绿色建筑太阳能供热技术应用研究

段秀斌

(中国中铁股份有限公司,北京 100039)

以节约能源、保护环境和可持续发展为理念的新能源革命正在全球兴起,太阳能是非常丰富的可再生能源,利用太阳能供暖对于节能环保有重要的意义。目前,我国处于全面建设小康阶段,在今后一段时间,将大规模开发住宅建筑,在能源紧缺的情况下,采用太阳能供暖具有很好的发展前景。为此,本文对绿色建筑住宅太阳能供热技术进行应用研究,希望推广使用太阳能为绿色建筑提供能源,解决当前能源匮乏的难题,同时改善人民的居住环境,提高人民的生活水平。

1 供热设计条件确定

(1)热水设计条件。首先应对当地居民进行实态调查分析,了解当地居民生活形态,掌握当地居民热水使用方式,包括热水用量、热水使用时间段、热水温度、人均热水使用量。其次，确定建筑物住宅的使用者户均人数、热水需求方式；结合建筑物结构,明确热水用水点。最后，根据物业管理方式,选择局部分户式或者集中式热水供应系统。

(2)使用环境条件。了解当地的气候条件、所处的太阳辐射资源日均/年均分布方式、气象数据、环境温度、阴雨天数等环境条件。

(3)冷水供给条件。对当地的水供给系统(水压、供给量)加以了解,从最不利的条件出发,通过水箱的进口冷水供给方式、出口热水、加压水泵功率、位置等确定冷水供给条件。

(4)辅助热源条件。安装建筑物用户的经济条件与当地燃气电力的供应方式、计费方式,选用合适的电加热或者空气源水源热泵。

2 供热方案比选

2.1 集热器选型

2.1.1 常用集热器类型

常用太阳能热水系统的集热器有平板型集热器、全玻璃真空管集热器、热管式真空管集热器。

(1)平板太阳能集热器结构简单、固定安装、可以采集太阳直射辐射和散射辐射、集热器与环境间温差不大时热效率较高、成本较低,如图1所示。以铜铝复合材料翼形管板作为吸热板的单层盖板平板集热器是常见的单层盖板平板集热器,其效率方程为

ητ=0.766-6.00θ

θ=(Ti-Ta)/Gτ

其中，0.766为平板太阳能集热器效率截距；θ为热损系数；Ta为环境气温，℃；Ti为集热器进口介质温度，℃；Gτ为太阳辐照度，W·m-2。

图1 典型平板太阳能集热器结构示意

(2)全玻璃真空管集热器具有保温性能好、热效率高和抗冰雹等优点,但也存在着运行不安全、密封不可靠、结垢、不承压、集热器寿命短等缺点,如图2所示。E-W真空管集热器是常见的全玻璃真空管集热器,其效率方程为

ητ=0.560-1.70θ

其中，0.560为全玻璃真空管集热器效率截距。

图2 全玻璃真空集热管

(3)热管式真空管集热器主要由热管、吸热板、玻璃管等几部分组成(图3)。工作时,太阳光穿过玻璃管投射在吸热板上,吸热板吸收太阳辐射能并将其转换为热能,加热热管内的工质,使其汽化并将热量传送到热管的顶端,加热传热介质(通常是水),同时使工质凝结,流回热管的下端(加热端),如此不断循环。BTZ-2型热管真空管集热器是常见的热管真空管集热器,其玻璃外径为φ100,套管透过率为0.9,吸收器吸收率为0.92,底板漫反射率为0.6,效率方程为

ητ=0.682-2.32θ

其中，0.682为热管真空集热器效率截距。

图3 热管式真空集热管

2.1.2 集热器选型

(1)从瞬时效率与温差关系进行选型。太阳能集热器瞬时效率指在稳态条件下,特定时间间隔内由传热工质从一特定的集热器面积上带走的能量与同一时间间隔内入射在该集热器面积上的太阳能之比,亦即集热器实际获得的有用功率与集热器接收的太阳辐射功率之比。瞬时效率方程是评定集热器性能的主要依据,根据以上3种集热器的热效率方程,在太阳辐照度一定的情况下,热效率与贮水温度与环境温度差值ΔT成反比,单层盖板平板集热器下降最快,其次是热管真空管集热器,最后是全玻璃真空管集热器。当θ<0.023时,单层盖板平板集热器热效率最高；当0.023≤θ≤0.019 7时,热管真空管集热器热效率最高；当θ>0.197时,全玻璃真空管集热器热效率最高。见表1和图4。

表1 瞬时效率与θ关系

图4 3种集热器瞬时效率与温差的关系

(2)从性能角度进行比较选型。平板式集热器耐冻性能差,因此不宜在北方使用；全玻璃真空管式耐冷热冲击性、安全性、承压能力和抗破损能力差,使用受区域限制；热管真空管式成本略高,但均可用。3种集热器性能见表2。

表2 3种形式集热器的性能比较

综合以上2个方面,从技术经济性能综合考虑,平板集热器适用于南方地区,全玻璃真空管集热器适合华北及部分西北、东北地区,即冬季最低温度高于-15 ℃的地区,热管真空管集热器适宜于中原、华东、部分西北、东北地区。

2.2 集热器面积确定

太阳能热水装置集热器的面积(采光面积)是根据用户所需的热水负荷(水温和水量)、集热器的效率以及使用地区的气象资料(日照强度、环境温度、环境风速)来确定的。根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》(GB50364—2005),集热器面积计算主要有两种算方式。

2.2.1 直接式系统集热器面积计算

集热器总面积可根据用户的每日用水量和水温确定

式中Ac——直接式集热器的面积,m2；

Qw——用水量,m3；

Cw——水的比热容,kJ/kg·℃；

Tend——水的初始温度,℃；

ti——水的要求温度,℃；

f——太阳能保证率；

JT——日辐照量,kJ/m2；

ηcd——集热器全日集热效率；

ηl——管路及水箱热损失率。

2.2.2 间接式系统集热器面积计算

式中AIN——间接式集热器的面积,m2；

Ac——直接式集热器的面积,m2；

FRUL——集热器总热损系数；

Uhx——换热器传热系数；

Ahx——换热器换热面积,m2。

2.3 集热器入射角修正

太阳能集热器瞬时效率是在法向入射的条件下测得,实际工作条件一般不跟踪,与法向有偏离,因此需要“修正”。修正应针对光热转化能力η0,而热损失特性不受入射角度偏离的影响,无需修正。对集热器入射角的修正参考集热器瞬时效率曲线修正公式

其中，κθ为入射角修正系数。

平板不分“东西”向和“南北”向进行测试；真空管型应分“南北”向和“东西”向进行测试。真空管集热器“东西”向入射时,甚至有可能比法向入射时效率还要高,真空管集热器瞬时效率“南北”和“东西”向测试结果见图5。集热器瞬时效率是在法向入射的条件下测得的,由于集热器一般固定安装,所以应使用入射角修正系数对集热器效率进行修正。

图5 集热器入射角修正测试

3 太阳能供热施工技术要求

住宅建筑的太阳能供热系统的施工需与前段的方案设计相衔接,并完成施工图设计和施工技术要点。具体施工要求如下。

3.1 太阳能集热器支架安装与防腐

(1)设置在墙面的集热器支架应与预埋在墙面上的预埋件连接牢固,必要时在预埋件处增设混凝土构造柱,并应满足防腐要求。

(2)设置在墙面的集热器与贮水箱相连的管线需穿过墙面时,应在墙面预埋防水套管。穿墙管线不宜设在结构柱处。

(3)太阳能集热器支座与结构层相连时,防水层应上包到支座的上部,并在地脚螺栓周围作密封处理。

(4)太阳能集热器与贮水箱相连的管线需穿过屋面时,应预埋相应的穿线管,并在防水层施工前安设完毕,不应在已做好防水保温的屋面上凿孔打洞。

(5)涂装前钢材表面除锈应符合设计要求和国家现行有关标准的规定。处理后的钢材表面不应有焊渣、焊疤、灰尘、油污等；涂料涂装遍数、涂层厚度应符合设计要求。

3.2 太阳能贮水箱安装

(1)贮水箱宜有排水、防水设施；贮水箱布置应符合《建筑给水排水设计规范》(GB50015)第3.7.5条2款的要求,周围应留有安装、检修空间,净空不宜小于600 mm。

(2)安装贮水箱的设备间或安装地点应设排水沟、地漏等排水设施并与建筑物内的排水系统连接；集热循环水箱材质、衬里材料和内壁涂料,不得影响水质。

(3)集热循环水箱的进出水管布置,不得产生水流短路。箱内宜有保证水温均匀的措施。

(4)集热循环水箱与建筑本体结构墙面或其他箱壁之间的净距应满足施工或装配的需要,无管道的侧面净距不宜小于0.7 m,有管道的侧面管道外壁与建筑本体墙面之间的通道不宜小于1.0 m；设有人孔的箱顶顶板面与上面建筑整体板底的净空不应小于0.8 m；箱底与水箱间地板面净距,有管道敷设时,不宜小于0.8 m。

3.3 电水加热装置的安装及防雷

(1)系统供电应设专用回路,公共用太阳能热水系统应设用电计量装置。

(2)供电线路必须设有短路、过载、接地故障保护,剩余动作电流保护器的保护动作电流值不得超过30 mA；供电及控制线路应采用铜芯导线,配电线路的敷设应符合现行《低压配电设计规范》GB50054的有关规定。

(3)太阳能热水装置应可靠接地；供电开关应便于操作,控制可靠。

(4)系统电路、电器的安装设置按国家现行标准《民用建筑电气设计规范》(JGJ/T16)中有关规定执行。

(5)太阳能热水装置的防雷设计应符合国家现行标准《建筑物防雷设计规范》(GB50057)的有关规定；若太阳能热水系统不处于建筑物上避雷系统的保护中,应按照国家现行标准《建筑物防雷设计规范》(GB50057)的要求增设避雷设施。

3.4 太阳能集热器的安装

(1)集热器的最佳设置方位,是朝向正南或南偏西5°；若受条件限制时,其偏差允许范围在±15°以内。

(2)集热器的安装倾角,应根据热水的使用季节和当地的地理纬度确定

Φ=φ+10°

式中Φ——太阳能集热器安装倾角，(°)；

φ——当地地理纬度，(°),主要城市的φ值和气候特点可以直接查工具书。

(3)集热器前后排间距的确定。整幢住宅建筑所需配套安装的太阳能热水器应全部布设在阳光充分辐照的一面。当采取一排布置面积不足时,可多排布置,但前后两排间应留有一定间距,其间距为：一般坡屋面不小于50 cm,平屋面前排与后排太阳能热水器的间距按下式计算确定

D≥H×cotθ

式中D——两台热水器间的水平间距，m；

H——热水器离楼面的垂直高度，m,其值根据设计时选择的太阳能热水器类型实际尺寸确定；

θ——太阳能热水器倾角，(°)。

为便于维修和安装,太阳能热水器左右贮水箱间距不小于30 cm。为了安全,太阳能热水器距屋檐应大于1.5 m；若平屋面上有女儿墙,太阳能热水器距女儿墙的距离按下式计算确定

D1≥H1×cotφ

式中D1——太阳能热水器距女儿墙的距离，m；

H1——女儿墙垂直高度，m。

(4)太阳能集热器应具有抗冻、抗雨雪、抗冰雹的能力；同时应具有良好的密封性,不渗漏以及方便安装、维修。

4 工程实践

香樟里·那水岸小区地处安庆地区,属于中低纬度阳光光照比较充足的地区,太阳能利用效率较高；同时,冬季存在无日照时间长。根据本文讨论的太阳能供热设计条件和供热技术方案,在本工程中,我们选用了真空集热管太阳能供热技术,即集中式太阳能热水器系统,并辅以电加热及微循环泵系统。结合小区户数和日用水量,计算出了集热面积,确定了太阳能热水器供热系统的设计方案,并根据设计方案进行了施工安装,成功地为小区用户解决了供热问题。

本项目集中式太阳能热水器系统总造价为295.8万元,折合单平米建筑面积增加造价约16.4元。在经济效益方面与传统的热水器相比较,按使用寿命15年、986户计算可产生直接经济效益621.2万元,户均节约6 300元,全小区可节约用电1 250万kW·h,减少排放13 750 t二氧化碳。太阳能供热技术在本工程的成功使用,既为业主带来了直接的经济效益,又很好地保护了环境,解决了能源需求紧张的问题,具有良好的社会经济价值。

5 结论

太阳能供热技术的推广应用将大大缓解我国能源供需矛盾问题,减少污染物排放,同时提高了人民的生活水平,因此该项技术具有广泛的应用前景。本文对太阳能供热技术的设计条件和设备选型进行了研究分析,提出了设计条件,开展了设备选型,确定了选型依据,得出了选型结论,对太阳能供热系统设计具有一定指导和帮助；提出了太阳能供热系统施工安装要求,对新技术的推广应用具有重要意义,有助于指导施工。

[1]GB50364—2005，民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S].

[2]周正楠,刘晓霖.住宅设计实践中的被动式太阳能采暖技术应用研究[J].华中建筑，2010(7)．

[3]刘 辉.太阳能热水器与住宅建筑一体化设计探讨[J].中国建设动态·阳光能源，2004(4)．

[4]张军杰.高层住宅与太阳能热水器一体化结合研究[J].建筑科学,2007(4)．

[5]叶宇丰.生态住宅中的太阳能利用[J].山西建筑,2007(1)．

[6]王如竹,翟晓强.基于太阳能热利用的生态建筑能源技术[J].建筑热能通风空调，2004(1)．

[7]匡风军.高层建筑太阳能热利用解决方案[J].绿色建筑,2010(2)．

[8]梁 锟.太阳能热利用技术及建筑应用[J].科技创新导报,2010(26)．

[9]梁兴华.太阳能—热泵热水系统组成及应用[J].价值工程,2010(24)．

[10]王连坤.高层钢结构住宅节能技术分析与探讨[J].建筑技术,2010(8)．

[11]杨 刚,住宅建筑节能适用技术研究[J].科技致富向导,2010(26)．