负荷小，对热源总量的要求较小，但对于夏热冬冷地区居住建筑中推行太阳能分散式供暖是否可行仍缺乏明确定论。
本文通过现场调研方法掌握夏热冬冷地区居住建筑供暖及太阳能热水器应用现状，利用碳排放计算，明确了太阳能供暖改造的前景。对太阳能热水系统进行供暖改造设计，依据调研数据进行节能性和经济性分析，并探讨太阳能热水器供暖改造的技术可行性。
采用主观问卷调查与走访谈话相结合的调研方式。实地调研了夏热冬冷地区，家中有太阳能热水器的住户，了解应用现状。累计发放调查问卷共计1 000份，收回有效问卷761份，有效收回率76.1%。调研地点涵盖了夏热冬冷地区武汉市、长沙市、合肥市、成都市等典型代表性城市。
在问卷设计阶段从图书馆和网络上查阅文献，充分了解夏热冬冷地区供暖手段和太阳能热水器的市场情况等，对调查问题及选项进行优化。调查问卷主要从用户信息、太阳能热水器使用概况、居民供暖现状3部分设置了18个问题。用户信息包括人口结构和住宅面积。太阳能热水器使用概况从装机规模、购置时间、购买价格、使用时遇到的问题等方面设置了11个问题。居民供暖现状从供暖方式、供暖年消费、供暖满意度等方面设置了5个问题。在问卷发放阶段，在考虑城市和乡村的占比尽可能做到随机发放。在问卷回收阶段进行有效性筛选、分类汇总，形成调研结果。
2.1 供暖需求现状
通过现场调查统计，供暖区域分布现状如图1所示。
图 1 供暖区域分布图Fig.1 The distribution map of heating area
从图1可以看出，夏热冬冷地区超过3/4的用户采用各种方式进行供暖。在供暖住户中，大部分选择针对卧室或者客厅进行局部分时段供暖，仅有11.4%的住户选择了对整个室内进行供暖。调研对象中使用的供暖形式主要包括分体式空调、小太阳、炉火、炭火等。其中有超过50%的供暖用户采用分体式空调，有2户使用太阳能、地源热泵等可再生能源形式。尽管该地区居民采取各种措施提升室内热环境，但几乎所有调查样本中的居民仍希望进一步有效提高室内温度。
对住户供暖年运行费用(包含能源支出和设备维护)进行调查，统计结果如图2所示。
图 2 供暖年运行费用分布Fig.2 The heating annual operating cost of residential building
从图2可以看出，在589例供暖住户样本中，53.8%的住户明确供暖年运行费用超过了1 000元，其中不包括12.2%的住户表示并未计算过供暖费用。尽管大部分居民选择客厅和卧室局部供暖且分时段运行，但运行费用仍较高。倘若居民选择全空间连续供暖，势必会大幅度增加供暖年运行费用。
2.2 太阳能热水器利用现状
2.2.1 购买时间
图3为太阳能热水器购买年份分布。从图3可以看出，2005年以前购置太阳能热水器的用户较少，2005—2016年一直处于增长态势。
图 3 太阳能热水器购买年份分布Fig.3 The purchase year of solar water heater
究其原因是2005年以前太阳能热利用还处于起步阶段，太阳能热水器的技术和市场不太成熟，居民对该技术的了解也很有限，尤其是安装成本和居民收入不相符。2010年以后随着家电下乡政策的出台和国家对清洁能源的支持，太阳能热水器行业得到了空前的发展。
2016年以后，太阳能热水器市场较为稳定，国内市场也逐渐趋于饱和。尤其是近两年，受房地产行业以及新冠疫情的影响，新建建筑数量[13]及居民购买力均有所降低。因此太阳能热水器的发展已难以扩充用户数量，而应当开展多渠道利用形式。
2.2.2 太阳能热水器装机规模
居民常用的太阳能热水系统装机容量调查结果如图4所示。
图 4 太阳能热水器安装面积分布Fig.4 The installation area of solar water heater
大部分户用太阳能热水器的装机规模不足2 m2，占样本总量的63.2%。平均装机规模在1.9 m2，仅有12户的太阳能热水器集热面积超过了4 m2，可见受经济、可安装面积等因素限制，大部分居民倾向于使用小面积的太阳能热水器。
2.2.3 应用问题
夏热冬冷地区居民使用太阳能热水器遇到的问题为多选题，调研结果见表1。
表1 太阳能热水器使用过程中的问题Tab.1 Problems encountered in the use of solarwater heater
根据表1调研结果显示，超过2/3的居民认为冬季水温不高，且存在不稳定现象，难以对产生的热水直接利用。即使在夏季，仍有近一半的用户认为热水储量不够用。除此之外还存在花费太高、商家售后服务差、操作困难、季节性闲置等问题。
2.3 供暖改造前景
通过对8个村落的调查结果发现，安装太阳能热水器的用户比例超过55%。根据夏热冬冷地区调研数据中每户人口数和太阳能热水器安装面积及安装比例，对夏热冬冷地区总人口[14]进行换算：设该地区太阳能热水器安装面积为1.5亿m2，则采暖季节能量(Δsave,亿MJ)及CO2减排量(QCO2,万t)为
Δsave=SHD(1-ηL)ηcd
(1)
(2)
式中:S为夏热冬冷地区太阳能热水器安装面积，亿m2；
H为夏热冬冷地区水平面年平均日太阳能辐射量,10 MJ/(m2·d)[12]；
D为采暖季天数,90 d；
ηL为热损失率，取0.05；
ηcd为集热效率,取0.4[12]；
w为标准煤热值,取29.3 MJ/kg；
ηe为常规能源水加热的效率，取95%；
Fco2为辅助能源为电的二氧化碳排放因子0.866 kg；
MCO2为CO2相对分子质量；
MC为碳的相对分子质量。
计算可得如若将该地区已经安装的太阳能热水器改造成冬季供暖，通过计算理论上可以节能517亿MJ，实现CO2减排量590 万t。
调研结果显示,接近90%的居民愿意接受太阳能供暖形式，结合太阳能热水器供暖改造后CO2减排量计算可知，该地区利用太阳能热水器进行供暖具有一定的基础条件和前景。
3.1 供暖改造设计
考虑在原太阳能热水器的基础进行供暖改造，增加供暖系统、辅助热源系统以及控制系统,图5为太阳能热水器供暖改造设计原理图。由图5可知，太阳能热水器在系统主要起到热源温度提升的作用。当晴天白天有太阳辐射时，通过太阳能热水器的得热将进水的温度提升到要求之后进行供暖和供生活热水；
当温度提升不足时输送至辅助热源系统进一步提升达到供暖和生活热水的温度要求。当阴天或者夜间无太阳辐射时，系统进水直接进入辅助加热系统。
图 5 太阳能热水器供暖改造设计原理图Fig.5 Schematic diagram of solar water heater heating reform design
3.2 节能性
为了进一步明确太阳能热水器供暖改造的节能性，以调研数据为基础，对武汉市气象条件进行供暖改造节能率计算。采用估算方法计算建筑供暖总耗热量QH，kW·h；
，即
(3)
式中：qh为供暖耗热量指标，W/m2；
Ah为实际供暖面积，m2；
T为供暖总时长，h。
住宅建筑面积取调研平均值90 m2，按总面积的60%计算得到实际供暖面积54 m2，供暖耗热量指标取30 W/m2。假设建筑采暖间歇供暖，供暖时长为12 h，则整个采暖季90 d的总耗热量为1 749.6 kW·h。设调研单户住宅太阳能热水器的安装面积为2 m2，通过式(1)计算采暖季有效集热量为684 MJ，折合电量为190 kW·h。因此可得出2 m2的太阳能热水器供暖，节能率可达10.9%。
3.3 经济性
假设建筑中已经具备完整的供暖系统，将太阳能热水器改造并入供暖系统中，需要增加的控制器、管道、阀门等初投资共计800元。假设太阳能热水器的使用寿命为15 a，利用动态投资回收期法[15]，2 m2的太阳能热水器供暖改造的回收期为9.9 a。不同面积太阳能热水器供暖改造增加的初投资不变时，回收期见表2。从表2可知，面积越大的太阳能热水器供暖改造所得的收益也越高，回收期也越短。当太阳能热水器面积为6 m2时，对其进行供暖改造时经济性较好，回收期仅为2.7 a。
表2 不同面积太阳能热水器供暖改造回收期Tab.2 Recovery period of heating reform of differentarea of solar water heater
3.4 改造中存在的技术问题
太阳能热水器供暖改造前景广阔，且系统的节能性和经济性均较好。为了更加明确太阳能热水器供暖改造的可行性，需从技术角度进一步分析改造中存在的问题。
首先是辅助热源选择方面。受夏热冬冷地区太阳辐射强度以及居民太阳能热水器安装面积两方面因素的影响，太阳能集热量有限，需要在系统中增设辅助热源。从现有的研究[16]中可见辅助热源系统的选择包含了空气源热泵、地源热泵、燃气壁挂炉和电锅炉等。而在户用的太阳能热水器供暖改造系统中，选择何种辅助热源形式应当考虑系统兼容性、可靠性和资源分布等。
其次是系统控制方面。受太阳辐射不稳定性的影响，太阳能热水器的出水温度昼夜差异性较大，如何合理控制系统运行使太阳能热水器集热量得到最大化利用。控制对象主要为各部件阀门的起闭状态，监测的参数主要有系统水流量、水温、室内温度等。根据边界条件编制精准稳定的控制算法是系统高效运行的核心。
最后是系统优化设计方面。不同建筑采暖热负荷以及太阳能热水器集热量，对系统各部件的容量设计提出的要求不同。主要包括蓄热水箱的容积、辅助热源的额定功率、供暖末端的大小等。系统的优化设计直接影响供暖的可靠性、节能性和经济性等，是太阳能热水器供暖改造技术可行性的关键。
1) 通过对夏热冬冷地区典型城市761个住户的现场调研，88.6%的供暖住户选择对卧室或者客厅进行局部分时段供暖，53.8%的住户供暖年运行费用仍超过了1 000元。太阳能热水器在夏热冬冷地区应用基础较好，平均装机规模在1.9 m2，在应用过程中仍存在着冬季水温不高、出热量不足等问题。
2) 根据调研数据计算太阳能热水器供暖改造的节能量和CO2减排量分别为517亿MJ和590 万t。初步设计了单户住宅太阳能热水器供暖改造系统形式。从其节能性和经济性分析发现，面积越大的太阳能热水器进行供暖改造时节能性越高，回收期也越短。其中6 m2的太阳能热水器应用于供暖改造节能率可达32.6%，增加初投资的回收期为2.7 a。
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