太阳能热水技术作为一项发展成熟且利用成本相对较低的可再生能源技术, 已得到了广泛应用^[1]。近年来, 随着国家大力倡导提高能源利用率和减少污染排放的要求, 各地方政府也相继出台了鼓励或强制使用太阳能热水系统的政策性文件。其中, 上海市《关于进一步推进本市民用建筑太阳能热水系统应用的通知》 (沪建建管 (2013) 48号) ^[2]中明确要求:对新建有热水系统设计要求的公共建筑或者六层以下 (含六层) 住宅 (包括保障性住房) , 应当进行太阳能热水系统与建筑一体化设计;独立别墅、低层和多层建筑禁止使用太阳能集热器与贮热水箱直接连接的紧凑式太阳能热水系统。

　　 由于政策文件的推动和经济性的影响, 太阳能热水系统在上海地区有热水需求的多层甚至高层建筑中得到了越来越多的应用^[3~5]。系统的应用形式也由早期的紧凑式系统逐步发展为适应性更好的分体式系统或建筑一体化程度更高的集中式系统为主导^[6~8]。就住宅建筑而言, 由于集中式系统存在受使用率影响大和物业管理难等不足, 现多采用各户独立的分体式系统^[9]。

　　 在辅助热源的选用方面, 上海地区由于有燃气供应, 家用分体式太阳能热水系统主要采用蓄热水箱电加热和用水末端燃气辅助加热两种形式。

　　 本文以上海地区某住宅示范项目的阳台壁挂分体式太阳能热水系统为案例, 探讨两种辅助加热模式对热水系统性能的影响。

　　 本文所分析的阳台壁挂分体式太阳能热水器的系统构成如图1所示。

　　 整个系统可以按功能分为4个组成部分:

　　 (1) 集热环路:主要由集热器1、蓄热水箱2和太阳能站组成, 其中太阳能站主要包括集热循环泵和膨胀水箱等部件, 该环路的作用为将太阳辐射转换为热能并储存于蓄热水箱。

　　 (2) 补水管路:主要由补水泵5和单向阀等部件组成, 用以补充用水后蓄热水箱的水量, 保证系统的可连续运行。

　　 (3) 辅助加热装置:图1所示系统中包含2种辅助加热装置, 分别为内置于蓄热水箱的电加热装置3和布置于蓄热水箱热水出口侧与用水终端之间的燃气热水器7;实际系统中通常只采用一种辅助加热装置, 对于只采用蓄热水箱电加热的系统而言, 蓄热水箱2的热水出口直接与用水终端相接, 即系统中不存在燃气热水器7。

　　 (4) 控制器系统:主要由控制器6以及相关传感器等组成, 其功能为依据模式设定和采集的信号, 控制设备部件的运转以实现系统的正常运行。

　　 本案例系统位于一栋高层住宅的中间层且采用集热器与阳台一体化的安装方式, 其集热器贴合阳台栏板竖直安装, 蓄热水箱及其他设备部件均设置于阳台设备间, 如图2所示。

　　 集热环路所采用的太阳能集热器为一种集热管背面安装有CPC反射板的聚光型真空管集热器, 该集热器经试验测试拟合得到的集热效率表达式为:

　　 式中T_m———集热器进出口水温的平均值, ℃;

　　 T_a———环境温度, ℃;

　　 I———太阳辐照度, W/m²。

　　 本系统的集热器安装面积为2.8m², 集热器贴近阳台栏板外侧安装, 其与水平面的倾角为78°。集热环路采用温差循环控制:当集热器出口和蓄热水箱底部水温的温差为8℃时, 循环启动;当温差为4℃时, 循环停止。

　　 蓄热水箱采用容积为150L的搪瓷内胆保温水箱, 水箱保温采用40mm厚聚氨酯保温层。辅助电加热装置内置于蓄热水箱中上部, 其额定功率为2kW。该辅助电加热装置只在系统设定为电辅助加热模式且蓄热水箱上部水温达不到设定温度时运行;而对于采用燃气热水器作为用水终端加热装置的运行模式, 辅助电加热装置可一直设置为关闭状态。

　　 在采用燃气热水器作为辅助热源的系统中, 蓄热水箱负荷端出口的热水先经燃气热水器加热到设定温度再供应到用水终端, 以保证用水质量。本案例系统中燃气热水器的额定热功率为26.7kW, 额定热效率为88%。

　　 集热循环泵是系统集热环路的主要输配耗电设备, 用于加强蓄热水箱和集热器之间的热能传输。本系统案例采用额定功率为67 W的低噪音屏蔽式水泵, 其额定流量和额定扬程分别为13L/min和5m。

　　 系统的控制参数可通过控制器的操作界面进行调节设置, 本案例系统采用默认设置。其中, 蓄热水箱的保护温度设定为80℃, 即当蓄热水箱水温达到80℃时, 集热循环泵停止运行, 以防止过热现象的产生;辅助电加热的设定温度为50℃, 即当蓄热水箱上部水温低于50℃时, 辅助电加热开启, 当蓄热水箱上部水温达到55℃时, 辅助电加热停止。用水终端的水温设定为45℃, 通过热水供水和冷水的混水来实现温度调节。

　　 经现场调研, 本案例太阳能热水系统产生的热水仅用于一家三口晚间的淋浴和每周不定期的卫生打扫, 日常洗漱和厨房用热水均为燃气热水器直接加热产生, 因而太阳能热水系统的主要耗水量为淋浴用水。住户所采用淋浴花洒流量为6L/min, 且有每天睡前洗澡的习惯, 人均淋浴时间约为6min。可知系统日均用水量约为108L, 用水时间主要集中在19:00~23:00。此外, 结合用户的用水状况, 蓄热水箱电辅助加热模式的运行时间段设置为18:00~23:00, 以减少非用水时间段的系统热损失。

　　 太阳能热水系统保证率f可定义为太阳能提供的热量与系统总热负荷的比值, 其表达式为:

　　 式中Q_solar———太阳提供的热量;

　　 Q_load———热水系统的总热负荷。

　　 提高太阳能保证率, 可在保证热水供应质量的基础上减少辅助能源的消耗, 达到充分利用可再生能源并提高运行经济性的目的。

　　 两种辅助加热模式在系统设备构成上的差异主要为燃气热水器、电加热模块、三通切换阀以及相关管件。其中, 电加热模块、三通切换阀等部件成本相对较低, 而燃气热水器在上海地区属于标配, 因而采用不同辅助加热模式的经济性差异主要在于两者的运行能耗费用。系统的运行能耗费用M主要由水泵电耗费用和辅助热源的能耗费用构成, 其表达式为:

　　 式中M_sc———集热环路循环水泵电耗费用, 元;

　　 M_aux———辅助热源能耗费用 (电辅助加热模式为电耗费用, 燃气辅助加热模式为燃气费用) , 元。

　　 用水终端的水温是否达到用户的要求是用水舒适性的主要影响因素。对于用水时间分布较为集中的情况, 易出现辅助热源瞬时加热量不足而导致终端出水温度达不到设定水温的状况。本文定义用水终端出水温度偏离设定温度3℃以上的时长h_de作为比较用水温度稳定性的指标。

　　 对于太阳能热水系统, 除了太阳辐照不稳定性的影响, 用户对于卫生状况的担忧也是限制其更为广泛使用的因素之一。就卫生状况而言, 蓄热水箱中军团菌的滋生是系统设计和运行需要避免的。研究表明:军团菌易于在供水系统中滋生, 其最适宜的滋生温度区间为32~42℃;当温度达到50℃以上时, 军团菌将停止繁殖且在2h内大量死亡;当温度达到60℃以上时, 军团菌将迅速大量死亡。因而, 基于防止军团菌滋生的考虑, 蓄热水箱的水温应避免长期处于32~42℃, 本文定义蓄热水箱平均水温连续处于该温度区间的时长h_c来作为滋生军团菌风险的比较指标。

　　 为系统性地分析比较不同辅助加热模式对分体式太阳能热水系统的性能影响, 本文采用动态模拟软件TRNSYS分别建立了不同辅助加热模式的系统模型, 并选取TRNSYS中上海地区的典型气象年 (TMY) 文件作为气象数据, 对两者的全年性能进行动态模拟分析。

　　 太阳能热水系统实际运行中, 其性能受用水时间分布和太阳辐射波动的影响较大。对于本系统而言, 由于热水的使用时间集中在夜间, 与太阳辐射时间段相错开。因而, 易在太阳辐射较强日间出现蓄热水箱达到保护水温而使集热环路停止运行的情况。从而系统不能充分利用当天的太阳辐照, 而使得保证率降低。此外, 由于本项目的集热器安装倾角较大, 在太阳入射角较低的冬季, 可有效改善集热器采光面上的太阳辐照量;但在过渡季和夏季工况下, 由于太阳入射角较高, 集热器采光面上的辐照量将有所削弱。图3所示为两种辅助加热模式下的各月太阳能保证率的分布和集热器采光面的月累计辐照量分布。

　　 如图3所示, 两种模式的各月太阳能保证率随着月份的变化均大致呈现为先增加后减小的趋势, 并与各月太阳辐照的强弱变化相一致, 但在辐照量接近的情况下仍体现为夏季高而冬季低。这是由于冬季工况下的补水水温要低于夏季工况, 故而冬季的热水加热负荷要大于夏季, 所以在相同的辐照量条件下, 冬季的太阳能保证率要低于夏季。比较两种模式各月的保证率分布, 可以发现用水终端燃气辅助加热模式的各月太阳能保证率均大幅度高于蓄热水箱电辅助加热模式, 两者的年太阳能保证率分别为58.38%和40.13%。相比较而言, 虽然本项目的蓄热水箱电辅助加热模式设定为只在用水时段运行, 减少了非用水时段由于维持水箱水温处于设定用水温度所造成的热损失;但由于水箱辅助加热的影响, 其蓄热水箱水温仍较大幅度高于用水终端燃气辅助加热模式, 因而降低了在集热循环工况下蓄热水箱与集热器之间基于温差循环的热交换量, 故而其各月的太阳能保证率大幅度低于用水终端燃气辅助加热模式。

　　 太阳能热水系统的经济性是推动其得到普遍应用的主要因素, 因此系统运行的经济性必须作为考量的主要指标。对于运行能耗费用中电力费用的分析, 本文考虑了分时电价的影响。依据“上海市居民用户电价表”, 峰时段 (6:00~22:00) 的电价为0.617元/ (kW·h) , 谷时段 (22:00~次日6:00) 的电价为0.307元/ (kW·h) 。此外, 对于燃气费用的分析, 考虑住户的实际年燃气消耗量, 按照“上海市居民管道天然气阶梯价格表”的第二档费用进行计算, 燃气价格为3.3元/m³。图4所示为两种辅助加热模式在各个月的运行能耗费用分布。

　　 如图4所示, 两种模式各月的运行费用呈现为与其各月太阳能保证率相反的变化关系;蓄热水箱电辅助加热模式的各月运行费用均高于用水终端燃气辅助加热模式, 两者的年运行能耗费用分别为437元和259元。通过比较可以发现, 用水终端燃气辅助加热模式的运行更具有经济性, 且年运行能耗费用有40.73%的降幅。

　　 热水使用期间, 用水温度是否可保持在设定温度范围内是衡量用水舒适性的主要指标。其温度波动主要受水箱水温、补水水温扰动、辅助热源瞬时加热量以及用水规律等因素影响。图5所示为两种辅助加热模式在各个月的用水温度偏离设定温度的情况比较。

　　 如图5所示, 蓄热水箱电加热模式在1~4月和12月均出现了一定程度的终端用水温度偏离设定水温的情况, 其中最为严重1月的累计时长达到0.22h;而用水终端燃气加热模式未出现用水温度偏离设定水温的情况。这是由于通常配置的电加热装置的瞬时加热量远低于燃气热水器, 在连续用水且补水温度较低的冬季工况下, 易出现瞬时加热量不足而导致用水温度低于设定水温的情况。因而, 一般情况下用水终端燃气加热模式的用水舒适性更高。

　　 基于蓄热水箱电加热模式的设置, 其水箱水温每天都会在用水时段被加热到55℃以上, 因而可杜绝军团菌的滋生。为分析用水终端燃气加热模式中蓄热水箱滋生军团菌的可能性, 本文统计了其水箱平均水温处于32~42℃的时长, 其分布如图6所示。

　　 如图6所示, 对于用水终端燃气加热模式而言, 其蓄热水箱的水温完全取决于集热环路的集热量以及补水水温和水量的影响, 在各月均有一定时长处于32~42℃之间;其中, 8月的时长最长, 达到360.4h, 即该月将近一半的时间内蓄热水箱的平均水温处于易于滋生军团菌的温度范围内。尤其对于设计太阳能保证率较小的系统, 可能会出现连续长时间蓄热水箱水温处于军团菌易于滋生温度区间的工况。因而, 相比于蓄热水箱电加热模式, 单一的用水终端燃气加热模式具有较大的滋生军团菌可能性, 用水卫生存在隐患。

　　 本文基于某示范项目的分体式太阳能热水系统设置和用户使用特点, 分析了蓄热水箱电加热和用水终端燃气加热两种辅助加热模式的经济性、用水舒适性以及用水卫生等指标。结果表明:

　　 (1) 相比较于蓄热水箱电加热模式, “即用即热”的用水终端燃气加热模式的太阳能保证率更高且年运行能耗费用更低, 案例工况下的太阳能保证率提高了45.4%且年运行费用降低了40.73%。

　　 (2) 就用水舒适度而言, 由于用水终端燃气加热装置的瞬时加热功率高, 可保证连续集中用水工况下的出水温度均达到目标设定水温, 因而该辅助加热模式的用水舒适性高。

　　 (3) 就用水卫生情况而言, 蓄热水箱电加热模式会每日将整个蓄热水箱温度加热到可杀灭军团菌的温度, 故而不存在滋生军团菌的风险;但用水终端燃气辅助加热模式下的蓄热水箱水温全年有较长时间处于易于滋生军团菌的温度区间, 故该模式的用水卫生状况存在较大隐患。

　　 (4) 结合分析比较结果, 本文建议在系统运行模式上, 采用用水终端燃气辅助加热模式并定期在用水时间段利用蓄热水箱内置的电加热装置将水加热到60℃, 从而既保证了用水舒适度和经济性也确保了水质卫生。