太阳能热水系统推广应用关键技术研究.doc

太阳能热水系统推广应用关键技术研究
项目可行性报告

1．立项的背景和意义
我国能源、资源紧张，浙江省能源、资源短缺问题更加突出。随着经济的快速发展，能源消耗总体呈快速增长趋势。根据浙江省统计资料，浙江省社会总用电量连续快速增长，图1为浙江省2000～2005年电力消费量，年平均增长17.3%。建筑用电量基本同步增长。

浙江电力消费量（单位：亿千瓦小时）
0.00
500.00
1000.00
1500.00
2000.00
2000
2001
2002
2003
2004
2005

电力消费量

图1 浙江省2000～2005年电力消费量
建筑用电量占总用电量的比例巨大，全国2005年建筑用电量占总用电量的21.4%。2005年浙江省总用电量为1524.3亿千瓦时，城乡居民生活用电172.9亿千瓦时，居民生活（居住建筑）用电占总用电的11.3%。据调查，居住建筑能耗中，18％消耗在热水制备。浙江省建筑总用电量约占总用电的23％。在西方发达国家，建筑用电量约占总用电量的1/3。
与世界发达国家相比，不论是人均建筑能耗还是单位建筑面积能耗，我国均处于较低水平，因此，我国面临建筑能耗大幅增长的压力，参见图2及图3。建筑节能刻不容缓，一方面要求降低建筑使用能耗，另一方面需要充分利用可再生能源。
2003年世界主要国家年人均建筑能耗比较
[kWh/（人·年）]

743
412
420
1419
2572
5219
7774
16030
18206
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
美国
加拿大
日本
中国
印度
非洲
巴西
欧洲
世界

图2 2003年世界主要国家年人均建筑能耗比较

2003年世界各国建筑单位面积年能耗比较
[kWh/（m²·年）]
187
202
178
146
30
65
0
50
100
150
200
250
美国
加拿大
日本
西欧
中国
中国城镇

图3 世界各国建筑单位面积年能耗比较[kWh/(m2·年)
（图2、图3数据来源：International energy outlook 2006, Energy International Administration）
太阳能取之不尽，用之不竭，是最重要的可再生能源。对太阳能的利用有各种方式，总体可分为两个方面：即光伏（电）和光热。通过把太阳能转换成电能，即太阳能发电，从长期看，发展前途光明，当前，由于光电池转换效率低，生产成本很高，生产过程中会消耗巨大能耗并产生大量污染物质等问题，因此，太阳能发电还不具备推广应用的价值。把太阳能转换成热能十分简单，利用太阳能制备生活和生产热水是目前主要的太阳能光热利用方式，这种技术即为太阳能热水系统。
太阳能热水系统是太阳能利用比较成熟的技术，性价比高，具有推广应用的价值。2007年，浙江省颁布了《居住建筑太阳能热水系统设计、安装及验收技术规范》，规范规定别墅、排屋应安装太阳能热水系统。同年，浙江省颁布《建筑节能管理办法》，其中第七条规定：12层以下新建居住建筑必须安装太阳能热水系统。12月，浙江省建设厅发布了《太阳能在建筑中利用实施的若干意见》的文件，要求在全省12层以下的新建居住建筑、以及有热水系统的公共建筑全部安装太阳能热水系统。太阳能热水系统构成的设备包括太阳能集热器、储热水箱、管道及配件，生产技术已经成熟，产品质量也有保证。太阳能热水系统居民欢迎、政府推动，但由于在建筑工程应用中存在大量技术和管理问题，一直没有得到应有的发展，特别是在城市推广缓慢。
直插式太阳能热水器由于集热器与储热水箱不能分开，存在的问题最多，在建筑上安装特别是与建筑外观造型结合比较困难，水压不能平衡，冬季气温低时还可能造成管路结冰。当直插式热水器安装在多层或高层住宅时，由于管路过长，管路中热损耗巨大，间隙用水不能立即获得热水，造成水资源浪费。有的系统为即时获得热水，在出水口增加即热式电热水器，当每次用水很少时，基本使用电热器加热的水，造成能源浪费，系统很不合理，杭州某小区为多层和高层住宅，大部分采用直插式热水器，就存在上述问题。集中集热，集中储热，对于高层住宅，普遍存在管路热损耗大、不能即时获得热水的问题。有的热水系统安装不规范，造成屋面漏水、跌落等安全问题。为保证使用效果，有的热水系统过于复杂，导致投资大幅增长，使用管理维护费用增加。高层住宅，当层数超过18层时，屋面面积不够安装太阳能集热器。由于目前太阳能热水系统存在上述这些问题，虽然政府大力推广，群众也喜爱，太阳能热水系统推广仍旧困难重重，其发展速度与政府的期望有很大差距。
本课题针对量大面广的居住建筑中太阳能热水系统应用存在的问题，特别是12层以下居住建筑中应用存在的问题，进行深入研究，提出切实可行的解决办法，为太阳能热水系统的推广应用提供技术示范保障。
2．国内外研究现状和发展趋势
我国70年代后期开始开发家用太阳能热水器，8O年代后期，我国开始研制高性能的真空管集热器。太阳能集热器一直是太阳能热水系统研究的重点，其中最主要的研究内容是提高太阳能光热转换效率，核心技术是开发高吸收、低辐射的材料，即能够尽可能多地吸收太阳能，同时尽可能低地向空中辐射热能，以保存热能。科研单位及生产企业均把集热器研究作为太阳能热水系统开发研究的重点，而构成太阳能热水系统的其它部件（储热水箱、管道及配件等）为通用设备，并不是太阳能热水系统研究的重点。目前，太阳能集热器已经有真空管集热器、平板集热器、热管真空管集热器等成熟的产品，产品质量已经能做到稳定可靠，能够满足当前推广应用的条件。太阳能热水系统研究开发主要由能源研究机构及太阳能生产企业承担，太阳能热水系统应用需要与建筑的结合，而目前建筑设计单位参与很少，导致推广应用不够理想，这是目前太阳能热水系统推广应用存在的主要问题。太阳能热水系统在建筑上推广应用研究的缺乏，正是本项目要填补的空白。
我国太阳能热水系统的发展首先从农村开始，结构简单、价格便宜的直插式太阳能热水器在我国广大农村得到广泛应用。由于直插式太阳能热水器价格低，每户独立，在城市住宅中也有大量使用。直插式太阳能热水器存在的问题较多：它不能保证全天候热水供应；水压受热水器安装高度限制；用水点水压不平衡；冬季寒冷天气，容易造成冻裂等。城市住宅自发的安装太阳能热水系统，产生大量问题：在原有屋面增加太阳能集热器，可能破坏屋面防水层，造成屋面漏水；由于安装不规范，带来安全隐患；由于缺乏统一规划，造成屋面杂乱无章，破坏城市景观。由于居民自发安装太阳能热水器带来的种种问题，导致一些物管部门限制安装太阳能热水器。
近年来，一些住宅小区开始集中统一安装太阳能热水器，如杭州的政苑小区，近2000户住宅，包括一个游泳馆，均安装太阳能热水系统。但由于政苑项目采用每户独立的直插式太阳能热水器，管道数量多而长，在管道上的热损失巨大，存在的问题较多。在一些住宅项目中也已经有非常成功的太阳能热水系统应用实例，如杭州的金都雅苑、竹海水韵、杭州临平的长岛绿园等。
目前，城市多层、高层住宅安装太阳能热水系统主要存在的问题有：
1） 管道过长，管道上热损耗太大，据测算，管道热量损失可以超过30％，性能价格比大幅降低；
2） 不能即时获得热水，浪费水资源；
3） 太阳能热水系统水压与自来水系统水压不平衡，严重影响正常使用；
4） 冬天寒冷天气，管道冻裂；
5） 安装不规范，导致屋面漏水，设备跌落等安全问题。
6） 高层住宅，当住宅超过18层时，屋顶面积不够安装太阳能集热器，如果在住宅立面安装太阳能集热器，目前的住宅间距，不能完全满足下部住宅的太阳辐射要求；
7） 有的为保证使用效果，系统过于复杂，导致投资大幅增加，使用中维护、管理费用增加；
8） 太阳能集热器没有与建筑造型有机结合，破坏建筑景观。
太阳能热水系统发展趋势是满足城市住宅的要求，具体要求是使用舒适，卫生、安全、可靠、管理方便、与建筑能有机结合，并具有很高的太阳能利用效率及合理的价格，这是今后太阳能热水系统推广应用必须要做到的，这也是本课题要研究的内容。当然，集热器集热效率的提高、可靠性的提高仍需要深入研究。
国外的太阳能热水器发展很早，但80年代的石油降价，加之取消对新能源减免税优惠的政策导向，使工业发达国家太阳能热水器总销售量徘徊在几十万平方米。1992年国外太阳能热水器总量为45万m2，其中日本为20万m2，美国为12万m2，欧洲为8万m2，其他国家为5万m2。世界环境发展大会之后，许多国家又开始重视太阳能热水器在节约常规能源和减少排放CO2方面的潜力。国外太阳能与建筑一体化的发展得到了政府的大力支持，一般采用高额补贴的办法（补贴30%--40%，德国高达60%）。以色列则采取强制性推广政策，使太阳能热水器的普及率已超过90％，太阳能热水器总面积350万m2，平均每千人580 m2，成为全球人均太阳热水使用面积最高的国家。欧盟15国太阳热水器集热面积正以35%的速度递增，2010年分体式太阳能热水系统总面积将达到8155-10000万m2。
国际上，太阳能热水器产品经历了闷晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展，目前其产品的发展方向仍注重提高集热器的效率，如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层，以减少热量损失；聚脂薄膜的透明蜂窝已在德国和以色列批量生产。
欧盟在太阳能与建筑一体化的研究及应用方面均处于世界领先地位。主流产品是平板式太阳能热水系统，以分体式双循环承压运行为主。集热器的安装实现了太阳能与建筑的完美结合。建筑一般为尖顶，集热器像天窗一样镶嵌于坡屋面、平铺于屋脊或壁挂于墙体，和建筑融为一体，增加了建筑美观；防水结构设计合理；屋顶承重小；储热水箱在地下室、阁楼或楼梯间隐藏放置，不占室内空间，避免屋顶承重；保温水箱容积比较大，甚至很多家庭使用双水箱；相应的集热器安装面积也较大，从而满足大量的热水需求；热水的用途不仅仅是洗浴，还用来供暖和提供生活用水；其水质保持清洁，达到饮用水标准；平板集热器板芯采用真空溅射选择性涂层，吸收率高，发射率低，耐久可靠，性能指标好；双循环系统以防冻液为工质，保证高寒地区冬季正常使用；辅助能源选用燃气炉、壁炉或电加热器，一般通过换热器间接加热，确保全天候热水供应。与我国不同，欧盟国家住宅大多为低层，没有我们在高层住宅应用太阳能热水系统遇到的问题。因此，我们没有现成的经验可借鉴，多层和高层住宅应用好太阳能热水系统，要靠我们自己研究探索。
3．项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点。
太阳能热水系统由太阳能集热器、储热水箱、管道及控制系统组成。太阳能集热器的功能是吸收太阳辐射，直接加热水或加热媒质。太阳能集热器有很多形式，国内常用的有真空管集热器、平板集热器等。储热水箱是把加热的水储存，供需要时使用。大多数承压系统，储热水箱也是进行热交换的地方。储热水箱分集中水箱和分散到户的小水箱。控制系统负责系统运行。目前，太阳能集热器技术已经成熟。
以前，太阳能热水系统设备生产厂家以及科研单位研究重点主要是集热器，包括集热方式、太阳能吸收涂层效律的提高、辐射散热降低、集热器保温、防结露等，而对系统结构研究很少，对在建筑上的应用研究更少。在建筑上推广应用研究一般被认为是建设领域的事。本项目针对目前太阳能热水系统存在的问题，特别是在高层住宅推广应用存在的问题进行分析研究，提出解决方案，通过试点工程推广应用，并在试点工程基础上总结经验、进一步完善，为在全省推广应用提供技术支撑。
项目具体研究内容：
1） 太阳能热水系统应用情况系统调研，进一步了解住户使用情况和意见，掌握各种太阳能热水系统存在的问题，为开发新系统提供依据。
2） 通过采用新型的太阳能热水系统系统结构、以及控制管道中热水循环，在保证使用效果的同时，降低热量损耗，避免自来水浪费。
3） 优化太阳能热水系统系统结构，使太阳能热水系统水压与自来水系统水压平衡，确保舒适使用热水。
4） 研究太阳能热水系统设备安装方式，研究防水、防风安装构造，确保设备及建筑安全。
5） 研究太阳能热水系统与建筑造型的结合，在形象上，做到与建筑协调统一，美观、大方。
6） 研究集热器阳台安装方式及系统构成，解决没有阳光遮挡的高层建筑太阳能热水系统安装问题。
7） 研究开发太阳能热水系统控制系统，对太阳能热水系统运行进行控制，降低管道热量损耗。进一步通过远程控制，根据天气预报，提前设置太阳能热水系统运行方式，如遇第二天为雨天，提前开启电辅助加热，更好地满足用户对热水的使用。
8）太阳能热水系统试验研究，对多种太阳能热水系统进行实验研究，对各系统集热效率进行测定比较。
8）实施高层建筑太阳能热水系统规模应用试点工程，对两种以上系统进行试点，解决实施中出现的具体问题。
9）编制12层以下高层住宅太阳能应用技术导则。为全省推广应用提供技术支撑和示范。
项目技术关键：
1） 针对不同建筑条件，通过开发3种以上适合12层以下住宅推广应用的太阳能热水系统，包括：集中集热，分散储热和加热；集中集热，集中储热和加热；分散集热，分散储热和加热。结合配套的控制系统，在确保舒适用热水前提下，大幅度降低管道热量损耗，提高太阳能利用效率。
2） 开发满足上述太阳能热水系统要求的控制系统，使太阳能热水系统运行更合理，使用更舒适方便，太阳能利用效率更高。
3） 优化太阳能集热器的安装，做到防雨、防风，并与建筑造型有机结合。优化太阳能热水系统内在系统结构，使太阳能热水系统内在系统水压与自来水系统水压的平衡，做到舒适用热水。
项目创新点：
1） 通过优化太阳能热水系统系统结构，结合配套的控制系统，在确保舒适用热水的同时，大幅度降低管道热量损耗，并避免自来水浪费。
2） 太阳能热水系统与建筑有机结合，一方面，通过优化太阳能热水系统内在系统结构，使太阳能热水系统内在系统水压与自来水系统水压的平衡，做到舒适用热水，另一方面，优化太阳能集热器的安装，外在形式与建筑造型结合，并且做到屋面防水、防风等。

4．项目预期目标
1）通过项目研究及实施，研发出3套以上适合浙江省气候条件下12层以下建筑的太阳能热水系统结构体系及其控制系统。这些系统具有热水供应稳定、用水方便、太阳能利用效率高、管道热损耗低、没有水浪费、安全、可靠、与建筑有机结合等优点。
2）完成太阳能热水系统规模化试点应用，具体完成1000户住宅太阳能热水系统应用工程。
3）在项目研究及试点工程基础上，总结提高，完成浙江省12层以下太阳能热水系统应用技术导则，为太阳能热水系统推广应用提供技术保障，促进浙江省太阳能热水系统在12层以下住宅的全面应用。
4）以每户每天使用120升热水，温升40℃计算，1000户居民全年可节约用电量141万kWh。太阳能热水系统在全省推广，节约用电量将十分巨大。
5）申报专利两项，专利内容为太阳能热水系统控制系统及系统结构，其中发明专利一项。
6）完成论文5篇，其中一级刊物论文2篇。
7）培养硕士研究生2名，博士研究生1名。
5．项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解。
对目前太阳能热水系统存在的问题进行充分研究。
对各种太阳能热水系统系统结构进行分析计算。
对几种典型太阳能热水系统进行为期一年的跟踪测量，测量各种气候条件及安装条件下系统实际得热情况，并对不同系统进行对比分析。
对典型建筑形式，提出太阳能集热器与建筑的结合方式。
优化太阳能热水系统内在系统结构，使内部水压与自来水水压实现平衡。
开发太阳能热水系统控制系统。
实施太阳能热水系统试点工程，对工程实施过程中出现问题提出解决方案。
项目总结，完成项目报告，完成浙江省12层以下太阳能热水系统应用技术导则。

流程图：
调研
系统分析计算
系统优化设计
系统比较试验
开发控制系统
反馈
试点工程
应用
应用
总结提高
反馈
完成报告
编写导则

本项目由高校、建筑设计院、太阳能热水系统设备生产厂家、房地产开发企业等多家单位共同承担。
高校为项目总体负责，并具体负责课题中的计算和分析，控制系统开发、太阳能热水系统试验研究。建筑设计研究院负责设计工作。房地产开发公司负责太阳能热水系统试点工程实施工作。太阳能生产企业配合提供太阳能热水系统设备、共同完成控制系统开发。
6．计划进度安排
2008年7月～2008年12月，调研、计算分析，太阳能热水系统开发，控制系统开发，太阳能热水系统试验研究；
2009年1月～2009年12月，完成太阳能热水系统结构开发设计及优化，完成控制系统开发，试点工程启动实施；
2010年1月～2010年6月，完成试点工程，分析、总结；
2010年7月～2010年12月，完成项目报告，完成《12层以下建筑太阳能热水系统应用技术导则》，项目验收。
试点工程受工程进度限制，有可能时间会延迟。
7．现有工作基础和条件
本项目承担单位及主要人员长期从事太阳能热水系统及相关工作的研究、开发、生产及应用，已经完成或正在承担多个太阳能热水系统相关课题，已经完成多个太阳能热水系统应用工程。
项目负责人完成杭州市太阳能热水系统与建筑一体化研究课题，目前，负责杭州市太阳能热水系统在高层住宅规模应用试点工程技术工作，负责德清某住宅项目太阳能热水系统应用设计工作。
项目主要成员完成编制《浙江省太阳能热水系统设计、安装、验收规范》，完成金都雅苑等多个太阳能热水系统应用工程；
项目成员发表太阳能热水系统应用论文多篇；
项目申请单位拥有建筑热工实验室，具备太阳能热水系统试验研究的条件；
项目组成员已经成功开发过太阳能热水系统控制系统；
参与项目的太阳能热水系统生产厂家长期从事研究和生产太阳能热水系统设备，具有很强的科研和生产能力，产品遍及全国。可以保证太阳能热水系统设备的供应；
参与项目的房地产开发企业已经落实太阳能热水系统推广应用试点工程；
项目有很强的研究队伍，项目负责人及主要成员在时间上能够保证研究工作的正常进行。

经费概算
经费概算说明：
本项目研究包括调研、计算分析、试验研究等工作。项目经费概算见附表。附表中主要经费开支说明如下：
设备费主要用于添置部分太阳能热水系统测量设备、3台计算机、1台激光打印机。为适应本项目测量，项目组将自制少量设备，完善试验系统。试点工程所用太阳能热水系统设备全部用自筹资金。
材料费主要用于购买试验材料、项目研究日常消耗用品，如纸张、办公用品等。试点工程材料费全部由自筹经费支出。
测试化验加工费主要用于项目试验。本项目拟测试多套太阳能热水系统，需要开支较大费用。
差旅费主要用于项目调研、国内外技术考察等的差旅费。
出版/文献/信息传播/知识产权事务费8万。主要用于本项目成果出版、专利申请等。
人员劳务费，按政策规定用于项目研究人员的劳务报酬。
管理费，按政策规定用于项目研究单位管理费用。

附表：
省级科技计划项目经费概算表
项目名称：太阳能热水系统推广应用关键技术研究 金额单位： 万元
序号
概算科目名称
合计
省财政拨款
经费
地方部门配套经费
自筹经费
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
1
一、经费支出（合计）
1050
150

900
2
1、设备费
15
15

3
（1）购置设备费
12
12

4
（2）试制设备费
3
3

5
（3）设备租赁费
0
0

6
2、材料费
770
20

750
7
3、测试化验加工费
125
25

100
8
4、燃料动力费
5
5

9
5、差旅费
25
25

10
6、会议费
10
10

11
7、合作、协作研究与交流费
5
5

12
8、出版/文献/信息传播/知识产权事务费
10
10

13
9、人员劳务费
52.5
22.5

30
14
10、专家咨询费
2
2

15
11、管理费
10.5
10.5

16
12、其他开支
20
0

20

1
二、经费来源（合计）
1050

2
1、申请省财政经费
150

3
2、地方、部门配套拨款

4
3、自筹经费
900

5
（1）单位自有货币资金

6
（2）其他资金

省财政科技经费拨付进度申请
第1年
第2年
第3年

金 额
45
60
45

比例（％）
30
40
30

注：支出概算按照经费开支范围确定的支出科目和不同经费来源编列，同一支出科目一般不同时在财政拨款经费和自筹经费中概算。
13