太陽能與燃氣壁掛爐聯(lián)合供熱在工業(yè)化住宅中的應用

文/中國建筑設計研究院有限公司 高麗穎 全 巍 阮振宇 鄢宇博

0 引言

隨著國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展和人民生活水平不斷提高，人們越來越期待舒適、節(jié)能且方便的高品質(zhì)生活。對于未實施集中市政熱源的住宅小區(qū)、別墅區(qū)，燃氣壁掛爐供暖系統(tǒng)已成為不可替代的熱源形式。而太陽能作為清潔、高效且低碳的可再生能源，在住宅建筑中已得到廣泛應用。將二者結(jié)合，既可解決太陽能作為熱源的不穩(wěn)定問題，又可減少燃氣用量，充分發(fā)揮二者在住宅項目中不可或缺的優(yōu)勢。本文以北京市密云區(qū)某工業(yè)化住宅項目為例，介紹太陽能結(jié)合燃氣壁掛爐作為熱源系統(tǒng)的應用。

1 設計輸入條件

某工業(yè)化住宅項目位于北京市密云區(qū)，屬于首都生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，區(qū)域太陽能資源優(yōu)越，項目用地為住宅用地，總建筑面積288059m2，共計64棟樓，建筑主體均采用裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，其中以3層合院為主力產(chǎn)品，合院套型建筑面積為200～300m2。

本項目所處地理位置無市政熱力管網(wǎng)，定位為業(yè)主的第二居所，工作日入住率偏低，周末入住率高。無人入住時，室內(nèi)溫度滿足不低于5℃的防凍溫度即可。

通過以上設計輸入條件，項目地處寒冷A區(qū)，冬季有供熱需求，較適合的熱源系統(tǒng)方案有以下2種：燃氣壁掛爐分散供熱和自建鍋爐房集中供熱。2種系統(tǒng)形式對比如表1所示。

表1 燃氣壁掛爐與集中熱水鍋爐系統(tǒng)形式對比

針對住宅用生活熱水，太陽能作為清潔、高效且低碳的可再生能源，在住宅建筑的生活熱水方面已得到廣泛應用。

2 供熱及生活熱水系統(tǒng)方案設計

根據(jù)該項目特點，燃氣壁掛爐作為分散熱源，具有靈活控制、獨立計量的優(yōu)勢，同時可節(jié)省設備用房及集中管線，結(jié)合高效低碳的太陽能清潔能源作為住宅用采暖熱源及生活熱水熱源，既可滿足業(yè)主全年全天候穩(wěn)定的供熱及熱水需求，又可實現(xiàn)系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

太陽能結(jié)合燃氣壁掛爐作為熱源的供熱及熱水系統(tǒng)主要由三大部件組成，即燃氣壁掛爐、太陽能集熱器、雙盤管換熱水箱，其運行環(huán)路主要分為太陽能熱媒集熱循環(huán)、采暖熱水循環(huán)及生活熱水循環(huán)。太陽能結(jié)合燃氣壁掛爐聯(lián)合供熱系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 壁掛爐+太陽能+雙盤管水箱系統(tǒng)原理

燃氣壁掛爐系統(tǒng)與太陽能熱媒系統(tǒng)既獨立又互補，通過雙盤管換熱水箱中的溫度傳感器傳遞信號，實現(xiàn)太陽能熱水系統(tǒng)與燃氣壁掛爐系統(tǒng)自動切換運行。本系統(tǒng)以太陽能供熱為優(yōu)先，因太陽能作為熱源具有不穩(wěn)定性，當雙盤管換熱水箱溫度不滿足設定溫度時，再通過開啟燃氣壁掛爐進行輔助加熱。

2.1 采暖系統(tǒng)控制

太陽能結(jié)合燃氣壁掛爐作為熱源供熱系統(tǒng)在進行建筑采暖時，在房間內(nèi)設置溫度傳感器，用于測量房間實際室溫Tr，當房間室內(nèi)溫度Tr＜18℃時，啟動采暖循環(huán)泵；當Tr＞20℃時，關閉采暖循環(huán)泵。針對此熱源所設計的采暖系統(tǒng)共有以下3種運行模式。

1）太陽能作為熱源獨立供熱 當雙盤管換熱水箱頂部溫度大于水箱采暖回水溫度且水箱采暖供水溫度大于采暖給水設計溫度時（Tw＞T2且T1＞Tg），則無需輔助熱源即可滿足房間供熱需求，此工況為太陽能獨立負擔房間采暖負荷。

2）太陽能與燃氣壁掛爐聯(lián)合供熱 當雙盤管換熱水箱頂部溫度大于水箱采暖回水溫度且水箱采暖供水溫度小于采暖給水設計溫度時（Tw＞T2且T1＜Tg），則需聯(lián)動電磁閥1，將水箱采暖供水送入燃氣壁掛爐，由燃氣壁掛爐加熱至水溫滿足采暖給水設計溫度后，經(jīng)燃氣壁掛爐采暖供水管送入房間，此工況為燃氣壁掛爐和太陽能聯(lián)合負擔房間采暖負荷。

3）燃氣壁掛爐獨立供熱 當太陽能系統(tǒng)不啟用且換熱水箱內(nèi)水排空時，則考慮采用燃氣壁掛爐獨立供熱，由燃氣壁掛爐加熱至水溫滿足采暖給水設計溫度后，經(jīng)燃氣壁掛爐采暖供水管送入房間，此工況為燃氣壁掛爐獨立負擔房間采暖負荷。

2.2 生活熱水系統(tǒng)控制

太陽能與燃氣壁掛爐聯(lián)合為生活熱水系統(tǒng)加熱時，可分為3種運行工況：①當雙盤管換熱水箱頂部溫度Tw≥45℃時，太陽能雙盤管換熱水箱能夠滿足生活熱水需求，由太陽能獨立負擔生活熱水負荷；②當雙盤管換熱水箱頂部溫度Tw＜45℃時，則需聯(lián)動電磁閥3和電磁閥4動作，將水箱出水送入燃氣壁掛爐中進行二次加熱，此工況為燃氣壁掛爐和太陽能聯(lián)合負擔生活熱水負荷；③當太陽能系統(tǒng)不啟用且換熱水箱內(nèi)水泄空時，由自來水補水直接送入燃氣壁掛爐加熱，以滿足生活熱水需求，此工況為燃氣壁掛爐獨立負擔生活熱水負荷。

2.3 太陽能熱媒系統(tǒng)控制

太陽能熱媒系統(tǒng)循環(huán)采用溫差控制法，控制系統(tǒng)可實現(xiàn)自動控制及手動控制，可按需選擇控制方式。在太陽能集熱板熱媒出口設置1個溫度傳感器，溫度設定為T0，用于測量集熱板出口循環(huán)工質(zhì)溫度；在換熱水箱底部設置1個溫度傳感器，溫度設定為Td，用于測量水箱底部水溫。太陽能集熱板中熱媒受太陽能輻射加熱后溫度升高，當集熱板熱媒出口溫度與水箱底部水溫的溫差到達10℃時，即T0-Td=10℃，則開啟太陽能熱媒循環(huán)泵，太陽能通過熱媒循環(huán)為換熱水箱提供熱量，水箱內(nèi)的水通過熱媒盤管進行加熱。當太陽光照強度小于300W/m2時，太陽能集熱板中熱媒溫度下降，當集熱板熱媒出口溫度與水箱底部水溫的溫差達3℃時，即T0-Td=3℃，太陽能熱媒循環(huán)泵關閉，太陽能蓄熱系統(tǒng)停止運行。

3 聯(lián)合供熱在工業(yè)化住宅中的應用

該項目為采用裝配式結(jié)構(gòu)體系的工業(yè)化住宅。工業(yè)化住宅是不同于傳統(tǒng)住宅采用新型建造方式的建筑。傳統(tǒng)住宅通常以現(xiàn)場支模、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工序完成，以現(xiàn)場濕作業(yè)為主。而工業(yè)化住宅是以工廠批量加工的預制構(gòu)件為主，工廠大規(guī)模生產(chǎn)后運輸?shù)浆F(xiàn)場進行組裝、連接。本項目結(jié)構(gòu)裝配率高達52%，逾50%的墻體、樓板均為工廠預制。

工業(yè)化住宅機電關鍵技術(shù)主要是做好預制結(jié)構(gòu)體內(nèi)管線的預留預埋。設計人員需在設計階段精確定位設備管線，并與土建構(gòu)件一起生成BIM模型提供給預制構(gòu)件廠，預制人員按照圖紙，根據(jù)統(tǒng)一標準對各預制板、墻中的線、盒、箱、套管、洞口等進行精確預留預埋。

本系統(tǒng)在該工業(yè)化住宅中的應用存在以下問題。

1）太陽能熱媒、采暖、給水管線均涉及穿越樓板，樓板均為裝配式疊合板，疊合板洞口需在工廠加工時完成孔洞預留，預制構(gòu)件的預留洞口若遺忘或位置不準，將無法在現(xiàn)場進行二次調(diào)整，故對機電設計提出很高要求。

2）預制裝配式住宅壁掛爐及換熱水箱的吊架設置于預制混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，吊架根部須在工廠預埋鋼板或預留螺栓孔。吊架間距和設置要求需提前與廠家進行密切配合，否則將出現(xiàn)預留螺栓孔洞數(shù)量不夠和位置不準的問題。針對預制裝配式墻體掛裝設備，需考慮適當增加預埋螺栓孔數(shù)量，或盡量將設備掛裝在現(xiàn)澆混凝土墻體上。

3）結(jié)合裝配式住宅特點，為方便業(yè)主對設備及管線進行更換及維修，給排水及電氣管線均為明裝。給排水及電氣管線均敷設在頂板下，沿墻體敷設的管線均為明裝，精裝須結(jié)合機電管線做吊頂及夾壁墻遮擋。這需要機電與精裝專業(yè)密切配合，但此方式也存在占用室內(nèi)實際使用空間、增加裝修成本等缺點。

4 聯(lián)合供熱在工業(yè)化住宅中的應用建議

通過對太陽能與燃氣壁掛爐聯(lián)合供熱在工業(yè)化住宅中的應用分析，提出以下建議。

對于城市邊緣無市政熱力管網(wǎng)、定位為業(yè)主的第二居所、工作日入住率偏低、周末入住率高的住宅項目，更適合采用分散熱源供熱方式，而太陽能結(jié)合燃氣壁掛爐系統(tǒng)已成為供熱保障率高、供熱舒適度好且節(jié)能低碳的首選。

工業(yè)化住宅的機電預留預埋不同于傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土施工，這對設計及施工均提出更高要求。在設計階段，需各專業(yè)全面配合，考慮周全，確定機電預埋點位及精裝修方案，避免二次剔鑿、修改；針對預制裝配式墻體掛裝設備，需考慮適當增加預埋螺栓孔數(shù)量，或盡量將設備掛裝在現(xiàn)澆混凝土墻體上。

5 結(jié)語

工業(yè)化住宅已成為住宅產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展趨勢，相較傳統(tǒng)施工工藝具有很大優(yōu)勢，但同時也存在一些挑戰(zhàn)和不足，需要設計人員優(yōu)化機電系統(tǒng)，研究適合工業(yè)化住宅的機電安裝模式，使機電系統(tǒng)集成化與裝配式一體化更好地結(jié)合。