太陽能熱水系統(tǒng)在中高層綠色建筑中的應用

范偉鋒，余國保（.珠海興業(yè)新能源科技有限公司，廣東 珠海 400；.珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司，廣東 珠海 400）

1 項目概況

1.1 項目背景

自 2008 年我國開展“綠色建筑評價標識”工作以來，我國綠色建筑得到了較為快速的發(fā)展。太陽能熱水系統(tǒng)作為市場上推廣時間最早、技術(shù)成熟度最高的綠色建筑節(jié)能技術(shù)，受到使用者的青睞。該項技術(shù)能夠節(jié)約電能、減少資源消耗，節(jié)約用戶開支，同時兼顧環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，各種形式的熱水系統(tǒng)能夠有很好的地域適應性，是建設綠色建筑和生態(tài)城市的重要手段。但太陽能熱水在建筑上的應用也存在一些弊端，譬如：① 集熱器及設備的安裝和建筑物整體規(guī)劃布局之間的矛盾；② 高層建筑中的光熱利用問題，尤其是集熱器安裝的安全問題，包括結(jié)構(gòu)安全核算和破碎物跌落問題；③ 包括太陽能熱水施工在內(nèi)的綠色施工有序組織問題。

特別是對于中高層建筑，在熱水需求量較大、安裝空間不足的前提下，如何破解上述矛盾，需要對太陽能熱水工程的設計進行因地制宜的整體策劃。本項目中安全、有效而且美觀地采用了屋頂、立面和陽臺等多種形式的太陽能熱水系統(tǒng)，最大程度地利用了太陽能熱水資源?？蔀橹懈邔泳G色建筑中太陽能熱水的利用提供有益的經(jīng)驗參考。

1.2 項目簡介

珠海保障性住房太陽能光熱項目位于珠海市，年平均氣溫 22.3 ℃，最低氣溫 2.5 ℃。緯度傾角平面上年平均太陽輻射量為 4 651.56 MJ/m2，年均日照時數(shù)為 1 991.8 h，是廣東省南亞熱帶地區(qū)熱量最豐富的地區(qū)之一。屬于日照時數(shù) ＞1 400 h/a，且年太陽輻射量 ＞4 200 MJ/m2及年極端最低氣溫 ≥-4.5 ℃ 的地區(qū)，故項目優(yōu)先采用太陽能作為熱水供應熱源。項目共 3 棟樓，其中 2 棟 28 層；1 棟 27 層，每層 10 戶，均為高層住宅建筑；每層單人房 2 間，一房一廳 4 間，兩房一廳 3 間，三房一廳 1 間；根據(jù)甲方的實際需求以及 GB 50015—2003《建筑給水排水設計規(guī)范》、GB 50555—2010《民用建筑節(jié)水設計標準》規(guī)范要求。經(jīng)計算，主要用水量和配置如表 1 所示。

表1 用水量和集熱器面積

珠海保障房同樣為高層住宅建筑，借鑒以往成功的經(jīng)驗，采用集中-分散供熱系統(tǒng)的應用形式。

運行原理：設計為全天候熱水供應系統(tǒng)，晴天，冷水進入集熱器，吸收了熱量，集熱器內(nèi)的冷水逐漸升溫，經(jīng)過熱媒供水管，流至分戶承壓水箱的換熱盤管，換熱盤管吸收熱媒中的熱量后，將水箱內(nèi)的水加熱；同時，熱媒管內(nèi)的熱水通過熱水循環(huán)泵抽回至太陽能集熱器內(nèi)加熱，如此不斷循環(huán)，最終使分戶承壓水箱內(nèi)的水溫達到 40～50℃。分戶承壓水箱內(nèi)儲存該住戶一天的熱水用水量。

陰雨天時，太陽能無法加熱或者只能將分戶承壓水箱內(nèi)的水升溫 2～3 K，因此，需要考慮輔助加熱裝置。本工程分戶承壓小水箱自帶電加熱系統(tǒng)，太陽能為主，電加熱為輔。太陽能采用溫差自動控制，電加熱定時定溫啟動?？捎行ПＷC用戶每日的生活熱水需求。

本系統(tǒng)集熱器設置在屋面花架或鋼架上，南立面掛墻或掛陽臺，水箱則設置在陽臺，水箱具備缺水保護、超溫保護和接地保護功能。水箱通過換熱盤管二次進行換熱。天氣晴好時，太陽能循環(huán)泵啟動，冷水在集熱器中受太陽能輻射使溫度升高。當集熱器熱水溫度高于保溫水箱內(nèi)的水溫且達到設定溫差（5～10 K）時，循環(huán)水泵在溫差控制器的作用下自動啟動，將熱水經(jīng)上循環(huán)管送到各戶全承壓戶用太陽能換熱水箱的盤管中，與各戶儲熱水箱里的冷水換熱，工質(zhì)變冷再由下循環(huán)管進入集熱器陣，繼續(xù)受太陽能輻射加熱。如此循環(huán)使各戶承壓換熱水箱中的水溫不斷升高。

2 方案設計和技術(shù)難點

2.1 方案設計要點

(1) 集熱器安裝設計。建筑為高層建筑，高達 27～28 層，屋面面積無法滿足實際需要的集熱面積，需要集熱器掛立面以補充屋面面積不足，所以集熱器安裝位置分為 3 大塊：① 屋面架空安裝集熱器；② 南立面、西立面掛墻集熱器；③ 南立面陽臺壁掛集熱器。

(2) 節(jié)水設計。方案采用集中集熱分戶儲熱系統(tǒng)，是通過太陽能集熱器對戶內(nèi)小水箱二次加熱，用水不與循環(huán)水接觸。用水質(zhì)量高，用水不易受到污染，避免了水的浪費。系統(tǒng)供水采用分區(qū)供水，保證入戶端供水壓力 ≤0.2 MPa，且不低于用水設備最低工作壓力，避免超壓供水造成水的浪費；承壓供水，冷熱水端兩側(cè)壓力一致，避免了忽冷忽熱而造成水資源浪費，節(jié)約用水。

(3) 改善室內(nèi)外環(huán)境。鋼架架空層集熱器安裝方式和掛立面“幕墻”式集熱器安裝方式，不僅解決了集熱器安裝面積不足的問題，而且還解決了兩大難題：一為屋面騰出了寶貴的空間，可以設計成活動空間、種植屋面等，增加舒適度；二有利于增強建筑物的隔熱效果，改善室內(nèi)環(huán)境。

2.2 方案設計解決的難點

(1) 在本項目中，前期在建筑中就規(guī)劃了太陽能光熱利用，所以在設計上考慮了結(jié)構(gòu)安全，提前預留了集熱器的安裝位置，解決了現(xiàn)有絕大部分建筑太陽能設計安裝滯后，集熱器安裝和建筑整體布局規(guī)劃之間的矛盾，實現(xiàn)了光熱與建筑一體化，安裝美觀、結(jié)構(gòu)安全。

(2) 陽臺壁掛設計安裝在凹槽內(nèi)，立面集熱器采用內(nèi)嵌式安裝，屋面集熱器采用架空鋼架安裝，并設計安裝護欄和檢修通道，太陽能循環(huán)管道均安裝于集熱器背部，最大可能避免物件跌落造成的安全事故。

珠海位于海邊，主要受到臺風的影響，荷載的計算是項目的關(guān)鍵。以屋面集熱器架空安裝為例，設計荷載取值如下：① 恒荷載：支架計算時取 0.2 kN/m2，檁條計算時取 0.2 kN/m2；② 雪荷載：0 kN/m2；③ 基本風壓：0.68 kN/m2（珠海市 25 a 一遇風壓）；④ 地面粗糙度為 B 類，高度變化系數(shù)為 2.0；⑤ 本工程抗震設防烈度為 7 度，基本地震加速度值為 0.1 g，設計地震分組為第一組；屋面支架為鋼支架 ＋ 槽鋼檁條光熱支撐系統(tǒng)。

通過恒荷載和風荷載的組合用 SAP 2000 進行擾度分析和應力分析，均滿足要求，見圖 1、圖 2。

圖1 擾度校核（結(jié)構(gòu)變形圖）

圖2 應力校核（應力比信息圖）

集熱器玻璃、邊框和支架都經(jīng)過嚴格的結(jié)構(gòu)計算，集熱器壓碼采用長短雙卡碼件固定，加上內(nèi)嵌式、凹槽等特殊的安裝方式，保證安全。

(3) 在項目的具體實施過程中，成立施工項目部，制定施工組織計劃。作為總包方綠色建筑項目施工管理體系的一部分，在實際施工中和建筑方緊密配合，滿足綠色施工的要求。集熱器支架、鋼結(jié)構(gòu)采用工廠預制，在現(xiàn)場盡量采用螺栓連接，減少焊接，避免在施工中產(chǎn)生噪聲、揚塵和光污染。合理安排集熱器安裝的順序，采用自上而下安裝，避免在安裝過程中物件的跌落，砸壞下方已經(jīng)安裝好的集熱器。

2.3 項目節(jié)能減排的貢獻

項目集熱面積共 2 010 m2。珠海太陽集熱器采光表面上的年太陽輻照量 JT為 4 651.56 MJ/m2；珠海興業(yè)新能源公司集熱器的全日集熱效率 ηcd取 60%，管路和水箱的熱損失率 ηc取 20%，F(xiàn)hx取 80%

如果按原設計屋面考慮遮擋，3 棟只能擺放 768 m2集熱器，通過架空安裝、掛立面和陽臺壁掛增加 1 242m2集熱器，總產(chǎn)熱水量由 46 t 增加到 122 t 左右。

2.4 方案設計的局限性及展望

本項目對中高層綠色建筑中太陽能熱水的利用提供了有益的經(jīng)驗參考。項目通過架空、掛立面、陽臺壁掛等方式解決了集熱器面積嚴重不足的問題，達到了充分利用可再生能源的目的。通過一系列的技術(shù)措施，實現(xiàn)了節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保的要求。在中高層綠色建筑中太陽能利用要達到良好的效果，需要滿足兩個前提：第一需要在建筑設計中同步設計太陽能，從結(jié)構(gòu)安全、安裝位置的預留充分考慮；第二要綜合投資成本、質(zhì)量安全、綠色施工保證和使用效果，選擇合適的太陽能應用類型。

現(xiàn)有傳統(tǒng)的太陽能熱水系統(tǒng)在單體建筑中設計方案都是“從一而終”，但是太陽能熱水系統(tǒng)應用形式各有優(yōu)缺點。本項目集中集熱分戶儲熱系統(tǒng)選用，取決于自身的特點，高層住宅建筑的集熱器安裝面積嚴重不足，才選擇了此方案。實際設計過程中應該根據(jù)建筑的類型選擇合適的系統(tǒng)。單體建筑中，可以單一選擇一種太陽能利用形式，可以是其中 2 種甚至 3 種形式的組合。比如單體建筑中，不考慮保證安裝的統(tǒng)一性、美觀性和投資成本等其他因素的影響，在較高樓層，從頂層往下 10 層采用集中集熱分戶系統(tǒng)，南立面采用分戶集熱分戶儲熱-陽臺壁掛系統(tǒng)；低層非南立面采用家用熱泵系統(tǒng)或者常規(guī)能源系統(tǒng)。單體建筑太陽能熱水系統(tǒng)設計應細化，利用形式可以多樣化。

由上可知不論采用怎樣的光熱利用形式，是單一還是組合，都是為了充分利用而非“強制”利用太陽能，最終目的就是滿足使用需求，同時滿足節(jié)能環(huán)保建筑，可持續(xù)發(fā)展的要求。

開發(fā)新的光熱利用形式，實現(xiàn)光熱與建筑一體化；發(fā)揮工匠精神優(yōu)化設計，滿足綠色建筑“四節(jié)一環(huán)?！币螅柲芄鉄崂貌拍芙】?、可持續(xù)地發(fā)展。

3 綠色建筑上可選用的光熱新形式

太陽能光熱工程從產(chǎn)生開始，經(jīng)過長期的發(fā)展，孕育了幾種比較成熟的光熱利用的形式：① 混凝土平（斜）屋面式；② 金屬屋面；③ 陽臺壁掛式；④ 別墅分體式。隨著人民生活水平的日益提高，對光熱設計的要求也會相應提高，既要滿足光熱建筑一體化要求，在綠色建筑上還要滿足“四節(jié)一環(huán)保”的要求。

下面是幾種光熱在建筑中利用的幾種新形式的實際案例，運行情況良好：① 掛立面“幕墻”式 ；② 陽臺欄桿式；③ 架空式。

4 結(jié) 語

珠海保障房太陽能熱水系統(tǒng)與建筑設計同步進行，通過一系列的技術(shù)措施解決了太陽能熱水系統(tǒng)在中高層綠色建筑中的一些難點。在充分考慮工程設計安全性的前提下盡可能架空和立面安裝增加集熱面積，為中高層綠色建筑中太陽能熱水的利用提供寶貴的經(jīng)驗。闡明了太陽能光熱在中高層綠色建筑中應用的可行性、多樣化和可推廣性。太陽能光熱在綠色建筑中的應用，需要在不斷地工程實踐中總結(jié)經(jīng)驗，揚長避短，敢于創(chuàng)新，充分合理地利用太陽能。