太陽能在采暖上的應(yīng)用案例介紹

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司 ■ 王鈺

0 引言

綠色建筑是指在建筑全壽命期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)、保護(hù)環(huán)境、減少污染，與自然和諧共生的建筑。采暖是冬季建筑能耗的大戶，隨著節(jié)能減排意識的逐漸提高，許多項目越來越希望在采暖系統(tǒng)上更多地利用太陽能等綠色能源。但在相關(guān)綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了空調(diào)和采暖應(yīng)用可再生能源的下限為20%[1]，這個指標(biāo)是針對空調(diào)和采暖總量而言的，并非指空調(diào)或采暖中的任意一個，單獨在采暖上采用太陽能是很難達(dá)到下限的，也就限制了太陽能采暖的普及和應(yīng)用。那么采暖是否能夠引入太陽能、什么樣的建筑適合太陽能的利用呢？本文通過一個具體的案例分析來進(jìn)行解答。

1 工程簡介

安徽理工大學(xué)新校區(qū)位于淮南市山南新區(qū)南部，學(xué)校的規(guī)劃、建筑單體設(shè)計均由同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院完成。新校區(qū)的重點實驗室——深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控，位于北大門，總建筑面積為24668 m2，采暖面積為9000 m2；地上共設(shè)5層，建筑布局呈“回”字形，以庭院為核心劃分各個功能區(qū)；地下建筑面積為3210 m2，為機(jī)動車停車庫、設(shè)備用房及庫房；本項目以實現(xiàn)綠色建筑設(shè)計評價等級二星級為目標(biāo)。

2 設(shè)計計算參數(shù)

2.1 室外計算參數(shù)

以淮南市的室外狀況為參考標(biāo)準(zhǔn)，其中：

1)夏季時，大氣壓力為1001.2 hPa，空調(diào)計算干球溫度為35.0℃，空調(diào)計算濕球溫度為28.1℃，通風(fēng)計算干球溫度為31.4 ℃，風(fēng)速為2.9 m/s。

2)冬季時，大氣壓力為1022.3 hPa，空調(diào)計算干球溫度為-4.2℃，空調(diào)計算相對濕度為76%，通風(fēng)計算干球溫度為2.6 ℃，風(fēng)速為2.7 m/s。

3)最大凍土深度為8 cm；由于采暖需求不同，采暖期可分為2種：采暖期1為12月11日～次年2月12日，室外溫度≤+5 ℃，天數(shù)共64天，采暖期間的平均室外溫度為3.4 ℃；采暖期2為11月24日～次年3月6日，室外溫度≤+8 ℃，天數(shù)共103天，采暖期間的平均室外溫度為4.3 ℃。

2.2 冬季采暖室內(nèi)設(shè)計溫度

此處的室內(nèi)設(shè)計溫度是針對安徽理工大學(xué)新校區(qū)的重點實驗室設(shè)計的。其中，辦公室、分析室的室內(nèi)設(shè)計溫度為20 ℃，會議室為18 ℃，測試大廳為18 ℃。

3 方案比較

根據(jù)業(yè)主的要求，重點實驗室采用集中空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)包括夏季制冷和冬季制熱兩部分。方案有3種：方案1為螺桿冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)；方案2為風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組；方案3為VRF變頻一拖多風(fēng)冷熱泵空調(diào)機(jī)。

經(jīng)過研究及方案對比后，業(yè)主選定方案3的VRF變頻一拖多風(fēng)冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了運行靈活、開關(guān)方便外，最重要的是能滿足加班人員的需要，且不需要專門的維護(hù)人員，非常適合應(yīng)用于學(xué)校?；茨鲜须m然地處江南，但冬季有市政蒸汽及熱水供采暖使用，人們在冬季更傾向于使用采暖而非空調(diào)。為了減少學(xué)校平日維護(hù)、運行負(fù)擔(dān)，體現(xiàn)學(xué)校建設(shè)以科技為本、綠色舒適的校園環(huán)境的先進(jìn)理念，校方除要求設(shè)置采暖外，還提出要盡可能利用太陽能，以減少采暖季的運行能耗。

4 太陽能利用

利用太陽能獲取生活熱水已十分普遍，但如何在采暖系統(tǒng)中充分利用太陽能是本項目的一個難點，《太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計與安裝》[2]可提供一些參考，但作為具體工程，要做到系統(tǒng)簡單、易維護(hù)、可靠性高還是存在一定困難。由于太陽能受天氣影響較大，儲熱水箱所需容積較大，且存在儲熱量小等缺點，因此一般設(shè)計師在設(shè)計時很少采用太陽能作為空調(diào)或采暖熱水來源。

本項目中實驗室的屋面空間開闊，采光良好，可布置較多的太陽能集熱板。給排水專業(yè)準(zhǔn)備在屋頂設(shè)置太陽能集熱板、儲水箱等為本樓淋浴和為旁邊體育館提供生活熱水，除此之外，尚有約1000 m2空地可利用。重點實驗室采暖面積約9000 m2，采暖負(fù)荷為480 kW，可利用太陽能解決部分采暖負(fù)荷，還可與生活熱水同用儲熱水箱和管理人員，減少了一部分投資費用和運行維護(hù)費用。

經(jīng)過計算可知，1000 m2空地可設(shè)置規(guī)格為2 m×3 m的橫排聯(lián)集管式集熱板共80臺，總集熱面積為500 m2，可提供熱量約128 kW。為提高太陽能集熱板的換熱效率，設(shè)置板式熱交換器，通過太陽能熱媒水作為一次熱源，對采暖回水溫度進(jìn)行預(yù)熱處理，可使采暖回水溫度提高5 ℃，相當(dāng)于提高總溫升的1/4。其余熱量通過設(shè)置真空燃?xì)鉄崴仩t解決。

太陽能經(jīng)濟(jì)性判斷： 通過利用太陽能得到的日平均采暖總熱量約1683 MJ/d，折合成天然氣為52.3 Nm3，全年可節(jié)約1.78萬元。橫排聯(lián)集管式集熱板共80臺，估算平均安裝價格為3000元/臺(含輔材)，總投資約為24萬元，回收期為13.5年。

表1 淮南市太陽能采暖系統(tǒng)各參數(shù)

表2 某品牌橫排聯(lián)集管式太陽能集熱器主要技術(shù)參數(shù)

圖1 屋頂太陽能采暖系統(tǒng)布置效果圖

圖2 鍋爐房原理圖

5 采暖系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)業(yè)主要求，除模擬大廳、門廳、公共走道及地下建筑面積外，本建筑辦公房間增加散熱器采暖系統(tǒng)，采暖供水、回水溫度分別為75 ℃和55 ℃。熱水由地下一層熱水機(jī)房內(nèi)的燃?xì)庹婵諢崴仩t提供。

燃?xì)庹婵諢崴仩t房設(shè)有卸爆口和直通室外的疏散樓梯，煙道高出裙房屋頂；也設(shè)有平時通風(fēng)和事故通風(fēng)。

熱水機(jī)房內(nèi)設(shè)有500 kW燃?xì)庹婵諢崴仩t1臺，采暖熱水供水、回水溫度分別為75 ℃和55 ℃。機(jī)房內(nèi)設(shè)有板式熱交換器，由太陽能熱媒水對采暖回水進(jìn)行預(yù)加熱，其他還包括熱水循環(huán)泵、定壓裝置、軟水裝置、電子水處理儀等。

板式熱交換器太陽能側(cè)熱媒水的進(jìn)、出水溫度分別為78 ℃和68 ℃，水量為3.05 L/s；采暖二次側(cè)的進(jìn)、出水溫度分別為55 ℃和60 ℃，水量為6.1 L/s。

采暖管道分南北2個回路，采用單管跨越同程系統(tǒng)，供水主干管設(shè)在5層梁下，回水主干管設(shè)在1層梁下；部分房間采用雙管異程系統(tǒng)，各主要環(huán)路回水總管上設(shè)靜態(tài)平衡閥。系統(tǒng)的工作壓力為0.5 MPa。

散熱器是采用鑄鐵涂塑型散熱器，串聯(lián)連接，采用同側(cè)或異側(cè)上供下回方式，散熱器的工作壓力為0.6 MPa。散熱器支立管上下均設(shè)有關(guān)斷閘閥，在散熱器前設(shè)有二通或三通溫控閥調(diào)節(jié)閥。

圖3 鍋爐房平面布置圖

6 太陽能采暖計算

6.1 采暖得熱量計算

淮南市位于 116°98′ E、32°62′ N，太陽能相關(guān)數(shù)據(jù)參照合肥市 (117°14′ E、31°52′ N)數(shù)據(jù)。根據(jù)《太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》[3]中的設(shè)計用氣象參數(shù)，月均日太陽總輻照量如表3所示。

根據(jù)表3的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，取最冷月1月的傾斜面月平均日總輻照量11.131 MJ/m2，則可計算出太陽能系統(tǒng)得熱量和系統(tǒng)提供的采暖熱負(fù)荷，計算結(jié)果如表4所示。

6.2 太陽能保證率分析

根據(jù)單位面積采暖總熱量和太陽能平均日輻射總量，可計算出太陽能保證率。設(shè)定辦公建筑采暖負(fù)荷為50 W/m2，工作時間為8 h，各層面積相同，夜間停止供暖室內(nèi)不會凍結(jié)。表5為辦公建筑和住宅的計算對比結(jié)果。

太陽能保證率f可表示為：

式中，A為單位面積日采暖總負(fù)荷，MJ；B為太陽能轉(zhuǎn)換為采暖的熱量，MJ/d；n為樓層 。

隨著樓層的增加，A在成倍增大，但B受鋪裝面積的限制保持不變。當(dāng)建筑為多樓層時，不同樓層的太陽能保證率如表6所示。

表3 合肥市太陽輻照量情況

表4 太陽能提供的采暖熱負(fù)荷情況

表5 辦公建筑和住宅的采暖情況

表6 多樓層、不同太陽能與采暖面積比時的太陽能保證率情況

由表6可知：

1)表6中的結(jié)果屬于上限值，因為太陽能集熱板瞬時吸收的熱量不能全部存儲而被采暖系統(tǒng)利用。

2)無值班采暖地區(qū)主要為太陽能資源Ⅲ類地區(qū)的黃河、淮河流域，按照太陽能保證率不低于20%的標(biāo)準(zhǔn)考慮，10層以內(nèi)的辦公建筑白天利用太陽能采暖是可行的。

3)Ⅰ類、Ⅱ類地區(qū)盡管太陽能資源豐富，但大部分地處寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)，需要考慮夜間值班采暖，表6中的數(shù)值明顯變小，因此，只推薦5層以內(nèi)的辦公建筑利用太陽能采暖，且值班采暖需使用輔助熱源。

4)單層別墅采暖可做到依賴于太陽能而不需要輔助熱源。

6.3 住宅利用太陽能采暖的分析

住宅采暖的運行時間是24 h，而月平均日照小時數(shù)北方為5～7 h，南方為2～4 h ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于連續(xù)運行時間，因此，需要儲熱水箱非常大，對于多層建筑可供鋪設(shè)太陽能板的面積非常有限，僅能保證生活熱水儲水。

表7 多層住宅和別墅采暖儲水量計算表

在屋頂?shù)臒崴鋬?nèi)外溫差大，保溫困難，而85%的采暖負(fù)荷還需要市政熱水提供，因此在市政熱水和太陽能熱水之間轉(zhuǎn)換也變得復(fù)雜。由此，項目變得非常不經(jīng)濟(jì)，小區(qū)物業(yè)較難勝任，所以不建議普通住宅利用太陽能采暖，只適宜按儲存生活熱水考慮。

而別墅雖然可以利用庭院增加太陽能板的面積，但會使環(huán)境變得很不美觀，不易被人接受，所以只適合極特殊情況下采用。

圖4 太陽能側(cè)熱水原理圖

7 自動控制

本工程設(shè)置了樓宇自控系統(tǒng)，對空調(diào)系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。對鍋爐采用自動監(jiān)測流量、溫度等參數(shù)計算出熱量，自動發(fā)出信號，人工手動操作主機(jī)的起停。采暖供、回水總管上設(shè)置壓差旁通裝置，用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)末端變水量引起的壓差波動。太陽能熱媒水出水溫度不足55 ℃時，關(guān)閉換熱器三通閥門，旁通采暖熱水。散熱器設(shè)有動溫控閥。

采暖熱水換熱循環(huán)方式為：當(dāng)系統(tǒng)檢測到緩沖集熱水箱溫度T1＞70 ℃時，自動開啟采暖換熱循環(huán)泵P1；當(dāng)T1與采暖熱媒循環(huán)回水端溫度T5之差T1-T5＜ 3 ℃時，關(guān)閉采暖換熱循環(huán)泵。如此反復(fù)，將熱量傳遞給采暖系統(tǒng)。

8 節(jié)能

采用太陽能熱媒水初步提升采暖熱水回水溫度，燃?xì)庹婵諢崴仩t補充加熱的采暖方式，鍋爐熱效率不低于90%。集中熱水采暖的熱水循環(huán)水泵耗電輸熱比為0.0047，符合《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第5.2.8條計算限值的要求[4]。散熱器全部明裝，減少氣流流通阻力，達(dá)到比較好的散熱效果；散熱器表面應(yīng)刷非金屬涂料，可以增強散熱性能及防腐。水系統(tǒng)采用電子水處理等措施，保持水質(zhì)穩(wěn)定，減少污垢對換熱系數(shù)的影響。

9 小結(jié)

1)從安徽理工大學(xué)新校區(qū)的重點實驗室的太陽能采暖設(shè)計入手，通過可行性分析得出本項目中太陽能采暖的回收期為13.5年，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。

2)在確定太陽能保證率的前提下，分析了辦公和住宅建筑理論上采用太陽能采暖的適用范圍和不利因素，指出采暖系統(tǒng)8 h運行和24 h運行對分析結(jié)果有明顯的影響。

3)計算了100 m2的住宅和200 m2的別墅的采暖儲水箱的容量，增加了設(shè)計師在采暖方案階段的工程經(jīng)驗和理論依據(jù)。

4)筆者呼吁制定綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)部門，能夠放寬建筑采用太陽能采暖的最低限額，使空調(diào)和采暖可以單獨評分，這樣在有采暖需求的廣大農(nóng)村會有更廣闊的前景，不僅能使太陽能采暖有更廣泛的普及和發(fā)展，同時減少了冬季煙塵和霧霾的產(chǎn)生，有助于改善大氣環(huán)境。

[1]GB 50378-2014,綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]中國建筑科學(xué)研究院.太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計與安裝[M]. 北京: 中國計劃出版社, 2006.

[3]中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝[M]. 北京: 中國計劃出版社, 2006.

[4]GB 50189-2015,公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].