太陽能混凝土樁儲熱技術在Revit軟件中的應用研究*

趙嵩穎 付 言

(吉林建筑工程學院市政與環(huán)境工程學院，長春 130118)

1 太陽能混凝土樁儲熱技術現(xiàn)狀

太陽能混凝土樁儲熱技術是以太陽能和混凝土樁作為復合熱源的熱泵系統(tǒng)，在混凝土樁內(nèi)部埋設換熱管，利用太陽能集熱板把熱量通過混凝土樁中的換熱管儲存在土壤中.混凝土儲熱樁的直徑遠大于土壤源熱泵換熱井的直徑，混凝土的導熱系數(shù)高于土壤的導熱系數(shù)，這使混凝土樁的換熱性能優(yōu)于土壤源熱泵技術.利用混凝土樁儲熱，可省去常規(guī)的土壤源換熱管打井及灌漿回填工序，從根本上避免因打井造成的施工費用，實現(xiàn)建筑物冬季零能供暖[1]和夏季零能制冷，是節(jié)約化石能源減少溫室氣體排放，高效開發(fā)與利用地下熱能的一種新方法.

2 Autodesk Revit Architecture軟件應用現(xiàn)狀

建筑信息模型(BIM)是近兩年來出現(xiàn)在建筑界中的一個新名詞，具有三維立體可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性(節(jié)能模擬、日照模擬、熱傳導模擬)等多方面特點，是引領建筑業(yè)信息技術走向更高層次的一種新技術，它的全面應用會大幅度提高建筑工程的信息化集成化程度.在設計和施工中應用BIM技術，可提高整個工程的質(zhì)量和效率，降低建筑成本，實現(xiàn)技術改革并獲得巨大經(jīng)濟效益.我國世博上汽通用企業(yè)館、世博上海案例館、天津郵輪母港及上海中心大廈等項目，均是利用Autodesk Revit系列軟件完成的.

3 太陽能混凝土樁儲熱Revit模型的建立

本研究以長春市某別墅建筑為實例，對其進行revit architecture太陽能混凝土樁儲熱系統(tǒng)建模，確定該別墅供暖設計熱負荷，計算出太陽能集熱器系統(tǒng)所需太陽能板數(shù)量及所需埋管樁基數(shù)量.

3.1 太陽能集熱器系統(tǒng)的Revit模型

太陽能集熱器面積按照別墅冬季采暖熱負荷的要求來確定.長春地區(qū)供暖期為174 d，采用間歇供熱方式，每天供暖時間為10 h，冬季住宅樓供暖負荷按40 W/m2設計，別墅建筑面積為1128.81 m2，建筑物每小時需總供熱功率為40×1128.81=45.15 kW，則一個冬季該別墅供暖需熱量為78×103kW·h.太陽能集熱器面積[2]:

式中，Q為建筑物每小時所需的采暖設計熱負荷(W);Q0為熱管式真空管集熱器每平方米理論集熱量(W)，取650 W;η為熱管式真空管集熱器的瞬時效率，取η=0.80，可計算出該別墅系統(tǒng)應采用的太陽能集熱器面積為86.83 m2.

太陽能電池板選取單晶硅峰值功率160 W，電壓34.4 V，電流4.65 A，開路電壓43.2 V，短路電流5 A.太陽能電池板規(guī)格為1580×808×35(mm)，該別墅項目所需太陽能電池板為69塊，太陽能電池板敷設Revit模型圖如圖1所示.

圖1 太陽能電池板敷設的Revit模型

將長春地區(qū)日照時間輸入Revit軟件自動化系統(tǒng)中，設置太陽能板轉(zhuǎn)動速率，太陽能集熱板可根據(jù)日照時間隨太陽轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)，從而最大限度地獲取太陽能(如圖2所示).

圖2 太陽能集熱器系統(tǒng)的日照Revit模型

3.2 混凝土樁的Revit模型

系統(tǒng)模型為樁基埋管換熱系統(tǒng)，承臺底標高為－4.7 m，樁基埋管換熱樁長為13 m，樁內(nèi)換熱管采用并聯(lián)雙U型(如圖3所示).換熱管連接至集分水器，在集分水管末端設置循環(huán)泵，與室內(nèi)熱泵機組的換熱器形成一個閉式循環(huán)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)中的循環(huán)水與地下的巖土體進行換熱，將能量在空調(diào)室內(nèi)和地下的巖土體之間進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)建筑物夏季制冷，冬季供暖的目的.

工作原理如圖4所示，夏季通過太陽能集熱器將循環(huán)介質(zhì)加熱，由循環(huán)熱泵將循環(huán)介質(zhì)注入地下儲熱樁中，通過地下儲熱樁與土壤間熱交換，將熱量存儲在土壤中;冬季可通過熱泵和混凝土儲熱樁熱交換器，將地下土壤內(nèi)熱量提取出來供房間取暖.本系統(tǒng)中，在冬季太陽能可直接用于建筑的日間采暖和生活熱水或地下蓄熱，夜間用熱泵取熱采暖，可實現(xiàn)建筑物供暖所需熱量全部由太陽能和地熱能供給，即零能供暖.

根據(jù)參考文獻[3]，10000 m2的建筑需要160口100 m深的換熱井，即可滿足全年的儲熱要求.本項目建筑面積為1128.81 m2，所需100 m深的換熱井18口.由于換熱樁采取并聯(lián)雙U型埋管方式，并聯(lián)雙U的換熱量為單U型換熱管的1.55倍，所以，本項目中共需要埋管儲熱樁樁長共計1161.29 m.該別墅項目樁長為13 m，故要滿足全年的儲熱要求，需要埋管儲熱樁89根，根據(jù)建筑施工圖紙，本項目共計112根樁，所以遠遠滿足該項目的儲熱要求，太陽能混凝土儲熱樁系統(tǒng)的Revit模型(如圖5所示).

圖3 并聯(lián)雙U型樁基埋管Revit模型

圖4 太陽能－混凝土儲熱樁供暖(冷)系

圖5 太陽能混凝土樁基系統(tǒng)整體的Revit模型

4 結(jié)語

太陽能混凝土樁儲熱技術是高效利用太陽能和地熱能的一種新技術，可以節(jié)約化石能源并減少CO2等溫室氣體的排放.利用Revit模型將太陽能混凝土樁儲熱系統(tǒng)融入到建筑施工中，使項目整個流程中使用一致的信息來設計和繪制創(chuàng)新項目，并且還可實現(xiàn)建筑外觀及樁內(nèi)部埋管的可視化來支持更好的溝通;并通過模擬日照和熱傳導獲得太陽能混凝土樁系統(tǒng)的真實性能，以便項目各方了解成本、工期及環(huán)境的影響.

太陽能混凝土樁儲熱技術在Revit軟件中的應用具有以下幾個優(yōu)勢:圖紙上一處修改，系統(tǒng)中處處更新，便于進行施工變更;可得到建筑模型中任意平面、立面及剖斷面模型，便于查看復雜位置具體情況;參數(shù)化、三維化模型，直觀傳遞設計信息;工程師可以在項目中央共享文件進行協(xié)同設計施工，使整個項目都在一個直觀環(huán)境中完成，幫助各個施工段的人員更好地進行溝通協(xié)作.建筑信息模型正在被愈來愈多的專家應用在各式各樣的復雜新建筑上，是建筑行業(yè)的大勢所趨.

[1]王海亮，趙大軍，孫友宏.東北地區(qū)太陽能與淺層地熱能聯(lián)合供暖分析[J].應用能源技，2008，18(3):89－93.

[2]趙 達，張欣艷，王 暢，劉 逸.太陽能－土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)研究[J].八一農(nóng)墾大學學報，2006，18(3):89－93.

[3]趙嵩穎，陳 晨，白 莉.混凝土樁儲熱技術研究及經(jīng)濟性分析[J].吉林建筑工程學院學報，2012，29(3):48－50.