太阳能与燃气壁挂炉联合供热在工业化住宅中的应用

文/中国建筑设计研究院有限公司 高丽颖 全 巍 阮振宇 鄢宇博

0 引言

随着国民经济持续发展和人民生活水平不断提高，人们越来越期待舒适、节能且方便的高品质生活。对于未实施集中市政热源的住宅小区、别墅区，燃气壁挂炉供暖系统已成为不可替代的热源形式。而太阳能作为清洁、高效且低碳的可再生能源，在住宅建筑中已得到广泛应用。将二者结合，既可解决太阳能作为热源的不稳定问题，又可减少燃气用量，充分发挥二者在住宅项目中不可或缺的优势。本文以北京市密云区某工业化住宅项目为例，介绍太阳能结合燃气壁挂炉作为热源系统的应用。

1 设计输入条件

某工业化住宅项目位于北京市密云区，属于首都生态涵养区，区域太阳能资源优越，项目用地为住宅用地，总建筑面积288059m2，共计64栋楼，建筑主体均采用装配整体式混凝土剪力墙结构体系，其中以3层合院为主力产品，合院套型建筑面积为200～300m2。

本项目所处地理位置无市政热力管网，定位为业主的第二居所，工作日入住率偏低，周末入住率高。无人入住时，室内温度满足不低于5℃的防冻温度即可。

通过以上设计输入条件，项目地处寒冷A区，冬季有供热需求，较适合的热源系统方案有以下2种：燃气壁挂炉分散供热和自建锅炉房集中供热。2种系统形式对比如表1所示。

表1 燃气壁挂炉与集中热水锅炉系统形式对比

针对住宅用生活热水，太阳能作为清洁、高效且低碳的可再生能源，在住宅建筑的生活热水方面已得到广泛应用。

2 供热及生活热水系统方案设计

根据该项目特点，燃气壁挂炉作为分散热源，具有灵活控制、独立计量的优势，同时可节省设备用房及集中管线，结合高效低碳的太阳能清洁能源作为住宅用采暖热源及生活热水热源，既可满足业主全年全天候稳定的供热及热水需求，又可实现系统运行的经济性。

太阳能结合燃气壁挂炉作为热源的供热及热水系统主要由三大部件组成，即燃气壁挂炉、太阳能集热器、双盘管换热水箱，其运行环路主要分为太阳能热媒集热循环、采暖热水循环及生活热水循环。太阳能结合燃气壁挂炉联合供热系统原理如图1所示。

图1 壁挂炉+太阳能+双盘管水箱系统原理

燃气壁挂炉系统与太阳能热媒系统既独立又互补，通过双盘管换热水箱中的温度传感器传递信号，实现太阳能热水系统与燃气壁挂炉系统自动切换运行。本系统以太阳能供热为优先，因太阳能作为热源具有不稳定性，当双盘管换热水箱温度不满足设定温度时，再通过开启燃气壁挂炉进行辅助加热。

2.1 采暖系统控制

太阳能结合燃气壁挂炉作为热源供热系统在进行建筑采暖时，在房间内设置温度传感器，用于测量房间实际室温Tr，当房间室内温度Tr＜18℃时，启动采暖循环泵；当Tr＞20℃时，关闭采暖循环泵。针对此热源所设计的采暖系统共有以下3种运行模式。

1）太阳能作为热源独立供热 当双盘管换热水箱顶部温度大于水箱采暖回水温度且水箱采暖供水温度大于采暖给水设计温度时（Tw＞T2且T1＞Tg），则无需辅助热源即可满足房间供热需求，此工况为太阳能独立负担房间采暖负荷。

2）太阳能与燃气壁挂炉联合供热 当双盘管换热水箱顶部温度大于水箱采暖回水温度且水箱采暖供水温度小于采暖给水设计温度时（Tw＞T2且T1＜Tg），则需联动电磁阀1，将水箱采暖供水送入燃气壁挂炉，由燃气壁挂炉加热至水温满足采暖给水设计温度后，经燃气壁挂炉采暖供水管送入房间，此工况为燃气壁挂炉和太阳能联合负担房间采暖负荷。

3）燃气壁挂炉独立供热 当太阳能系统不启用且换热水箱内水排空时，则考虑采用燃气壁挂炉独立供热，由燃气壁挂炉加热至水温满足采暖给水设计温度后，经燃气壁挂炉采暖供水管送入房间，此工况为燃气壁挂炉独立负担房间采暖负荷。

2.2 生活热水系统控制

太阳能与燃气壁挂炉联合为生活热水系统加热时，可分为3种运行工况：①当双盘管换热水箱顶部温度Tw≥45℃时，太阳能双盘管换热水箱能够满足生活热水需求，由太阳能独立负担生活热水负荷；②当双盘管换热水箱顶部温度Tw＜45℃时，则需联动电磁阀3和电磁阀4动作，将水箱出水送入燃气壁挂炉中进行二次加热，此工况为燃气壁挂炉和太阳能联合负担生活热水负荷；③当太阳能系统不启用且换热水箱内水泄空时，由自来水补水直接送入燃气壁挂炉加热，以满足生活热水需求，此工况为燃气壁挂炉独立负担生活热水负荷。

2.3 太阳能热媒系统控制

太阳能热媒系统循环采用温差控制法，控制系统可实现自动控制及手动控制，可按需选择控制方式。在太阳能集热板热媒出口设置1个温度传感器，温度设定为T0，用于测量集热板出口循环工质温度；在换热水箱底部设置1个温度传感器，温度设定为Td，用于测量水箱底部水温。太阳能集热板中热媒受太阳能辐射加热后温度升高，当集热板热媒出口温度与水箱底部水温的温差到达10℃时，即T0-Td=10℃，则开启太阳能热媒循环泵，太阳能通过热媒循环为换热水箱提供热量，水箱内的水通过热媒盘管进行加热。当太阳光照强度小于300W/m2时，太阳能集热板中热媒温度下降，当集热板热媒出口温度与水箱底部水温的温差达3℃时，即T0-Td=3℃，太阳能热媒循环泵关闭，太阳能蓄热系统停止运行。

3 联合供热在工业化住宅中的应用

该项目为采用装配式结构体系的工业化住宅。工业化住宅是不同于传统住宅采用新型建造方式的建筑。传统住宅通常以现场支模、钢筋绑扎、混凝土浇筑等工序完成，以现场湿作业为主。而工业化住宅是以工厂批量加工的预制构件为主，工厂大规模生产后运输到现场进行组装、连接。本项目结构装配率高达52%，逾50%的墙体、楼板均为工厂预制。

工业化住宅机电关键技术主要是做好预制结构体内管线的预留预埋。设计人员需在设计阶段精确定位设备管线，并与土建构件一起生成BIM模型提供给预制构件厂，预制人员按照图纸，根据统一标准对各预制板、墙中的线、盒、箱、套管、洞口等进行精确预留预埋。

本系统在该工业化住宅中的应用存在以下问题。

1）太阳能热媒、采暖、给水管线均涉及穿越楼板，楼板均为装配式叠合板，叠合板洞口需在工厂加工时完成孔洞预留，预制构件的预留洞口若遗忘或位置不准，将无法在现场进行二次调整，故对机电设计提出很高要求。

2）预制装配式住宅壁挂炉及换热水箱的吊架设置于预制混凝土结构内，吊架根部须在工厂预埋钢板或预留螺栓孔。吊架间距和设置要求需提前与厂家进行密切配合，否则将出现预留螺栓孔洞数量不够和位置不准的问题。针对预制装配式墙体挂装设备，需考虑适当增加预埋螺栓孔数量，或尽量将设备挂装在现浇混凝土墙体上。

3）结合装配式住宅特点，为方便业主对设备及管线进行更换及维修，给排水及电气管线均为明装。给排水及电气管线均敷设在顶板下，沿墙体敷设的管线均为明装，精装须结合机电管线做吊顶及夹壁墙遮挡。这需要机电与精装专业密切配合，但此方式也存在占用室内实际使用空间、增加装修成本等缺点。

4 联合供热在工业化住宅中的应用建议

通过对太阳能与燃气壁挂炉联合供热在工业化住宅中的应用分析，提出以下建议。

对于城市边缘无市政热力管网、定位为业主的第二居所、工作日入住率偏低、周末入住率高的住宅项目，更适合采用分散热源供热方式，而太阳能结合燃气壁挂炉系统已成为供热保障率高、供热舒适度好且节能低碳的首选。

工业化住宅的机电预留预埋不同于传统现浇混凝土施工，这对设计及施工均提出更高要求。在设计阶段，需各专业全面配合，考虑周全，确定机电预埋点位及精装修方案，避免二次剔凿、修改；针对预制装配式墙体挂装设备，需考虑适当增加预埋螺栓孔数量，或尽量将设备挂装在现浇混凝土墙体上。

5 结语

工业化住宅已成为住宅产业未来的发展趋势，相较传统施工工艺具有很大优势，但同时也存在一些挑战和不足，需要设计人员优化机电系统，研究适合工业化住宅的机电安装模式，使机电系统集成化与装配式一体化更好地结合。