太陽能光熱一體化在聯想園區B座綜合辦公樓中的應用

中建三局集團有限公司 北京 100097

隨著全球范圍內的能源供應緊缺，以太陽能、地熱能等為代表的可再生能源越來越受到人們的關注。太陽能光熱建筑一體化已經逐步開始在建筑工程中實踐應用，但其主要實踐對象是住宅建筑，對公共建筑關注較少，特別是對數量大、能耗高的辦公建筑而言，研究實踐極少。而公共建筑卻有著綜合利用太陽能的先天優勢：屋面空間大、能源設備投入基數較大、設備整體智能控制協調較容易、節能效果顯著等。作為太陽能與建筑一體化的一種重要形式，太陽能生活熱水系統在公共建筑中的推廣應用對于推動建筑節能減排等具有較大意義[1-2]。

1 工程概況

1.1 總體概況

融科智地聯想園區B座綜合辦公樓位于北京市海淀區，是聯想控股下聯想園區的收官之作。本工程地下4層、地上18層，建筑高度80.00 m，1～3層層高5.00 m，4～17層層高4.10 m，18層層高5.50 m，總建筑面積為96 983 m2，是集餐飲、影院、購物、辦公室、會議室及各類機房于一體的高端商務寫字樓（圖1）。

圖1 項目效果圖

1.2 太陽能熱水系統工程概況

本工程太陽能熱水系統提供9～18層公共衛生間洗手盆熱水，每層設計8個洗手盆，共計80個，全年白天用水。集熱器及熱水機房設在18層屋面，集熱器采用平鋪式安裝，每組集熱器采光面積4.31 m2，由16支100 mm×2 000 mm的熱管真空管組成，共56組，即集熱器采光總面積為241.36 m2。設計熱水溫度50℃，太陽能保證率60%，在太陽能熱水系統不能保證的時間，采用電加熱作為輔助熱源，日用水量25 m3（圖2）。

圖2 主樓屋面太陽能熱水系統

2 太陽能熱水系統設計

2.1 設計原理

太陽能熱水系統利用位于主樓屋面的太陽能集熱器陣列將真空集熱管內的乙二醇加熱，通過集熱器循環泵、換熱循環泵使得加熱后的乙二醇與太陽能水箱中的水進行熱交換，將乙二醇的熱量傳遞給太陽能水箱中的水。在熱水供水泵和熱水循環泵的共同作用下，太陽能生活水箱中的水即可實現各樓層生活熱水的正常用水（圖3）。

圖3 屋面太陽能生活熱水系統原理示意

2.2 熱管真空管太陽能集熱器的采光面積計算

根據GB/T 18713—2002《太陽熱水系統設計、安裝及工程驗收技術規范》，系統太陽集熱器的采光面積可以按如下公式計算[3-4]：

式中：Ac——系統集熱器采光面積，m2；

Qw——日均用水量，本工程取25 000 kg；

Cw——水的定壓比熱容，一般取4.187 kJ/（kg·℃）；

tend——貯水箱內水的設計溫度，本工程取50℃；

ti——水的初始溫度，本工程取10℃；

JT——當地集熱器采光面上的年平均日太陽能輻照量，北京地區取17 217 kJ/m2；

f——太陽能保證率，北京地區取60%；

ηcd——基于采光面積的集熱器年平均集熱效率，根據廠家產品檢測報告取68%；

ηL——系統損失，取10%。

經代入數據計算Ac=238 m2。根據廠家集熱器型號，選用C4-SD1×16型水平熱管集熱器，每組集熱器采光面積為4.31 m2，則共需集熱器55.20組，結合現場情況，安裝56組集熱器，分4行14列進行布置，實際集熱器采光面積Ac=241.36 m2。

3 太陽能熱水系統智能控制

太陽能熱水系統的智能控制是其正常運行的關鍵。本工程太陽能熱水系統采用智能化全自動控制，在安裝調試投用后不需要人值守操作，就能夠保證水箱中存放的是達到使用要求的熱水，提供所需水量和水溫要求的熱水；可以手動/自動操作切換；具有水位、水溫顯示及設置；自動上水、手動加熱、恒溫控制、防干燒、防凍、漏電保護等多重保護性能。采用溫差循環控制，在集熱器熱水出口處設溫度傳感器T1，在水箱出水口處設溫度傳感器T2，在熱水回水管道設溫度傳感器T3，在太陽能水箱內設置水位測量儀，控制柜通過對溫度和水量等數據的采集分析實現智能控制。

1）溫差循環系統：溫度傳感器將集熱器出口溫度T1、水箱溫度T2傳遞給控制器。當T1-T2＞啟動設定值時，控制器發出控制信號，啟動太陽能循環泵及水箱換熱泵，系統開始循環，不斷地將集熱器產生的熱量通過板式換熱器置換到太陽能水箱。這是一個反復循環的過程，隨著水箱內熱水溫度不斷提高，T1與T2之間溫差越來越小，直至T1-T2＜關閉設定值時，控制器發出控制信號，關閉太陽能循環水泵。本系統溫差循環啟動設定值默認為6 K，可調范圍為5～10 K，通過定時上水鍵來調節；溫差循環關閉設定值默認為2 K，可調范圍1～5 K，通過設置鍵來調節。

2）補水系統：采用低水位補水和定溫補水相結合的方式進行自動補水。

（1）低水位補水：在用水過程中，水箱中水位使用到下限時，水位傳感器自動開啟電磁閥進行補水，直到水箱水位達到水位設定上限值，關閉電磁閥。

（2）定溫補水：在太陽能加熱過程中，系統采用強制循環加熱，水箱中的水經太陽能集熱器不斷加熱，溫度會不斷提升。當水箱中水溫超過設定溫度50℃時，控制器開啟電磁閥對水箱進行補水，補入水箱的是冷水，經水箱中冷熱混水，水溫下降。直到水溫降到設定下限時，控制器關閉電磁閥停止上水，繼續循環加熱。此時若水箱處于滿水位，則關閉補水電磁閥。

3）輔助電加熱系統：在長期陰雨天的情況下，太陽能加熱出的熱水滿足不了使用需求時，熱水系統就不能正常使用。為了保證熱水能夠定時定量地提供，本系統采用電輔熱，作為太陽能的輔助熱源。在用水時間段，當水箱內的溫度T2≤45℃時，啟動電輔助加熱器，對水箱進行二次加熱；當水箱內的溫度T2≥50℃時，關閉電輔助加熱器（可設置）。

4）管路防凍：本系統室外管道只有太陽能循環管路，管路內采用乙二醇防凍液（-25℃）作為換熱介質，北京地區冬天沒有結凍危險。管道外包厚30 mm橡塑保溫，并做鍍鋅板保護層，減少管道熱損。

5）供水：本系統采用變頻供水控制，變頻控制柜根據管道壓力變化，控制供水泵啟動或關閉。當管道壓力低于設定值時（可設為0.20 MPa），啟動供水泵；當管道壓力高于設定值時（可設為0.40 MPa），關閉供水泵。

6）即開即熱：當管道回水溫度T3低于設定溫度時（可設定為45℃），開啟回水泵，將管路內的低溫熱水打入水箱，此時，供水泵自動打開，將水箱內的高溫水頂入供水循環管道內。當管道回水溫度T3高于設定溫度時（可設定為52℃），關閉回水泵。

7）過熱保護：在天氣很好的情況下，很容易就能夠加熱出一箱熱水，若此時用水量很少，整箱水還會通過強制循環加熱持續升溫，考慮水箱的安全使用和用水不至于過熱等因素，我們設定水箱高溫保護。即當貯水箱中的溫度T2＞設定溫度時（可設置為70℃），微電腦控制器停止循環加熱，使太陽能系統不再實行溫差循環集熱。當水箱中水溫＜55℃時，溫差循環重新啟動運行。

8）報警：當水箱水位低于保護水位，停止循環泵，控制柜報警；當水箱水溫高于80℃時，控制柜報警[5-7]。

4 太陽能熱水系統施工

施工流程：集熱器和管道等設備基礎施工（含埋件預埋）→屋面集熱器安裝→水箱及相應管路安裝→水泵安裝→管道系統壓力試驗→管道沖洗→管路保溫→控制柜及電氣部分安裝→安裝集熱管→系統調試→添加防凍液→系統驗收。

熱管真空管太陽能集熱器空曬時間過長會導致管內溫度升高，超出其正常使用范圍，影響集熱管使用壽命，故需在系統管道安裝完畢、通水試驗合格后才可進行熱管真空管插管的工序。安裝過程中按照集熱器熱管排列順序安插，并用喉箍固定熱管，調整防塵帽，防止灰塵進入集熱器。已安裝并驗收合格的太陽能熱水系統在投入正常使用前需將集熱管進行遮蓋。

5 太陽能熱水系統應用效益分析

太陽能熱水系統在建筑一體化領域中應用節能效果非常明顯，據文獻分析，北京地區1.5×105m2住宅小區，安裝集熱器面積3 939.75 m2，日太陽能供應生活熱水量270 t，該太陽能熱水系統全年節能可達9.90×106MJ（相當于2.75×106kW·h電量），在15 a的壽命期內，其總節約能量為1.49×108MJ（相當于4.13×107kW·h電量）。

從本工程太陽能熱水系統的應用情況來看，其經濟效益并不樂觀，在太陽能熱水系統正常使用周期（15 a）內，總體成本將始終高于使用電熱水器系統。

根據《北京市太陽能熱水系統項目補助資金管理暫行辦法》對于符合條件的兩限房、普通商品房、公共建筑及工業企業安裝使用太陽能熱水系統，按實際安裝集熱器面積給予200元/m2的市政府固定資產投資資金補助。本工程太陽能熱水系統可申請政府補貼金額為4.83萬元人民幣，對于降低太陽能熱水系統的使用成本有一定的幫助[8-10]。

6 結語

屋面是城市建筑中太陽能有效利用的最佳場所，屋面太陽能生活熱水系統不僅可提供人們日常生活所需的熱水，同時也可減少太陽光對屋面的直射，為室內提供更加良好的環境，相對于使用化石燃料，利用太陽能綠色環保、節能減排效果顯著。與此同時，太陽能熱水系統受天氣影響較大，并無可觀的經濟效益，雖政府目前已有針對性的補貼政策出臺，但補貼力度還需進一步加大。本文介紹的太陽能光熱建筑一體化可作為公共建筑應用屋面太陽能熱水系統的參考，從而更好地促進建筑節能的發展。