引言截至2016年，我国建筑面积总能耗占全国能源消费的20.6%[1]，生活热水能耗占除采暖外住宅总能耗的23.4%[2]。2018年我国可再生能源消耗量折合约为1.435×1011 kWh，占全世界的25.6%[3]。太阳能热水作为应用最广泛、最成熟的可再生能源应用技术，2017年装机容量达到4.72×108 kWh，占世界总量的68.75%[4]。我国《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2019）也将可再生能源提供生活热水的比例作为绿色建筑判定的得分项之一[5]。根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T 50801—2013）[6]，太阳能热水系统的评价指标主要包括太阳能保证率、集热效率、贮热水箱热损因数、供热水温度、常规能源替代量、静态投资回收期、二氧化碳减排量、二氧化硫减排量及粉尘减排量等。每人每天的用水量为恒定值，冷水的进口温度采用全年平均值。但在实际使用中，日用水量、冷水温度均存在波动，这种波动对太阳能热水系统节能不利。本研究通过分析对太阳能热水系统实际节能效益的影响因素，以期对太阳能热水系统节能减排效益评价的应用推广提供依据。1模型研究太阳能加热、辅助热源加热、水的终温都不超过100 ℃，后续的分析中以98 ℃作为加热上限。当太阳能加热的终温超过设计的额定温度时，辅助热源不启动，否则利用辅助热源将热水加热到额定温度。每天使用的热水量是指针对使用者而言的热水量，但用水的温度tu和热水加热的最终温度tz之间存在差异，即存在冷热混水的过程。因此每日使用的热水量折合成水箱热水的消耗量Vz才是水箱中热水消耗掉的部分。太阳能每日加热的最终温度为：ts=tc+AJηρVc (1)Vz=Vutu-tltz-tl (2)式中：A——集热面积，m2；J——太阳辐照量，MJ/m2；η——光热转化效率，%；tl——冷水的进水温度，℃；tc——水箱的初温，℃；ts——太阳能加热的终温，℃；tz——热水加热的最终温度，℃；tr——使用热水的温度，℃；V——贮热水箱的体积，m3；c——水的比热容，kJ/(kg·K)；Vu——每日使用热水的体积，m3；tu——使用的热水温度，℃；te——使用后水箱中残存的热水温度，℃。每天使用热水后水箱中残存的热水是未消耗的热水与补充冷水的混合水，温度为：te=Vztl+(V-Vz)tz (3)由于水箱存在一定的热损失，第二天的加热起始温度低于水箱前一天的终温。考虑热损失造成的温差为Δts：tc,j+1=te,j-Δts (4)Δts的大小取决于水箱的表面积、水箱保温情况、热水的温度、环境温度tasav等因素。根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》，系统的储热水箱保温性能分析参数为热损因数，要求测试时间为20：00开始至次日6：00结束，测试开始时贮热水箱水温不低于50 ℃，与水箱所处环境温度差不小于20 ℃，水箱处于正常水位，且无冷热水出入水箱。此时热损因数为：us=ρcΔτlnti-tasavtf-tasav (5)式中：ti——测试时间段起始水温，℃；tf——测试时间段终了水温，℃。选择某分散式太阳能热水系统进行实测及分析。该系统1 m2集热器对应40 L水箱，冷水的进水温度为10 ℃，热水的额定温度为60 ℃。太阳辐照度为浙江省3月份日平均辐照度12.77 MJ/m2，太阳能转化效率经检测为50%。测试日20：00~次日6：00，水温从76.0 ℃下降至69.5 ℃，平均环境温度为17 ℃，则us=13.6 W/(m3·K)。若用户实际使用热水温度按照洗浴用水平均温度取值为43 ℃，用水量25 L/d，则水箱中热水的折合用水量随着水箱中水终温的变化而发生变化，实际消耗的太阳能热量为：Qz=Vztz-tl×QsQs+Qe (6)式中：Qs——当天太阳能的加热量，MJ；Qe——辅助热源的加热量，MJ。由于1 m2集热器获取的太阳能热量为5.33 MJ，而每日消耗量较少，则水箱中存在热量盈余储存，造成水箱内的水终温逐渐升高。从第7天起，由于水的温度限制为98 ℃，则太阳能热量无法完全利用。从第8天开始，每日的太阳得热情况和热量使用情况达到稳定，实际的太阳能利用率为43.0%。太阳辐射月总量为395.87 MJ，实际集热系统得热量为149.56 MJ，太阳能转化率为37.78%；但有效使用的太阳能热量仅为106.58 MJ，热量累积效应的存在使得实际使用热量仅为太阳能辐照量的26.92%，远低于系统性能检测的太阳能转化率。用水量25 L、43 ℃时，水箱温度和得热量变化情况如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.005.T001表1用水量25 L、43 ℃时水箱温度和得热量变化情况天数冷水温度tl/℃起始水温tc/℃太阳辐照量J/（MJ/m2）太阳能加热终温ts/℃加热终温tz/℃太阳能加热量/MJ辅助热源加热量/MJ用水温度tu/℃用水量Vu/L折合用水量Vz/L用完终温te/℃实际消耗太阳能热量/MJ11010.012.7748.060.06.3852.015432516.539.42.6321036.912.7774.974.96.3850432512.754.33.4731050.212.7788.288.26.3850432510.667.63.4741062.012.7798.098.06.047043259.477.43.4751070.712.7798.098.04.581043259.477.43.4761070.712.7798.098.04.581043259.477.43.4771070.712.7798.098.04.581043259.477.43.4781070.712.7798.098.04.581043259.477.43.4791070.712.7798.098.04.581043259.477.43.4710~311070.712.7798.098.04.581043259.477.43.472影响因素与工况分析2.1热量消耗波动太阳能热水系统的集热器、水箱设计中，根据规范确定热水的用量定额。实际运行中，热水的用量波动很大，不同季节、不同地区、生活水平等因素直接影响热水的日消耗量。根据《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）[7]，热水供水的用水定额以60 ℃为标准，计算太阳能热水系统的集热面积。但使用时可通过混水阀实现个性化供水，水温、水量均不同。王珊珊[8]等研究发现，居民日洗浴热水用量约32 L/人。崔新明[9]等对杭州市居民生活热水使用习惯的调查显示，居民使用水温均值与季节气温变化成反比，气温越高则居民感觉舒适的用水温度越低，冬季为42 ℃，春秋季为38 ℃，夏季为36 ℃。用水最高峰集中在19：00~23：00。洗浴最突出频率为：冬季2~3次/周，春秋季4次/周，夏季每日洗浴。冬季日均热水用量35 L/人，春秋季29 L/人，夏季29 L/人。王荣[10]发现，夏热冬暖地区和温和地区平均洗澡频率最高，约2~3 d/次，严寒地区和寒冷地区平均4 d/次，用水量与频率有关，约35~41 L/次，洗澡热水的温度为36~40 ℃。张磊[11]等通过对热水用量实态调查显示，居民平均日热水用量为33 L/人。洗浴时长占比分别为：春秋季10~20 min/次，夏季5~10 min/次，冬季10~20 min/次和20 min/次以上[1]。洗浴频率与季节密切相关，夏季6.8次/周，春秋季4.2次/周，冬季3.6次/周。居民年平均洗浴热水用量46 L/人，考虑季节变化，洗浴热水用量大致范围为40~55 L/(人·d)。洗浴高峰时段是19：00~24：00。洗浴频率随着季节气温的降低而降低，用时则正好相反，夏季最短为12.7 min，春秋季、冬季分别为16 min、18.6 min，冬季洗浴每次用水量明显高于其他季节，用水温度随着季节气温降低而升高，全年用水温度大致为37~42 ℃[2]。于瑞[12]研究发现，居民生活热水行为模式存在差异，可能导致热水系统能耗存在较大差异。用水量不同时，太阳能利用情况不同，不同日耗水量下的太阳能得热量如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.005.F001图1不同日耗水量下的太阳能得热量当用水量所消耗的热量等于太阳能提供的热量时，热量累积效应消失，可以充分利用太阳能的全部热量。以热水温度为43 ℃、每日消耗水量分别为15、20、25、30、35、40、45、55 L进行分析，实际太阳能月利用率分别为16.15%、21.54%、26.92%、32.31%、37.70%、43.08%、48.46%、49.85%。热水的日消耗量与设计使用量越接近，太阳能实际消耗量与太阳能理论得热量就越接近。当用水量略微超过设计用量时（45 L），由于用水温度低于设计的热水温度，系统获得的热量仍能满足需求。但当系统从太阳能获得的热量不满足每日消耗时，不足的部分由辅助热源补充，此时太阳能实际消耗量达到太阳能转化率的50%，即本系统得到最大化的应用。热水的使用具有不均匀的特点，若在上述工况下，维持用水量为45 L/次，频次降低为2 d/次，用水日的太阳能使用量增加，但因用水日减少，实际太阳能利用率从48.46%降低至23.63%。热水消耗规律与系统水箱的容积设计之间的匹配性造成太阳能实际消耗量大幅波动。盲目增大水箱容积虽然可以保证用户热水供应充足，但大多数时间内导致热量使用率低，提高辅助热源消耗量。邓光蔚[13]等发现，集中式系统用户的日用水量相对平稳，有利于提高太阳能实际利用率。2.2冷水温度由于储热系统的储热能力无法随太阳辐射强度的波动而变化，在太阳能热量超过水箱的储热能力时，储热系统起到“削峰”的作用，多余的太阳能热量无法使用，造成实际得热量小于理论得热量。同样的情况还出现在辐照度过高的夏季和辐照度波动时。将每日太阳辐照量提高2 MJ/m2，则太阳能热月利用率从45.73%降低为38.52%，削峰效果更加明显。根据《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）[7]，冷水的计算温度应选取当地最冷月平均水温，在热水消耗量和温度相同的条件下，各季节的热量需求相同，而实际的自来水供水温度存在季节波动。通过对北京地区太阳能热水的研究表明，冷水温度与大气温度的变化趋势趋于一致[2]。当日用水量等于设计用水量40 L/d时，冷水温度分别为5、10、15、20 ℃，稳定辐照量和波动辐照量的得热情况如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.005.F002图2不同冷水温度下的太阳辐照得热量实际太阳能利用率分别为48.81%、43.08%、36.65%、30.21%，呈逐渐下降趋势。原因是冷水越高，热量需求越小，无法消耗太阳能提供的热量，导致系统容量存在较大冗余，与太阳能辐照量增大时，实际太阳能利用率降低规律相似。2.3水箱保温性能实际运行中，储热水箱、水循环管路向环境中散热消耗大量热量，因此引入系统的储热水箱保温性能分析——热损因数。保持相同的测试时间与测试条件，此时热损因数为：USL=ρcΔτlnti-tas(av)tf-tas(av) (7)式中：USL——贮热水箱的热损因数，W/(m3·K)；Δτ——降温时间，s；ti——开始时贮热水箱内水温，℃；tf——结束时贮热水箱内水温，℃；tas(av)——降温期间平均环境温度，℃。太阳能集热系统的贮热水箱热损因数USL不大于30 W/(m3·K)。邓学鹏[14]针对承压一体式太阳能热水系统的研究表明，环境温度在23~27 ℃时，水箱的平均热损因数为9 W/(m³·K)。孔德霞[15]等对整体式真空管太阳能热水器的D形水箱温度场进行模拟和试验验证，在环境平均温度为17 ℃时，若水箱起始温度为55 ℃，水箱的平均热损因数为9 W/(m³·K)，经过10 h保温后，水箱温度最低可以降至52.5 ℃，相当于0.47 MJ的能量散失到环境中。且随着水箱内水温的升高，同样保温条件下，水箱热损失随之增大。不同热损系数条件下水箱保温温度的变化情况，如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.005.F003图3不同热损系数条件下水箱保温温度的变化情况系统设计中应充分考虑热水的生产—消耗关系，尽量保证热水当天使用，减少隔夜储存。热损失对太阳能辐射得热的影响不仅受到环境温度、水箱参数等影响，还受到使用习惯的影响。一天中用水高峰时间为早上8：00、中午12：00和晚上9：00。若使用时间在晚上，则夜间的温度较低，热损失较少；若使用时间在次日早上，则加热热水需要经过夜间散热，温度降低，则可能需要启动辅助热源加热，造成能源利用效率降低[10]。2.4季节影响太阳能热水系统设计、使用中，能量利用的低效性主要原因是供需不平衡。夏季太阳辐照量增大，而需求量没有增加，造成大量能量无法得到利用。日均太阳能利用量和利用率，如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.005.F004图4实际太阳能利用量、辐射量和利用率随时间的变化3结语太阳能热水系统的运行情况和实际能够达到的节能效益不仅取决于所在地的太阳能辐射条件，更取决于用户的使用习惯。用户的使用情况波动越大，按照最不利工况设计的水箱体积越大，集热面积需增大，或运行中节能效益降低。若使用需求较分散，每日的热水需求较平均，则水箱的容量设计与使用需求匹配，可以最大化利用系统的节能效益。集中式太阳能热水系统由于面对的用户多，同时使用系数降低可以减小集热器面积和水箱容积，提高系统的节能效益。由于无法避免水箱的热损失，用户的使用习惯也直接影响辅助热源消耗量。最佳的使用习惯是减小加热过程与使用过程的时间间隔。运行中，夏季太阳辐照量最高，但夏季的热水日使用量和温度更低，造成热量供大于求，实际节能量小于理论值。冬季太阳辐照量低，每日热水使用量更高，温度更高，则热量供给不能满足需求。冬季的洗澡频率降低，导致太阳能加热量并未得到有效使用，而热损失的存在使得热量的积累效应有限，也进一步降低系统的节能效益。综合以上分析，太阳能热水系统的实际节能减排效益低于理论节能效益，实际节能减排效益取决于用户的使用习惯和系统的设计等因素。