綠色生態城區太陽能光熱技術實施思路探討
——以中新天津生態城為例

李倩

（天津生態城綠色建筑研究有限公司，天津300450）

1 引言

可再生能源的規模化利用能夠減少化石原料的消耗，優化能源供給側結構，是實現綠色生態城區可持續發展、改善城市大氣環境質量的有效措施，也是綠色生態城區建設的重要內容之一。

在可再生能源利用方面，中新天津生態城具有天然優勢，生態城屬于太陽能資源較豐富區，水平面上的年平均總太陽輻照量可達為5239.94MJ/m2·a，傾斜表面上的年平均總太陽輻照量達6103.55MJ/m2·a，為太陽能在生態城中的應用提供了良好的自然資源基礎條件。

2 建筑太陽能熱水實施現狀

2.1 太陽能熱水系統存在的問題

太陽能光熱技術因其環保效益好、安全性能高、經濟效益好等優勢，成為目前建設項目應用最為廣泛的可再生能源技術之一。但調研發現，太陽能熱水系統實際使用效果和設計預期有明顯差異，運行效果很不理想，主要體現在以下幾個方面。①業主需求：部分業主對于分散式系統的售后服務較為不滿；頂層住戶較多反映噪音及漏水問題；集中式系統的業主認為水溫不足、水量不夠。②系統自身問題：屋面突出構筑物對集熱設備進行遮擋；屋頂無機房的露天系統易出現水泵、管路損壞現象；屋頂設備極易出現噪音等問題。

本文以集中-分散式太陽能熱水系統為例，采用精細化設計手段從設計源頭提出解決方案，為綠色生態城區更好地推廣太陽能光熱技術提供技術支撐。

2.2 太陽能熱水系統精細化設計方法

太陽能光熱技術作為較成熟的一項技術，在實施過程中仍出現諸多問題，這反映出當前我國在大范圍推廣應用太陽能光熱技術的同時，忽略了對其進行專業化的設計、施工、驗收及運行，導致太陽能熱水的使用效果大打折扣。本文以業主需求為出發點，從精細化設計角度解決業主訴求較多的噪聲和供水溫度較低的問題。

2.2.1 降低噪聲干擾

集中-分散式太陽能熱水系統是目前太陽能設計中采用較多的一種形式，該系統為避免熱量傳輸損失，太陽能設備機房一般靠近集熱熱源，設置在屋面。當系統運行時，水泵震動會通過樓板向下傳導，會對頂層業主產生噪聲干擾。

據調研發現，目前太陽能相關規范標準未對太陽能設備機房有明確設計要求，更多地被當成一種產品出現在設計圖紙中，同樣作為建筑熱水供應系統，要明確太陽能設備機房的設計要求，并且結合系統特點提出降噪措施。

①太陽能設備機房不應毗鄰居住用房或在其上層或下層；水泵機組與基礎設置減振裝置，基礎自身采取減振措施；管道支架、吊架和管道穿墻、樓板處，采取防止固體傳聲的措施。

②設備機組模塊化設計，即將太陽能熱水系統的相關設備，包含水泵、管路、換熱器、儀器儀表及閥門等集成于一體，形成一體化模塊化機組，可大大縮小設備機房的占用面積，提高系統運行效率，降低設備運行噪聲。

2.2.2 優化系統溫升

供水溫度不足也是太陽能熱水系統中常出現的問題，影響因素較為復雜，如集熱器遮擋嚴重、集熱器控制不合理、系統傳輸熱損失較大等[1]，本文重點分析設計過程中容易忽略的一些問題。

①避免無效集熱面積。調研發現，項目現場會出現集熱器被遮擋或自遮擋現象，必然會引起無效集熱。為解決該問題，太陽能熱水設計需與建筑方案設計以及施工圖設計同步，實現太陽能熱水系統與建筑一體化設計，即在建筑規劃布局階段就要考慮太陽能熱水系統的設計方案，并借助日照模擬的手段，按照GB 50364—2018《民用建筑太陽能熱水系統應用技術標準》的要求布置集熱器。在建筑設計時，屋面形式盡量簡約，可避免建筑造型對集熱器產生遮擋。

②系統精準設計，指導系統運行。目前，太陽能相關規范標準對太陽能熱水的計算均為“年平均”概念，即氣象參數為“年平均日太陽輻照量”，依據單一氣象參數進行系統核算，計算過程粗糙，對系統后期運行無法給予指導。

本文利用計算機模擬工具對太陽能集熱器進行日照模擬分析，可得出該地區逐月太陽輻照量的變化情況，由此可確定系統適宜的運行策略。由圖1可知，當系統全年運行時，建議集熱器安裝傾角大于30°，利于冬季系統得熱；當系統季節運行時，建議集熱器傾角小于30°，在夏季太陽高度角較高時利于系統得熱。

圖1 天津地區不同傾角下單位集熱面積的逐月太陽輻照量MJ/m2

以某品牌平板型集熱器為例，分析不同輻照量下的集熱器效率，基于總面積和集熱器進口溫度的瞬時效率曲線如公式（1）所示。

經計算，該品牌集熱器在3～10月份期間，集熱器的安裝傾角對于月均集熱效率的影響不大，且均處于較高水平；冬季期間，隨著集熱器安裝傾角的減小，集熱器月平均集熱效率衰減較快。從全年數據來看，集熱器安裝傾角在20°～40°時，冬季集熱器效率處于相對較高水平，系統全年運行時可以此為參照進行設計。

基于以上分析，設計師可分析太陽能熱水系統在不同月份的使用效果，進而確定整套太陽能熱水系統的運行策略，并為系統后期運行提供技術指導。

3 可再生能源管理提升

生態城可再生能源已大規模實施，在可再生能源管理方面應大力加強，目前建立了生態城綠色建筑運維管理平臺，可對項目級可再生能源的運行情況進行分項管控，進而形成城區級可再生能源管理平臺，為綠色生態城區的可再生能源管理提供數據及技術支撐。

針對目前太陽能熱水出現的問題，建立項目級5G 無人值守智慧機房，太陽能系統數據通過5G 傳輸對接項目樓宇運行監控平臺，樓宇運行監控平臺實現對數據的展示、儲存、分析、上傳，同時，運行人員可通過監控數據對系統實現自查，將問題反饋于生態城綠色建筑運維管理平臺，平臺進行數據及運行情況匯總，并反饋到系統維修及管理部門，實現太陽能系統的智慧運維。

4 結論

綠色生態城區的可持續發展，需要切實地落實各項綠色技術。本文對太陽能光熱技術實施進行了闡述，太陽能熱水系統以滿足業主需求為出發點，采用精細化設計方法從設計源頭優化系統設計。可再生能源利用方面，進一步優化能源結構，最大化地開發利用建筑蘊含的可再生能源資源，須提高能源利用效率，降低傳統能源消耗，最終實現建筑和城區的綠色生態發展。