太陽能在采暖上的應用案例介紹

同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司 ■ 王鈺

0 引言

綠色建筑是指在建筑全壽命期內，最大限度地節約資源(節能、節地、節水、節材)、保護環境、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，隨著節能減排意識的逐漸提高，許多項目越來越希望在采暖系統上更多地利用太陽能等綠色能源。但在相關綠色建筑評價標準中，規定了空調和采暖應用可再生能源的下限為20%[1]，這個指標是針對空調和采暖總量而言的，并非指空調或采暖中的任意一個，單獨在采暖上采用太陽能是很難達到下限的，也就限制了太陽能采暖的普及和應用。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行解答。

1 工程簡介

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

2 設計計算參數

2.1 室外計算參數

以淮南市的室外狀況為參考標準，其中：

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

2)冬季時，大氣壓力為1022.3 hPa，空調計算干球溫度為-4.2℃，空調計算相對濕度為76%，通風計算干球溫度為2.6 ℃，風速為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 冬季采暖室內設計溫度

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

3 方案比較

根據業主的要求，重點實驗室采用集中空調系統，空調包括夏季制冷和冬季制熱兩部分。方案有3種：方案1為螺桿冷水機組+燃氣鍋爐系統；方案2為風冷熱泵冷熱水機組；方案3為VRF變頻一拖多風冷熱泵空調機。

經過研究及方案對比后，業主選定方案3的VRF變頻一拖多風冷熱泵空調系統。該系統除了運行靈活、開關方便外，最重要的是能滿足加班人員的需要，且不需要專門的維護人員，非常適合應用于學校。淮南市雖然地處江南，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。為了減少學校平日維護、運行負擔，體現學校建設以科技為本、綠色舒適的校園環境的先進理念，校方除要求設置采暖外，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，但如何在采暖系統中充分利用太陽能是本項目的一個難點，《太陽能集熱系統設計與安裝》[2]可提供一些參考，但作為具體工程，要做到系統簡單、易維護、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，因此一般設計師在設計時很少采用太陽能作為空調或采暖熱水來源。

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。給排水專業準備在屋頂設置太陽能集熱板、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，采暖負荷為480 kW，可利用太陽能解決部分采暖負荷，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費用。

經過計算可知，1000 m2空地可設置規格為2 m×3 m的橫排聯集管式集熱板共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，對采暖回水溫度進行預熱處理，可使采暖回水溫度提高5 ℃，相當于提高總溫升的1/4。其余熱量通過設置真空燃氣熱水鍋爐解決。

太陽能經濟性判斷： 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，全年可節約1.78萬元。橫排聯集管式集熱板共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各參數

表2 某品牌橫排聯集管式太陽能集熱器主要技術參數

圖1 屋頂太陽能采暖系統布置效果圖

圖2 鍋爐房原理圖

5 采暖系統設計

根據業主要求，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，采暖供水、回水溫度分別為75 ℃和55 ℃。熱水由地下一層熱水機房內的燃氣真空熱水鍋爐提供。

燃氣真空熱水鍋爐房設有卸爆口和直通室外的疏散樓梯，煙道高出裙房屋頂；也設有平時通風和事故通風。

熱水機房內設有500 kW燃氣真空熱水鍋爐1臺，采暖熱水供水、回水溫度分別為75 ℃和55 ℃。機房內設有板式熱交換器，由太陽能熱媒水對采暖回水進行預加熱，其他還包括熱水循環泵、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熱媒水的進、出水溫度分別為78 ℃和68 ℃，水量為3.05 L/s；采暖二次側的進、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，供水主干管設在5層梁下，回水主干管設在1層梁下；部分房間采用雙管異程系統，各主要環路回水總管上設靜態平衡閥。系統的工作壓力為0.5 MPa。

散熱器是采用鑄鐵涂塑型散熱器，串聯連接，采用同側或異側上供下回方式，散熱器的工作壓力為0.6 MPa。散熱器支立管上下均設有關斷閘閥，在散熱器前設有二通或三通溫控閥調節閥。

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，太陽能相關數據參照合肥市 (117°14′ E、31°52′ N)數據。根據《太陽能集中熱水系統選用與安裝》[3]中的設計用氣象參數，月均日太陽總輻照量如表3所示。

根據表3的統計數據，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得熱量和系統提供的采暖熱負荷，計算結果如表4所示。

6.2 太陽能保證率分析

根據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。設定辦公建筑采暖負荷為50 W/m2，工作時間為8 h，各層面積相同，夜間停止供暖室內不會凍結。表5為辦公建筑和住宅的計算對比結果。

太陽能保證率f可表示為：

式中，A為單位面積日采暖總負荷，MJ；B為太陽能轉換為采暖的熱量，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利用。

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

3)Ⅰ類、Ⅱ類地區盡管太陽能資源豐富，但大部分地處寒冷及嚴寒地區，需要考慮夜間值班采暖，表6中的數值明顯變小，因此，只推薦5層以內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北方為5～7 h，南方為2～4 h ，遠遠低于連續運行時間，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

在屋頂的熱水箱內外溫差大，保溫困難，而85%的采暖負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換也變得復雜。由此，項目變得非常不經濟，小區物業較難勝任，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 太陽能側熱水原理圖

7 自動控制

本工程設置了樓宇自控系統，對空調系統、采暖系統進行監控。對鍋爐采用自動監測流量、溫度等參數計算出熱量，自動發出信號，人工手動操作主機的起停。采暖供、回水總管上設置壓差旁通裝置，用來調節系統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，關閉換熱器三通閥門，旁通采暖熱水。散熱器設有動溫控閥。

采暖熱水換熱循環方式為：當系統檢測到緩沖集熱水箱溫度T1＞70 ℃時，自動開啟采暖換熱循環泵P1；當T1與采暖熱媒循環回水端溫度T5之差T1-T5＜ 3 ℃時，關閉采暖換熱循環泵。如此反復，將熱量傳遞給采暖系統。

8 節能

采用太陽能熱媒水初步提升采暖熱水回水溫度，燃氣真空熱水鍋爐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水泵耗電輸熱比為0.0047，符合《公共建筑節能設計標準》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，達到比較好的散熱效果；散熱器表面應刷非金屬涂料，可以增強散熱性能及防腐。水系統采用電子水處理等措施，保持水質穩定，減少污垢對換熱系數的影響。

9 小結

1)從安徽理工大學新校區的重點實驗室的太陽能采暖設計入手，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，具有顯著的經濟性。

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8 h運行和24 h運行對分析結果有明顯的影響。

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

4)筆者呼吁制定綠色建筑標準的相關部門，能夠放寬建筑采用太陽能采暖的最低限額，使空調和采暖可以單獨評分，這樣在有采暖需求的廣大農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展，同時減少了冬季煙塵和霧霾的產生，有助于改善大氣環境。

[1]GB 50378-2014,綠色建筑評價標準[S].

[2]中國建筑科學研究院.太陽能集熱系統設計與安裝[M]. 北京: 中國計劃出版社, 2006.

[3]中國建筑標準設計研究院.太陽能集中熱水系統選用與安裝[M]. 北京: 中國計劃出版社, 2006.

[4]GB 50189-2015,公共建筑節能設計標準[S].