绿色生态城区太阳能光热技术实施思路探讨——以中新天津生态城为例

李倩

（天津生态城绿色建筑研究有限公司，天津300450）

1 引言

可再生能源的规模化利用能够减少化石原料的消耗，优化能源供给侧结构，是实现绿色生态城区可持续发展、改善城市大气环境质量的有效措施，也是绿色生态城区建设的重要内容之一。

在可再生能源利用方面，中新天津生态城具有天然优势，生态城属于太阳能资源较丰富区，水平面上的年平均总太阳辐照量可达为5239.94MJ/m2·a，倾斜表面上的年平均总太阳辐照量达6103.55MJ/m2·a，为太阳能在生态城中的应用提供了良好的自然资源基础条件。

2 建筑太阳能热水实施现状

2.1 太阳能热水系统存在的问题

太阳能光热技术因其环保效益好、安全性能高、经济效益好等优势，成为目前建设项目应用最为广泛的可再生能源技术之一。但调研发现，太阳能热水系统实际使用效果和设计预期有明显差异，运行效果很不理想，主要体现在以下几个方面。①业主需求：部分业主对于分散式系统的售后服务较为不满；顶层住户较多反映噪音及漏水问题；集中式系统的业主认为水温不足、水量不够。②系统自身问题：屋面突出构筑物对集热设备进行遮挡；屋顶无机房的露天系统易出现水泵、管路损坏现象；屋顶设备极易出现噪音等问题。

本文以集中-分散式太阳能热水系统为例，采用精细化设计手段从设计源头提出解决方案，为绿色生态城区更好地推广太阳能光热技术提供技术支撑。

2.2 太阳能热水系统精细化设计方法

太阳能光热技术作为较成熟的一项技术，在实施过程中仍出现诸多问题，这反映出当前我国在大范围推广应用太阳能光热技术的同时，忽略了对其进行专业化的设计、施工、验收及运行，导致太阳能热水的使用效果大打折扣。本文以业主需求为出发点，从精细化设计角度解决业主诉求较多的噪声和供水温度较低的问题。

2.2.1 降低噪声干扰

集中-分散式太阳能热水系统是目前太阳能设计中采用较多的一种形式，该系统为避免热量传输损失，太阳能设备机房一般靠近集热热源，设置在屋面。当系统运行时，水泵震动会通过楼板向下传导，会对顶层业主产生噪声干扰。

据调研发现，目前太阳能相关规范标准未对太阳能设备机房有明确设计要求，更多地被当成一种产品出现在设计图纸中，同样作为建筑热水供应系统，要明确太阳能设备机房的设计要求，并且结合系统特点提出降噪措施。

①太阳能设备机房不应毗邻居住用房或在其上层或下层；水泵机组与基础设置减振装置，基础自身采取减振措施；管道支架、吊架和管道穿墙、楼板处，采取防止固体传声的措施。

②设备机组模块化设计，即将太阳能热水系统的相关设备，包含水泵、管路、换热器、仪器仪表及阀门等集成于一体，形成一体化模块化机组，可大大缩小设备机房的占用面积，提高系统运行效率，降低设备运行噪声。

2.2.2 优化系统温升

供水温度不足也是太阳能热水系统中常出现的问题，影响因素较为复杂，如集热器遮挡严重、集热器控制不合理、系统传输热损失较大等[1]，本文重点分析设计过程中容易忽略的一些问题。

①避免无效集热面积。调研发现，项目现场会出现集热器被遮挡或自遮挡现象，必然会引起无效集热。为解决该问题，太阳能热水设计需与建筑方案设计以及施工图设计同步，实现太阳能热水系统与建筑一体化设计，即在建筑规划布局阶段就要考虑太阳能热水系统的设计方案，并借助日照模拟的手段，按照GB 50364—2018《民用建筑太阳能热水系统应用技术标准》的要求布置集热器。在建筑设计时，屋面形式尽量简约，可避免建筑造型对集热器产生遮挡。

②系统精准设计，指导系统运行。目前，太阳能相关规范标准对太阳能热水的计算均为“年平均”概念，即气象参数为“年平均日太阳辐照量”，依据单一气象参数进行系统核算，计算过程粗糙，对系统后期运行无法给予指导。

本文利用计算机模拟工具对太阳能集热器进行日照模拟分析，可得出该地区逐月太阳辐照量的变化情况，由此可确定系统适宜的运行策略。由图1可知，当系统全年运行时，建议集热器安装倾角大于30°，利于冬季系统得热；当系统季节运行时，建议集热器倾角小于30°，在夏季太阳高度角较高时利于系统得热。

图1 天津地区不同倾角下单位集热面积的逐月太阳辐照量MJ/m2

以某品牌平板型集热器为例，分析不同辐照量下的集热器效率，基于总面积和集热器进口温度的瞬时效率曲线如公式（1）所示。

经计算，该品牌集热器在3～10月份期间，集热器的安装倾角对于月均集热效率的影响不大，且均处于较高水平；冬季期间，随着集热器安装倾角的减小，集热器月平均集热效率衰减较快。从全年数据来看，集热器安装倾角在20°～40°时，冬季集热器效率处于相对较高水平，系统全年运行时可以此为参照进行设计。

基于以上分析，设计师可分析太阳能热水系统在不同月份的使用效果，进而确定整套太阳能热水系统的运行策略，并为系统后期运行提供技术指导。

3 可再生能源管理提升

生态城可再生能源已大规模实施，在可再生能源管理方面应大力加强，目前建立了生态城绿色建筑运维管理平台，可对项目级可再生能源的运行情况进行分项管控，进而形成城区级可再生能源管理平台，为绿色生态城区的可再生能源管理提供数据及技术支撑。

针对目前太阳能热水出现的问题，建立项目级5G 无人值守智慧机房，太阳能系统数据通过5G 传输对接项目楼宇运行监控平台，楼宇运行监控平台实现对数据的展示、储存、分析、上传，同时，运行人员可通过监控数据对系统实现自查，将问题反馈于生态城绿色建筑运维管理平台，平台进行数据及运行情况汇总，并反馈到系统维修及管理部门，实现太阳能系统的智慧运维。

4 结论

绿色生态城区的可持续发展，需要切实地落实各项绿色技术。本文对太阳能光热技术实施进行了阐述，太阳能热水系统以满足业主需求为出发点，采用精细化设计方法从设计源头优化系统设计。可再生能源利用方面，进一步优化能源结构，最大化地开发利用建筑蕴含的可再生能源资源，须提高能源利用效率，降低传统能源消耗，最终实现建筑和城区的绿色生态发展。