太陽能光熱一體化在聯(lián)想園區(qū)B座綜合辦公樓中的應(yīng)用

中建三局集團(tuán)有限公司 北京 100097

隨著全球范圍內(nèi)的能源供應(yīng)緊缺，以太陽能、地?zé)崮艿葹榇淼目稍偕茉丛絹碓绞艿饺藗兊年P(guān)注。太陽能光熱建筑一體化已經(jīng)逐步開始在建筑工程中實(shí)踐應(yīng)用，但其主要實(shí)踐對(duì)象是住宅建筑，對(duì)公共建筑關(guān)注較少，特別是對(duì)數(shù)量大、能耗高的辦公建筑而言，研究實(shí)踐極少。而公共建筑卻有著綜合利用太陽能的先天優(yōu)勢(shì)：屋面空間大、能源設(shè)備投入基數(shù)較大、設(shè)備整體智能控制協(xié)調(diào)較容易、節(jié)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(tǒng)在公共建筑中的推廣應(yīng)用對(duì)于推動(dòng)建筑節(jié)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(lián)想園區(qū)B座綜合辦公樓位于北京市海淀區(qū)，是聯(lián)想控股下聯(lián)想園區(qū)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(huì)議室及各類機(jī)房于一體的高端商務(wù)寫字樓（圖1）。

圖1 項(xiàng)目效果圖

1.2 太陽能熱水系統(tǒng)工程概況

本工程太陽能熱水系統(tǒng)提供9～18層公共衛(wèi)生間洗手盆熱水，每層設(shè)計(jì)8個(gè)洗手盆，共計(jì)80個(gè)，全年白天用水。集熱器及熱水機(jī)房設(shè)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(shè)計(jì)熱水溫度50℃，太陽能保證率60%，在太陽能熱水系統(tǒng)不能保證的時(shí)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(tǒng)

2 太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

太陽能熱水系統(tǒng)利用位于主樓屋面的太陽能集熱器陣列將真空集熱管內(nèi)的乙二醇加熱，通過集熱器循環(huán)泵、換熱循環(huán)泵使得加熱后的乙二醇與太陽能水箱中的水進(jìn)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(huán)泵的共同作用下，太陽能生活水箱中的水即可實(shí)現(xiàn)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(tǒng)原理示意

2.2 熱管真空管太陽能集熱器的采光面積計(jì)算

根據(jù)GB/T 18713—2002《太陽熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及工程驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》，系統(tǒng)太陽集熱器的采光面積可以按如下公式計(jì)算[3-4]：

式中：Ac——系統(tǒng)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(nèi)水的設(shè)計(jì)溫度，本工程取50℃；

ti——水的初始溫度，本工程取10℃；

JT——當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗柲茌椪樟浚本┑貐^(qū)取17 217 kJ/m2；

f——太陽能保證率，北京地區(qū)取60%；

ηcd——基于采光面積的集熱器年平均集熱效率，根據(jù)廠家產(chǎn)品檢測(cè)報(bào)告取68%；

ηL——系統(tǒng)損失，取10%。

經(jīng)代入數(shù)據(jù)計(jì)算Ac=238 m2。根據(jù)廠家集熱器型號(hào)，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(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，安裝56組集熱器，分4行14列進(jìn)行布置，實(shí)際集熱器采光面積Ac=241.36 m2。

3 太陽能熱水系統(tǒng)智能控制

太陽能熱水系統(tǒng)的智能控制是其正常運(yùn)行的關(guān)鍵。本工程太陽能熱水系統(tǒng)采用智能化全自動(dòng)控制，在安裝調(diào)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(dá)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(dòng)/自動(dòng)操作切換；具有水位、水溫顯示及設(shè)置；自動(dòng)上水、手動(dòng)加熱、恒溫控制、防干燒、防凍、漏電保護(hù)等多重保護(hù)性能。采用溫差循環(huán)控制，在集熱器熱水出口處設(shè)溫度傳感器T1，在水箱出水口處設(shè)溫度傳感器T2，在熱水回水管道設(shè)溫度傳感器T3，在太陽能水箱內(nèi)設(shè)置水位測(cè)量?jī)x，控制柜通過對(duì)溫度和水量等數(shù)據(jù)的采集分析實(shí)現(xiàn)智能控制。

1）溫差循環(huán)系統(tǒng)：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(dāng)T1-T2＞啟動(dòng)設(shè)定值時(shí)，控制器發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)太陽能循環(huán)泵及水箱換熱泵，系統(tǒng)開始循環(huán)，不斷地將集熱器產(chǎn)生的熱量通過板式換熱器置換到太陽能水箱。這是一個(gè)反復(fù)循環(huán)的過程，隨著水箱內(nèi)熱水溫度不斷提高，T1與T2之間溫差越來越小，直至T1-T2＜關(guān)閉設(shè)定值時(shí)，控制器發(fā)出控制信號(hào)，關(guān)閉太陽能循環(huán)水泵。本系統(tǒng)溫差循環(huán)啟動(dòng)設(shè)定值默認(rèn)為6 K，可調(diào)范圍為5～10 K，通過定時(shí)上水鍵來調(diào)節(jié)；溫差循環(huán)關(guān)閉設(shè)定值默認(rèn)為2 K，可調(diào)范圍1～5 K，通過設(shè)置鍵來調(diào)節(jié)。

2）補(bǔ)水系統(tǒng)：采用低水位補(bǔ)水和定溫補(bǔ)水相結(jié)合的方式進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)水。

（1）低水位補(bǔ)水：在用水過程中，水箱中水位使用到下限時(shí)，水位傳感器自動(dòng)開啟電磁閥進(jìn)行補(bǔ)水，直到水箱水位達(dá)到水位設(shè)定上限值，關(guān)閉電磁閥。

（2）定溫補(bǔ)水：在太陽能加熱過程中，系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)加熱，水箱中的水經(jīng)太陽能集熱器不斷加熱，溫度會(huì)不斷提升。當(dāng)水箱中水溫超過設(shè)定溫度50℃時(shí)，控制器開啟電磁閥對(duì)水箱進(jìn)行補(bǔ)水，補(bǔ)入水箱的是冷水，經(jīng)水箱中冷熱混水，水溫下降。直到水溫降到設(shè)定下限時(shí)，控制器關(guān)閉電磁閥停止上水，繼續(xù)循環(huán)加熱。此時(shí)若水箱處于滿水位，則關(guān)閉補(bǔ)水電磁閥。

3）輔助電加熱系統(tǒng)：在長(zhǎng)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(shí)，熱水系統(tǒng)就不能正常使用。為了保證熱水能夠定時(shí)定量地提供，本系統(tǒng)采用電輔熱，作為太陽能的輔助熱源。在用水時(shí)間段，當(dāng)水箱內(nèi)的溫度T2≤45℃時(shí)，啟動(dòng)電輔助加熱器，對(duì)水箱進(jìn)行二次加熱；當(dāng)水箱內(nèi)的溫度T2≥50℃時(shí)，關(guān)閉電輔助加熱器（可設(shè)置）。

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

5）供水：本系統(tǒng)采用變頻供水控制，變頻控制柜根據(jù)管道壓力變化，控制供水泵啟動(dòng)或關(guān)閉。當(dāng)管道壓力低于設(shè)定值時(shí)（可設(shè)為0.20 MPa），啟動(dòng)供水泵；當(dāng)管道壓力高于設(shè)定值時(shí)（可設(shè)為0.40 MPa），關(guān)閉供水泵。

6）即開即熱：當(dāng)管道回水溫度T3低于設(shè)定溫度時(shí)（可設(shè)定為45℃），開啟回水泵，將管路內(nèi)的低溫?zé)崴蛉胨洌藭r(shí)，供水泵自動(dòng)打開，將水箱內(nèi)的高溫水頂入供水循環(huán)管道內(nèi)。當(dāng)管道回水溫度T3高于設(shè)定溫度時(shí)（可設(shè)定為52℃），關(guān)閉回水泵。

7）過熱保護(hù)：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(shí)用水量很少，整箱水還會(huì)通過強(qiáng)制循環(huán)加熱持續(xù)升溫，考慮水箱的安全使用和用水不至于過熱等因素，我們?cè)O(shè)定水箱高溫保護(hù)。即當(dāng)貯水箱中的溫度T2＞設(shè)定溫度時(shí)（可設(shè)置為70℃），微電腦控制器停止循環(huán)加熱，使太陽能系統(tǒng)不再實(shí)行溫差循環(huán)集熱。當(dāng)水箱中水溫＜55℃時(shí)，溫差循環(huán)重新啟動(dòng)運(yùn)行。

8）報(bào)警：當(dāng)水箱水位低于保護(hù)水位，停止循環(huán)泵，控制柜報(bào)警；當(dāng)水箱水溫高于80℃時(shí)，控制柜報(bào)警[5-7]。

4 太陽能熱水系統(tǒng)施工

施工流程：集熱器和管道等設(shè)備基礎(chǔ)施工（含埋件預(yù)埋）→屋面集熱器安裝→水箱及相應(yīng)管路安裝→水泵安裝→管道系統(tǒng)壓力試驗(yàn)→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(tǒng)調(diào)試→添加防凍液→系統(tǒng)驗(yàn)收。

熱管真空管太陽能集熱器空曬時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)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(tǒng)管道安裝完畢、通水試驗(yàn)合格后才可進(jìn)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(diào)整防塵帽，防止灰塵進(jìn)入集熱器。已安裝并驗(yàn)收合格的太陽能熱水系統(tǒng)在投入正常使用前需將集熱管進(jìn)行遮蓋。

5 太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用效益分析

太陽能熱水系統(tǒng)在建筑一體化領(lǐng)域中應(yīng)用節(jié)能效果非常明顯，據(jù)文獻(xiàn)分析，北京地區(qū)1.5×105m2住宅小區(qū)，安裝集熱器面積3 939.75 m2，日太陽能供應(yīng)生活熱水量270 t，該太陽能熱水系統(tǒng)全年節(jié)能可達(dá)9.90×106MJ（相當(dāng)于2.75×106kW·h電量），在15 a的壽命期內(nèi)，其總節(jié)約能量為1.49×108MJ（相當(dāng)于4.13×107kW·h電量）。

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

根據(jù)《北京市太陽能熱水系統(tǒng)項(xiàng)目補(bǔ)助資金管理暫行辦法》對(duì)于符合條件的兩限房、普通商品房、公共建筑及工業(yè)企業(yè)安裝使用太陽能熱水系統(tǒng)，按實(shí)際安裝集熱器面積給予200元/m2的市政府固定資產(chǎn)投資資金補(bǔ)助。本工程太陽能熱水系統(tǒng)可申請(qǐng)政府補(bǔ)貼金額為4.83萬元人民幣，對(duì)于降低太陽能熱水系統(tǒng)的使用成本有一定的幫助[8-10]。

6 結(jié)語

屋面是城市建筑中太陽能有效利用的最佳場(chǎng)所，屋面太陽能生活熱水系統(tǒng)不僅可提供人們?nèi)粘Ｉ钏璧臒崴瑫r(shí)也可減少太陽光對(duì)屋面的直射，為室內(nèi)提供更加良好的環(huán)境，相對(duì)于使用化石燃料，利用太陽能綠色環(huán)保、節(jié)能減排效果顯著。與此同時(shí)，太陽能熱水系統(tǒng)受天氣影響較大，并無可觀的經(jīng)濟(jì)效益，雖政府目前已有針對(duì)性的補(bǔ)貼政策出臺(tái)，但補(bǔ)貼力度還需進(jìn)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(yīng)用屋面太陽能熱水系統(tǒng)的參考，從而更好地促進(jìn)建筑節(jié)能的發(fā)展。