太陽能地暖在綠色校園建筑中的應用及節能分析

摘要：指出了建筑能耗占總能耗的比例越來越大，而太陽能等可再生能源的利用不僅可緩解能源的消耗速度，且清潔環保，太陽能地暖作為太陽能采暖系統最佳的方式，具有舒適、健康、不占用空間、節能、環保等優點。以徐州地區某高校學生宿舍樓為例，利用Dest能耗模擬軟件分析了其冬季采暖能耗，在此基礎上計算得出了太陽能地暖系統的熱水量、集熱面積、節能量以及經濟性等。

關鍵詞：太陽能地暖；綠色校園；節能

中圖分類號：G717

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）24-0121-03

1 引言

隨著建筑業的發展，建筑能耗占總能耗的比例越來越大，能源的消耗與能源的有限性之間的矛盾越來越突出。可再生能源的利用是解決這一矛盾的有效措施。太陽能指太陽的熱輻射能，作為一種清潔的可再生能源，具有普遍性、方便性，被廣泛應用于生產、生活中，如太陽能熱水系統、太陽能光伏發電系統、太陽能采暖系統等[1]。

低溫熱水地板輻射供暖，簡稱地暖，由于其熱媒溫度要求較低，一般不高于60℃，因此太陽能地暖是太陽能采暖系統最佳的方式，由太陽能集熱器、水泵、地面盤管等組成。太陽能地暖除擁有地暖舒適、健康、不占用空間等優點外，更兼具太陽能利用中清潔、節能、環保的優點。因此，在太陽能輻照條件允許的條件下，盡可能地采用太陽能作為熱源，是一種非常節能環保地供暖方式。

高校建筑，特別是最具高校代表性的學生宿舍樓，由于是廣大學生生活起居的場所，人口密度相對較大，因此其用熱量大，且用熱較集中，利用太陽能作為主要熱源，節能效果非常顯著。本文以徐州地區某高校某學生宿舍樓為例，利用Dest能耗模擬軟件分析了其冬季采暖能耗。在此基礎上分析太陽能地暖系統的熱水量、集熱面積、節能量以及經濟性等。

2 建筑概況

2.1 建筑簡介

以徐州市某高校學生宿舍樓為例，該建筑地上4層，層高3.6 m，建筑總高度14.4 m。建筑平面圖如圖1所示，其他概況參數如下：

建筑朝向：南；

建筑結構類型：磚混結構；

體形系數：0.21；

節能計算建筑面積：3849 m2，建筑體積：13856 m3。

2.2 建筑構造與參數

2.2.1 圍護結構基本參數

模擬參考建筑的圍護結構參數詳見表1。

2.2.2 室內熱環境計算參數

依據《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）的規定，宿舍樓室內熱環境計算參數主要包含：

2.2.3 模擬參數設置

基于建筑實際狀況及用能模式，采用清華大學研發的公共建筑熱環境模擬工具包（簡稱DeST-C）能耗模擬軟件對建筑節能改造前后的不同狀況進行能耗模擬[2]。

計算選擇地點：徐州；

氣象參數選取：徐州市典型氣象年數據是采用Medpha軟件生成的全年逐時氣象數據；

空調、供暖房間室內溫度設置：冬季18 ℃、夏季為26 ℃；

室內熱擾：主要包含人員熱擾、燈光熱擾和設備熱擾3個方面；

供暖、空調時其換氣次數按0.5次/h計算；

采用間歇空調模式進行能耗模擬計算，按照實際用能模式，空調、供暖日運行時間與室內人員同步；

設定供暖期為12月1日至次年2月28日，空調日期為6月15日至9月15日。

寒暑假設定為：寒假1月15日至2月28日；暑假7月1日至8月31日。

3 DEST采暖負荷模擬

3.1 DeST建筑模型

根據前述建筑信息及參數，對所選典型建筑利用DeST進行建模，模型如圖2和圖3。

3.2 模擬結果及分析

通過DeST能耗模擬軟件進行模擬，得到宿舍樓冬季采暖熱負荷為253 kW，采暖熱指標為：65.7 W/m2。年累計熱負荷為23810 kW·h。

按照地暖設計供回水溫度為50/40 ℃，則可得本采暖系統的年熱水用量為：2047 t。日均用熱水量為：45 t。

4 太陽能地暖

4.1 太陽能地暖方案

本工程屋面為不上人平屋面，有利于太陽能集熱器的布置。將太陽能集熱器布置于屋面，鑒于供熱穩定性的考慮，采用雙水箱系統。太陽能生產的熱水先至太陽能貯熱水箱，再至采暖供熱水箱。在采暖供熱水箱設置電輔助加熱，以滿足太陽能熱水水溫不滿足要求時加熱熱水的需求。地暖供回水溫度設計為50/40℃，供水管道由采暖供熱水箱接至室內地暖系統，回水經采暖循環泵回至熱水儲水箱[3]。系統示意圖詳見圖4。

4.2 集熱面積計算

本文采用直接系統。集熱器總面積計算如下[4]：

計算結果詳見表2。

5 節能及經濟性分析

該宿舍樓地暖系統以太陽能熱水系統作為其主要熱水供應方式，輔助加熱為電加熱，電費為0.5483元/kW·h。考慮管路和水箱的熱損失率為20%，電的熱效率按95%計算。經計算可得，太陽能地暖系統年節能量為393799MJ，年節電量為115146 kW·h，折合年節省電費6.31萬元。詳見表3。

6 結語

可再生能源的利用可以緩解能源與需求之間日益增長的矛盾。太陽能地暖除擁有地暖舒適、健康、不占用空間等優點外，更兼具太陽能利用中清潔、節能、環保的優點，是一種非常節能環保的供暖方式。從文中分析可得，作為高校建筑中最具代表性的學生宿舍樓，利用太陽能作為主要熱源，節能效果非常顯著。因此，在太陽能輻照條件允許的條件下，應盡可能地采用太陽能作為熱源。

參考文獻：

[1]宋 健，綠色建筑可再生能源利用量化評價模型與實例應用研究[D].天津：天津大學，2013.

[2]張麗娟、田國華，寒冷地區既有居住建筑圍護結構熱工性能改造對建筑能耗的影響[J].江蘇建筑，2016（4）：113～116.

[3]王賢君，太陽能熱水系統在建筑全壽命期的綜合效益評價研究[D].西安：西安建筑科技大學，2013.

[4]張麗娜， 張義智，等.太陽能熱水系統的節能效益分析[J].能源技術，2007（4）：232～236.