作者：张仪红
针对目前国内外研究现状，本课题的研究思路为：通过文献调研，确定研究方向以及当前研究的成功和不足，结合自己所掌握的技术手段进行分析并制定研究方案，选取实际的典型案例进行调研和测试，通过文献调研确定计算公式和经验参数搭建能耗模型，将计算结果与实测结果进行对照验证，利用能耗模型进行分析，解决实际中发现的问题，进一步进行系统适宜性分析，最终得出研究结论和对工程的指导建议。具体研究内容如下：
1)研究不同太阳能生活热水系统的形式，了解目前太阳能生活热水系统的实际运行状况。太阳能热水系统包括集热系统、储热系统、辅助加热系统和输配系统。通过系统用热量与散热量以及能耗，从而得出系统运行情况及问题。
测试内容包括：
①太阳能辐照量、室外温度；
②集热器水流量及各集热器进出水温度；
③储水箱水流量及进出水温度；
④系统补水量及补水温度；
⑤辅助加热系统开启策略及功率（耗能量）；
⑥集热泵和热水循环泵开启策略及功率。
2)分别建立太阳能集热器、储热水箱及管道和用户末端等模型模块，进而建立太阳能生活热水系统的能耗模型，结合实测数据，修正校核模型。对于生活热水系统，主要是辅助热源的能耗，这部分耗能产生的热量和系统吸收太阳能热量共同保证整个系统的热量供给。热量主要耗散在管网输送和用户使用两个方面，能耗模型的关键在于管网散热模型和集热模型的建立。
3)基于校核的太阳能生活热水系统能耗模型，分析补水策略、用户使用模式、用水量、集热器效率及管道保温等对太阳能生活热水系统运行效果的影响，进而对不同系统形式下的太阳能生活热水系统的运行性能进行分析和研究，从而得到太阳能生活热水系统的适宜性评价结果。
1典型案例分析
2014年，北京建筑大学与清华大学对北京、内蒙古等地的集中生活热水项目进行了深入的调研与测试，了解目前太阳能生活热水系统的实际运行情况。
以赤峰某小区为例，介绍实测调研结果。该小区筑面积为19.5万m2，小区包括16栋6—18层住宅，共有用户984户。小区由46个单元组成，每单元独立设置一套太阳能生活热水系统用于居民生活热水供应。太阳能生活热水系统属于集中集热集中储热式系统，24小时供给居民热水需求，储热水箱中设置电加热辅助加热设备，当水箱内水温低于设定温度值时开启辅助热源，该项目保持水箱最低温度为45℃。图1为系统示意图。
测试内容包括供回水温度和循环流量。图2为测试期间供回水温度和室外温度逐时变化曲线，用户循环泵24小时运行，测试期间电辅热不开启。室外温度在15~35℃之间，平均温度在20℃以上。水箱和管道散热量根据测试的水温和水流量计算，用户用热量根据测试的热水温度和自来水温度以及用户的用热量计算。平均每天各部分热量实测结果如表1所示，根据实测结果，将系统热量进行拆分，如图3所示，用户的用热量占整个系统热量的67%，系统散热量占33%，其中管道散热量占总热量28%，水箱散热量仅占5%。整体来看，系统输入的热量有1/3经各途径损失掉。
2模型介绍
对于太阳能热水系统，全年运行情况复杂。由于实测只能得到一段时间内的运行情况，故有必要在进行调研实测的同时，辅以能耗模型进行模拟分析计算。
集中式太阳能生活热水系统可分为三部分：集热器部分、储热水箱部分、用户末端部分。系统能耗模型也分这三部分进行搭建，将这三部分整合在一起计算出系统全年逐时能耗。下面以集中集热集中储热式太阳能生活热水系统为例对各部分模型进行介绍。
2.1 集热器模型
集热器模型部分用来模拟集热器逐时对太阳能热量的吸收。
在计算集热器传热时，分集热器开启和集热器关闭两种情况。当集热泵关闭时，集热器的总的热量变化为吸收的太阳能热量与集热器自身的散热损失之差。此时认为集热器内的水温为一个集总参数，有热平衡方程见式(1)：
由于每天用户侧有一定的热水量需求，所以水箱内水量会随着用户的使用而减少，在模拟计算系统能耗时需要考虑水箱的补水。根据实测调研案例来看，最常用的补水模式总结如下：自动补水，定时补水。自动补水即水箱设置一个安全水位，当水箱水量低于该安全水位时，补水阀开启，自动将水箱内水量补至某一设定水位；定时补水即每天固定时间段，将水箱内水量补至设定的水箱最高水位。
对于水箱自身的散热量的计算，根据文献[4]中介绍的方法，水箱热损失分为保温热损失和其它热损失。其中保温热损失的计算可根据传热学中的导热问题的分析方法计算。当水箱为方形水箱时，保温热损失的计算见式(8)：
式中：A为保温材料表面积，m2；Z为传热时间，s;A为保温材料导热系数，W/( m- K)；6为保温层厚度，m；At为热水与环境之间的传热温差，℃。
水箱的其它热损失Q：可按0. 5Q．估算，所以水箱总的热损失Q =1. 5Q．。
管道散热损失计算，根据传热学通过圆筒壁的导热计算方法，假定管道流量不随时间变化，管壁为均值材料，管壁温度沿径向均匀分布，忽略管壁轴向传热。保温材料为均质材料，由于保温层材料一般热阻大而热容小，忽略保温层蓄热，并认为保温层外环境温度为常数。得出计算单位管长的传热系数K与散热量Q的相关计算式，见式(9)、式(10)：
式中：Q。，。为管网散热量，J；Quse为用户用热量，J；Qsya为系统总耗热量，J；77b。i．。，为锅炉效率；K。为一二次管网各管段单位长度传热系数，W/(m-K)；￡i为一二次管网各管段长度，m；≠，为一二次管网各管段管内水温，oC；管道架空敷设时，￡。。为一二次管网各管段管外空气温度，无沟敷设和地沟敷设时，f。。为土壤地表面温度，℃；下。为一二次管网各管段换热时间，s；仪。为保温层外表面对空气的放热系数，W／( 1112．℃)；d。。。为沟内壁放热系数，W／(fl12．℃);D。为一二次管网各管段保温层外直径，m;d。。。为地沟内廓横截面的当量直径，m;d。。。为地沟横截面外表面的当量直径，m；A。为保温材料的导热系数，W／(m．℃)；A．为土壤的导热系数，W／(m'℃);A。。为地沟壁的导热系数，W/( m'屯)；艿为保温材料的厚度，m；H为管子的折算埋深，m。
这样，根据上述的计算方法，只需知道管道的直径和保温材料、管长以及水温和环境温度，就可以计算出管道的散热量。
2.3 用户末端模型
用户末端模型部分用来模拟用户用热水状况，用户的热水使用习惯。对于不同的居民，生活热水使用模式具有差异性。不同的使用模式，系统的能耗也可能不同。在进行系统能耗模拟时，需要考虑用户使用模式作为输入参数。
用户有效用热量计算式见式(11)：
式中：v为用户用水量，L;t。。为用热水温度，℃；f。。为冷水即自来水温度，℃。
由于生活热水用户对热水的使用方式存在差异性，作逐时生活热水能耗模拟时，需要考虑不同使用模式的输入条件，参考王荣的硕士论文关于生活热水使用时间高峰的调研结果，本研究将用户用水模式按照用水时间不同简化为3种典型模式：1）
模式1：用户21:00用热水；2）模式2：用户7：00用热水；3）模式3：用户15：00用热水。
计算用水量时，按正态分布给出用户用水时长和用水频率。如图4所示为该户3种模式时的用水作息图，用水集中时段分别为21:00、7:00和15：00．时间步长为5 min，用户用水作息随机曲线见图4。
2.4模拟与实测对比
以赤峰项目为例，模拟计算其太阳能生活热水系统全年能耗情况。
根据小区物业提供的用户购水记录，可以获取用户编号以及对应的热水使用情况，整理几次购水时间之间的用水量，可以获知用户的用水量情况。选取6户典型样本进行分析计算，该典型单元楼所用系统供给用户30户，根据物业提供信息，每户平均人数3人，计算得每人每天使用生活热水40. 67L，模拟计算时取40 11（人．d）。
太阳能集热器的集热面积设计，根据中国建筑科学研究院制定的《太阳能集中热水选用与安装》（GJBT - 960）的规定，直接式太阳能热水系统的集热器根据系统的设计日用水量和用水温度确定，见式(12)：
式中：q rd为设计日用水量，L/d；c水的定压比热容，J/( kg．℃)；f。贮热水箱内水的设计温度，℃；t。水的初始温度，℃；JT为倾斜表面平均日太阳总辐射量，MJ/( m2．d)∥太阳能保证率；叼集热器年平均集热效率；叼，管路及贮水箱热损失率。
该项目位于赤峰，设计日用水量为4011（人．d）×3人／户×30户=3 600 L/d，水箱内热水设计温度60℃，水的初始温度为15℃。赤峰地区属于太阳能较丰富区，太阳能保证率推荐值为0.5~0.6．取为0. 55。Jr=13. 172 MJ/( m2 -d)，集热器效率叼一般在0. 25~0.5之间，取0.45；管路及贮水箱热损失率，一般取0. 20~0.30，取为0.25。计算得集热器设计面积为84.2m2。选用皇明真空管集热器型号为：JPH - 50TT18 - 00。，规格参数如表2：需要集热器12个，实际集热面积为91.2 m2。
根据项目情况选取水箱容量，根据《太阳能集中热水系统选用与安装》，单位采光面积产热水量取为40 L/(m2/d)，则集热水箱容量V集=91.2×40=3. 648 m3。选取放行水箱，尺寸选为2 mx2 mX1 m。水箱的散热面积为16m2。由3.3中水箱散热系数计算方法，水箱保温厚度取为50 mm，计算水箱散热系数为0. 69 W/( m2.K)。
根据实际调研情况，补水策略设定为定时补水：14：00后补水至水箱满容量；自动补水：其他时间当水箱内水量少于总水量的1/3时，补水至2/3总水量。
室外干球温度和太阳辐射量的数据根据气象局提供的测试期间的实时气象数据计算。
实测时间段为2014年8月27日—9月1日，为验证模型计算的准确性，模拟计算这段时间段内系统运行情况。
模拟计算与实测的用热量、管道散热量、水箱散热量对比结果如图5所示，从图5中可以看出，模拟的结果比实测结果都要偏大，但整体来说相差不大。从用热量来看，模拟的结果为752 kW -h，而实测结果为687 kW-h，二者相差不大，模拟计算结果与实测结果是相符的。这样在研究太阳能生活热水系统相关问题时，可通过该模型模拟计算的结果来分析。
分别选取冬季和夏季各几个典型日，研究模拟结果。冬季选取1月1日~1月3日，夏季选取8月1日—8月3日。以21:00用水的模式模拟结果为例，如图6、图7所示，图6、图7中列出了水箱水温曲线、集热器出口温度曲线、用户用水量曲线和电加热量变化曲线。
从图6中可以看到，1月1日—1月3日期间，冬季太阳辐射强度低，导致集热器吸收太阳能热量少，外界环境温度低，导致系统散热变快。电加热开启维持水箱水温45℃，到日出之后，集热器逐渐吸收太阳辐射，水箱内水温慢慢升高。图中电加热出现两个波峰是由于24:00的集中补水和21:00的集中用水导致。补水量的输入导致水箱水温降低，但维持在最低温度。
8月1日—8月3日期间，夏季高强度的太阳辐射令水箱水温处于高温状态，基本维持在60℃以上，补水和集中用水所需的热量由水箱过热量提供，故系统基本不需要开启电加热。集热器出口温度的波动变化与集热泵的启停策略相吻合即当集热水温高于水箱温度7℃时集热泵开启，当集热器温度与水箱温差低于3℃时，集热泵关闭。
综合冬夏典型日的模拟结果，基本符合实际运行逻辑，进一步验证模型有效性。
3模拟分析
利用太阳能生活热水能耗模型，模拟分析不同因素对集中式太阳能热水系统适宜性的影响。
3.1不同系统形式影响
前文中主要模拟对象均为集中集热集中储热集中辅热式系统的运行情况，对于同一用热水项目，太阳能热水系统形式的选取是可以多样的。下文主要增加模拟集中集热集中储热分散辅热式系统的运行情况，并与集中集热集中储热集中辅热式系统进行对比分析。
集中集热集中储热分散辅热式系统，相对于前述系统最大区别在于用户侧无循环泵和循环管，下文中分别对二者以集中辅热系统和分散辅热系统为简称。
分散辅热系统电加热设置与每户小水箱处，当从水箱来的热水不能满足热水使用温度时，用户自行开启电加热设备，加热水至所需温度，系统简图如图8。
分散辅热系统能耗模型同样分为集热器模型、水箱模型、用户末端模型三部分。模型计算与循环系统类似，只是水箱模型处的计算没有与用户之间循环的热量交换，且电加热计算与用户末端相关。
当集热泵关闭时只看用户侧的循环即可，水箱热平衡方程见式(13)：
式中：V为水箱内水的体积，m3；At。为水箱内水温变化量，℃；Qloss为水箱散热量，kW．h；Q。i。。为管道散热量，kW-h；Qsu_。。为用户有效用热量，kW-h。
集热泵开启时还需要考虑集热器的循环，水箱热平衡方程见式(14)：
当水箱水温低于设定水温时并且用户在用时，需要补热，仅需要对用户用水加热，见式(15)：
2种系统全年能耗模拟计算结果如图9所示，集中辅热系统全年需要辅热25 152 kW -h，而分散辅热系统全年需要辅热量为8 108 kW-h，分散辅热系统能耗远远低于集中辅热系统能耗。这是由于集中辅热系统需要维持水箱水温时刻保持于最低温度，而分散辅热系统水箱内水温不加控制，只需通过末端辅热保证用户用水温度；同时集中辅热系统连续的管道循环会导致大量热量通过循环管道散失，造成辅热量高于分散辅热系统。
3.2使用模式影响
不同的用户的热水使用习惯不尽相同，不管是在使用时间上还是使用量上都存在差异，本小节主要讨论使用时间不同，对系统运行的影响。
以集中集热集中储热分散辅热式系统为例分析，设定3种典型使用模式，分别为7:00用热水，15：00用热水，21:00用热水。
如图10所示，从模拟结果来看，不同使用模式的能耗差异比较显著，15：00用水能耗最低，7:00用水能耗最高。太阳能热水与其他热水供应方式有比较大的差异，选择在下午太阳辐射高，水温高时用水，更有利于降低系统能耗。如果能够合理引导有条件用户下午用热水，会使整个系统效率变高，能耗更低。
3.3补水策略影响
在实测调研中，发现不同补水控制策略时对系统能耗影响较大。设定3种典型补水模式，均为定时补水，自动补水模式。即在规定时间段内补水至满水量，在其余时间段内检测水位，当水位低于总水量的1/3时，自动补水至2/3总水位。3种补水模式定时补水时间不同，分别为10：00补水，14：00补水，24:00补水。表3为21:00用水时，3种补水策略下能耗对比。
如图11所示，10：00补水和24:00补水所需的辅助热源加热量相差不大，但14：00补水时，其辅助热源加热量相对于前二者增加较小。由于当集中补水时，水箱输入大量冷水，为保持水箱温度，水箱需要消耗热量来平衡这部分冷水冷量，当补水时间在14：00时，由于此时补入的冷量使得水箱内温度下降，且此时外界太阳能一般较充足，故系统所需的辅热量会相对较小，此时太阳能的吸收利用更为充分。下午两点左右为太阳辐射最大时段，选择此时补水有利于降低系统能耗。
3.4工程设计建议
针对以上分析，对于太阳能生活热水系统的设计给出一些建议。
24小时循环系统热量损失较大，可采用非全天循环，如用户用热水时通过按键发送指令，2 min后启动循环，减少散热损失。
不同使用模式对系统能耗影响较大，可在用户末端安装温度计，了解逐时系统提供的热水温度，引导人们在水温高时使用热水。
补水策略不同影响系统能耗，集中补水时间应设置在下午太阳辐射高的时段。
综上所述，可以设计一种新的系统形式，系统示意图如图12、图13所示。系统采用中集热，用户侧循环泵的开启可由用户控制，用户有热水需求时可按下按钮，循环泵开启。同时在用户末端有集热水箱的温度显示屏，用户可根据温度来选择用水时机。这样减少了循环所带来的巨大热损失，同时能起到引导用户使用节约型使用模式的作用。
4 结论
集中式太阳能热水系统有多种形式，通过实地测试调研，了解目前系统运行状况，从实测结果来看，约有1/3的系统热量通过不同途径损失掉。
建立太阳能生活热水系统能耗模型，分为集热器、水箱和用户末端三部分。模型模拟结果与实测基本相符。
利用模型模拟分析太阳能生活热水系统适宜性，分散辅热系统能耗远低于集中辅热系统能耗。补水时间影响系统能耗，下午两点左右为太阳辐射最大时段，选择此时补水有利于降低系统能耗。用户使用模式影响系统能耗，对于集中集热分散补热式系统，选择在下午太阳辐射高，水温高时用水，更有利于降低系统能耗。
在实际工程中，对于太阳能生活热水系统的设计，应该更多依靠模拟工具来进行模拟计算，设计更适宜于具体项目的系统。
5[摘要]
生活热水能耗在建筑能耗中是不可忽视的一部分，太阳能生活热水系统适宜性研究对建筑节能具有重要意义。本研究基于对太阳能生活热水系统的实测调研对系统的运行现状进行研究。建立了太阳能生活热水逐时能耗模型，并基于实测结果进行校验。模拟分析了补水策略、用户使用模式、系统形式等因素对系统的能耗影响，给出了系统适宜性分析结论。
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