綠色建筑太陽能供熱技術應用研究

段秀斌

(中國中鐵股份有限公司,北京 100039)

以節約能源、保護環境和可持續發展為理念的新能源革命正在全球興起,太陽能是非常豐富的可再生能源,利用太陽能供暖對于節能環保有重要的意義。目前,我國處于全面建設小康階段,在今后一段時間,將大規模開發住宅建筑,在能源緊缺的情況下,采用太陽能供暖具有很好的發展前景。為此,本文對綠色建筑住宅太陽能供熱技術進行應用研究,希望推廣使用太陽能為綠色建筑提供能源,解決當前能源匱乏的難題,同時改善人民的居住環境,提高人民的生活水平。

1 供熱設計條件確定

(1)熱水設計條件。首先應對當地居民進行實態調查分析,了解當地居民生活形態,掌握當地居民熱水使用方式,包括熱水用量、熱水使用時間段、熱水溫度、人均熱水使用量。其次，確定建筑物住宅的使用者戶均人數、熱水需求方式；結合建筑物結構,明確熱水用水點。最后，根據物業管理方式,選擇局部分戶式或者集中式熱水供應系統。

(2)使用環境條件。了解當地的氣候條件、所處的太陽輻射資源日均/年均分布方式、氣象數據、環境溫度、陰雨天數等環境條件。

(3)冷水供給條件。對當地的水供給系統(水壓、供給量)加以了解,從最不利的條件出發,通過水箱的進口冷水供給方式、出口熱水、加壓水泵功率、位置等確定冷水供給條件。

(4)輔助熱源條件。安裝建筑物用戶的經濟條件與當地燃氣電力的供應方式、計費方式,選用合適的電加熱或者空氣源水源熱泵。

2 供熱方案比選

2.1 集熱器選型

2.1.1 常用集熱器類型

常用太陽能熱水系統的集熱器有平板型集熱器、全玻璃真空管集熱器、熱管式真空管集熱器。

(1)平板太陽能集熱器結構簡單、固定安裝、可以采集太陽直射輻射和散射輻射、集熱器與環境間溫差不大時熱效率較高、成本較低,如圖1所示。以銅鋁復合材料翼形管板作為吸熱板的單層蓋板平板集熱器是常見的單層蓋板平板集熱器,其效率方程為

ητ=0.766-6.00θ

θ=(Ti-Ta)/Gτ

其中，0.766為平板太陽能集熱器效率截距；θ為熱損系數；Ta為環境氣溫，℃；Ti為集熱器進口介質溫度，℃；Gτ為太陽輻照度，W·m-2。

圖1 典型平板太陽能集熱器結構示意

(2)全玻璃真空管集熱器具有保溫性能好、熱效率高和抗冰雹等優點,但也存在著運行不安全、密封不可靠、結垢、不承壓、集熱器壽命短等缺點,如圖2所示。E-W真空管集熱器是常見的全玻璃真空管集熱器,其效率方程為

ητ=0.560-1.70θ

其中，0.560為全玻璃真空管集熱器效率截距。

圖2 全玻璃真空集熱管

(3)熱管式真空管集熱器主要由熱管、吸熱板、玻璃管等幾部分組成(圖3)。工作時,太陽光穿過玻璃管投射在吸熱板上,吸熱板吸收太陽輻射能并將其轉換為熱能,加熱熱管內的工質,使其汽化并將熱量傳送到熱管的頂端,加熱傳熱介質(通常是水),同時使工質凝結,流回熱管的下端(加熱端),如此不斷循環。BTZ-2型熱管真空管集熱器是常見的熱管真空管集熱器,其玻璃外徑為φ100,套管透過率為0.9,吸收器吸收率為0.92,底板漫反射率為0.6,效率方程為

ητ=0.682-2.32θ

其中，0.682為熱管真空集熱器效率截距。

圖3 熱管式真空集熱管

2.1.2 集熱器選型

(1)從瞬時效率與溫差關系進行選型。太陽能集熱器瞬時效率指在穩態條件下,特定時間間隔內由傳熱工質從一特定的集熱器面積上帶走的能量與同一時間間隔內入射在該集熱器面積上的太陽能之比,亦即集熱器實際獲得的有用功率與集熱器接收的太陽輻射功率之比。瞬時效率方程是評定集熱器性能的主要依據,根據以上3種集熱器的熱效率方程,在太陽輻照度一定的情況下,熱效率與貯水溫度與環境溫度差值ΔT成反比,單層蓋板平板集熱器下降最快,其次是熱管真空管集熱器,最后是全玻璃真空管集熱器。當θ<0.023時,單層蓋板平板集熱器熱效率最高；當0.023≤θ≤0.019 7時,熱管真空管集熱器熱效率最高；當θ>0.197時,全玻璃真空管集熱器熱效率最高。見表1和圖4。

表1 瞬時效率與θ關系

圖4 3種集熱器瞬時效率與溫差的關系

(2)從性能角度進行比較選型。平板式集熱器耐凍性能差,因此不宜在北方使用；全玻璃真空管式耐冷熱沖擊性、安全性、承壓能力和抗破損能力差,使用受區域限制；熱管真空管式成本略高,但均可用。3種集熱器性能見表2。

表2 3種形式集熱器的性能比較

綜合以上2個方面,從技術經濟性能綜合考慮,平板集熱器適用于南方地區,全玻璃真空管集熱器適合華北及部分西北、東北地區,即冬季最低溫度高于-15 ℃的地區,熱管真空管集熱器適宜于中原、華東、部分西北、東北地區。

2.2 集熱器面積確定

太陽能熱水裝置集熱器的面積(采光面積)是根據用戶所需的熱水負荷(水溫和水量)、集熱器的效率以及使用地區的氣象資料(日照強度、環境溫度、環境風速)來確定的。根據《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》(GB50364—2005),集熱器面積計算主要有兩種算方式。

2.2.1 直接式系統集熱器面積計算

集熱器總面積可根據用戶的每日用水量和水溫確定

式中Ac——直接式集熱器的面積,m2；

Qw——用水量,m3；

Cw——水的比熱容,kJ/kg·℃；

Tend——水的初始溫度,℃；

ti——水的要求溫度,℃；

f——太陽能保證率；

JT——日輻照量,kJ/m2；

ηcd——集熱器全日集熱效率；

ηl——管路及水箱熱損失率。

2.2.2 間接式系統集熱器面積計算

式中AIN——間接式集熱器的面積,m2；

Ac——直接式集熱器的面積,m2；

FRUL——集熱器總熱損系數；

Uhx——換熱器傳熱系數；

Ahx——換熱器換熱面積,m2。

2.3 集熱器入射角修正

太陽能集熱器瞬時效率是在法向入射的條件下測得,實際工作條件一般不跟蹤,與法向有偏離,因此需要“修正”。修正應針對光熱轉化能力η0,而熱損失特性不受入射角度偏離的影響,無需修正。對集熱器入射角的修正參考集熱器瞬時效率曲線修正公式

其中，κθ為入射角修正系數。

平板不分“東西”向和“南北”向進行測試；真空管型應分“南北”向和“東西”向進行測試。真空管集熱器“東西”向入射時,甚至有可能比法向入射時效率還要高,真空管集熱器瞬時效率“南北”和“東西”向測試結果見圖5。集熱器瞬時效率是在法向入射的條件下測得的,由于集熱器一般固定安裝,所以應使用入射角修正系數對集熱器效率進行修正。

圖5 集熱器入射角修正測試

3 太陽能供熱施工技術要求

住宅建筑的太陽能供熱系統的施工需與前段的方案設計相銜接,并完成施工圖設計和施工技術要點。具體施工要求如下。

3.1 太陽能集熱器支架安裝與防腐

(1)設置在墻面的集熱器支架應與預埋在墻面上的預埋件連接牢固,必要時在預埋件處增設混凝土構造柱,并應滿足防腐要求。

(2)設置在墻面的集熱器與貯水箱相連的管線需穿過墻面時,應在墻面預埋防水套管。穿墻管線不宜設在結構柱處。

(3)太陽能集熱器支座與結構層相連時,防水層應上包到支座的上部,并在地腳螺栓周圍作密封處理。

(4)太陽能集熱器與貯水箱相連的管線需穿過屋面時,應預埋相應的穿線管,并在防水層施工前安設完畢,不應在已做好防水保溫的屋面上鑿孔打洞。

(5)涂裝前鋼材表面除銹應符合設計要求和國家現行有關標準的規定。處理后的鋼材表面不應有焊渣、焊疤、灰塵、油污等；涂料涂裝遍數、涂層厚度應符合設計要求。

3.2 太陽能貯水箱安裝

(1)貯水箱宜有排水、防水設施；貯水箱布置應符合《建筑給水排水設計規范》(GB50015)第3.7.5條2款的要求,周圍應留有安裝、檢修空間,凈空不宜小于600 mm。

(2)安裝貯水箱的設備間或安裝地點應設排水溝、地漏等排水設施并與建筑物內的排水系統連接；集熱循環水箱材質、襯里材料和內壁涂料,不得影響水質。

(3)集熱循環水箱的進出水管布置,不得產生水流短路。箱內宜有保證水溫均勻的措施。

(4)集熱循環水箱與建筑本體結構墻面或其他箱壁之間的凈距應滿足施工或裝配的需要,無管道的側面凈距不宜小于0.7 m,有管道的側面管道外壁與建筑本體墻面之間的通道不宜小于1.0 m；設有人孔的箱頂頂板面與上面建筑整體板底的凈空不應小于0.8 m；箱底與水箱間地板面凈距,有管道敷設時,不宜小于0.8 m。

3.3 電水加熱裝置的安裝及防雷

(1)系統供電應設專用回路,公共用太陽能熱水系統應設用電計量裝置。

(2)供電線路必須設有短路、過載、接地故障保護,剩余動作電流保護器的保護動作電流值不得超過30 mA；供電及控制線路應采用銅芯導線,配電線路的敷設應符合現行《低壓配電設計規范》GB50054的有關規定。

(3)太陽能熱水裝置應可靠接地；供電開關應便于操作,控制可靠。

(4)系統電路、電器的安裝設置按國家現行標準《民用建筑電氣設計規范》(JGJ/T16)中有關規定執行。

(5)太陽能熱水裝置的防雷設計應符合國家現行標準《建筑物防雷設計規范》(GB50057)的有關規定；若太陽能熱水系統不處于建筑物上避雷系統的保護中,應按照國家現行標準《建筑物防雷設計規范》(GB50057)的要求增設避雷設施。

3.4 太陽能集熱器的安裝

(1)集熱器的最佳設置方位,是朝向正南或南偏西5°；若受條件限制時,其偏差允許范圍在±15°以內。

(2)集熱器的安裝傾角,應根據熱水的使用季節和當地的地理緯度確定

Φ=φ+10°

式中Φ——太陽能集熱器安裝傾角，(°)；

φ——當地地理緯度，(°),主要城市的φ值和氣候特點可以直接查工具書。

(3)集熱器前后排間距的確定。整幢住宅建筑所需配套安裝的太陽能熱水器應全部布設在陽光充分輻照的一面。當采取一排布置面積不足時,可多排布置,但前后兩排間應留有一定間距,其間距為：一般坡屋面不小于50 cm,平屋面前排與后排太陽能熱水器的間距按下式計算確定

D≥H×cotθ

式中D——兩臺熱水器間的水平間距，m；

H——熱水器離樓面的垂直高度，m,其值根據設計時選擇的太陽能熱水器類型實際尺寸確定；

θ——太陽能熱水器傾角，(°)。

為便于維修和安裝,太陽能熱水器左右貯水箱間距不小于30 cm。為了安全,太陽能熱水器距屋檐應大于1.5 m；若平屋面上有女兒墻,太陽能熱水器距女兒墻的距離按下式計算確定

D1≥H1×cotφ

式中D1——太陽能熱水器距女兒墻的距離，m；

H1——女兒墻垂直高度，m。

(4)太陽能集熱器應具有抗凍、抗雨雪、抗冰雹的能力；同時應具有良好的密封性,不滲漏以及方便安裝、維修。

4 工程實踐

香樟里·那水岸小區地處安慶地區,屬于中低緯度陽光光照比較充足的地區,太陽能利用效率較高；同時,冬季存在無日照時間長。根據本文討論的太陽能供熱設計條件和供熱技術方案,在本工程中,我們選用了真空集熱管太陽能供熱技術,即集中式太陽能熱水器系統,并輔以電加熱及微循環泵系統。結合小區戶數和日用水量,計算出了集熱面積,確定了太陽能熱水器供熱系統的設計方案,并根據設計方案進行了施工安裝,成功地為小區用戶解決了供熱問題。

本項目集中式太陽能熱水器系統總造價為295.8萬元,折合單平米建筑面積增加造價約16.4元。在經濟效益方面與傳統的熱水器相比較,按使用壽命15年、986戶計算可產生直接經濟效益621.2萬元,戶均節約6 300元,全小區可節約用電1 250萬kW·h,減少排放13 750 t二氧化碳。太陽能供熱技術在本工程的成功使用,既為業主帶來了直接的經濟效益,又很好地保護了環境,解決了能源需求緊張的問題,具有良好的社會經濟價值。

5 結論

太陽能供熱技術的推廣應用將大大緩解我國能源供需矛盾問題,減少污染物排放,同時提高了人民的生活水平,因此該項技術具有廣泛的應用前景。本文對太陽能供熱技術的設計條件和設備選型進行了研究分析,提出了設計條件,開展了設備選型,確定了選型依據,得出了選型結論,對太陽能供熱系統設計具有一定指導和幫助；提出了太陽能供熱系統施工安裝要求,對新技術的推廣應用具有重要意義,有助于指導施工。

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