綠色生態(tài)城區(qū)太陽能光熱技術(shù)實(shí)施思路探討
——以中新天津生態(tài)城為例

李倩

（天津生態(tài)城綠色建筑研究有限公司，天津300450）

1 引言

可再生能源的規(guī)模化利用能夠減少化石原料的消耗，優(yōu)化能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)綠色生態(tài)城區(qū)可持續(xù)發(fā)展、改善城市大氣環(huán)境質(zhì)量的有效措施，也是綠色生態(tài)城區(qū)建設(shè)的重要內(nèi)容之一。

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

2 建筑太陽能熱水實(shí)施現(xiàn)狀

2.1 太陽能熱水系統(tǒng)存在的問題

太陽能光熱技術(shù)因其環(huán)保效益好、安全性能高、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)勢(shì)，成為目前建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)用最為廣泛的可再生能源技術(shù)之一。但調(diào)研發(fā)現(xiàn)，太陽能熱水系統(tǒng)實(shí)際使用效果和設(shè)計(jì)預(yù)期有明顯差異，運(yùn)行效果很不理想，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。①業(yè)主需求：部分業(yè)主對(duì)于分散式系統(tǒng)的售后服務(wù)較為不滿；頂層住戶較多反映噪音及漏水問題；集中式系統(tǒng)的業(yè)主認(rèn)為水溫不足、水量不夠。②系統(tǒng)自身問題：屋面突出構(gòu)筑物對(duì)集熱設(shè)備進(jìn)行遮擋；屋頂無機(jī)房的露天系統(tǒng)易出現(xiàn)水泵、管路損壞現(xiàn)象；屋頂設(shè)備極易出現(xiàn)噪音等問題。

本文以集中-分散式太陽能熱水系統(tǒng)為例，采用精細(xì)化設(shè)計(jì)手段從設(shè)計(jì)源頭提出解決方案，為綠色生態(tài)城區(qū)更好地推廣太陽能光熱技術(shù)提供技術(shù)支撐。

2.2 太陽能熱水系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計(jì)方法

太陽能光熱技術(shù)作為較成熟的一項(xiàng)技術(shù)，在實(shí)施過程中仍出現(xiàn)諸多問題，這反映出當(dāng)前我國在大范圍推廣應(yīng)用太陽能光熱技術(shù)的同時(shí)，忽略了對(duì)其進(jìn)行專業(yè)化的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收及運(yùn)行，導(dǎo)致太陽能熱水的使用效果大打折扣。本文以業(yè)主需求為出發(fā)點(diǎn)，從精細(xì)化設(shè)計(jì)角度解決業(yè)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(tǒng)是目前太陽能設(shè)計(jì)中采用較多的一種形式，該系統(tǒng)為避免熱量傳輸損失，太陽能設(shè)備機(jī)房一般靠近集熱熱源，設(shè)置在屋面。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，水泵震動(dòng)會(huì)通過樓板向下傳導(dǎo)，會(huì)對(duì)頂層業(yè)主產(chǎn)生噪聲干擾。

據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前太陽能相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)太陽能設(shè)備機(jī)房有明確設(shè)計(jì)要求，更多地被當(dāng)成一種產(chǎn)品出現(xiàn)在設(shè)計(jì)圖紙中，同樣作為建筑熱水供應(yīng)系統(tǒng)，要明確太陽能設(shè)備機(jī)房的設(shè)計(jì)要求，并且結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)提出降噪措施。

①太陽能設(shè)備機(jī)房不應(yīng)毗鄰居住用房或在其上層或下層；水泵機(jī)組與基礎(chǔ)設(shè)置減振裝置，基礎(chǔ)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(shè)備機(jī)組模塊化設(shè)計(jì)，即將太陽能熱水系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)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(jī)組，可大大縮小設(shè)備機(jī)房的占用面積，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低設(shè)備運(yùn)行噪聲。

2.2.2 優(yōu)化系統(tǒng)溫升

供水溫度不足也是太陽能熱水系統(tǒng)中常出現(xiàn)的問題，影響因素較為復(fù)雜，如集熱器遮擋嚴(yán)重、集熱器控制不合理、系統(tǒng)傳輸熱損失較大等[1]，本文重點(diǎn)分析設(shè)計(jì)過程中容易忽略的一些問題。

①避免無效集熱面積。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)集熱器被遮擋或自遮擋現(xiàn)象，必然會(huì)引起無效集熱。為解決該問題，太陽能熱水設(shè)計(jì)需與建筑方案設(shè)計(jì)以及施工圖設(shè)計(jì)同步，實(shí)現(xiàn)太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化設(shè)計(jì)，即在建筑規(guī)劃布局階段就要考慮太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(tǒng)應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求布置集熱器。在建筑設(shè)計(jì)時(shí)，屋面形式盡量簡約，可避免建筑造型對(duì)集熱器產(chǎn)生遮擋。

②系統(tǒng)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行。目前，太陽能相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)太陽能熱水的計(jì)算均為“年平均”概念，即氣象參數(shù)為“年平均日太陽輻照量”，依據(jù)單一氣象參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)核算，計(jì)算過程粗糙，對(duì)系統(tǒng)后期運(yùn)行無法給予指導(dǎo)。

本文利用計(jì)算機(jī)模擬工具對(duì)太陽能集熱器進(jìn)行日照模擬分析，可得出該地區(qū)逐月太陽輻照量的變化情況，由此可確定系統(tǒng)適宜的運(yùn)行策略。由圖1可知，當(dāng)系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)，建議集熱器安裝傾角大于30°，利于冬季系統(tǒng)得熱；當(dāng)系統(tǒng)季節(jié)運(yùn)行時(shí)，建議集熱器傾角小于30°，在夏季太陽高度角較高時(shí)利于系統(tǒng)得熱。

圖1 天津地區(qū)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(jìn)口溫度的瞬時(shí)效率曲線如公式（1）所示。

經(jīng)計(jì)算，該品牌集熱器在3～10月份期間，集熱器的安裝傾角對(duì)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(shù)據(jù)來看，集熱器安裝傾角在20°～40°時(shí)，冬季集熱器效率處于相對(duì)較高水平，系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)可以此為參照進(jìn)行設(shè)計(jì)。

基于以上分析，設(shè)計(jì)師可分析太陽能熱水系統(tǒng)在不同月份的使用效果，進(jìn)而確定整套太陽能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行策略，并為系統(tǒng)后期運(yùn)行提供技術(shù)指導(dǎo)。

3 可再生能源管理提升

生態(tài)城可再生能源已大規(guī)模實(shí)施，在可再生能源管理方面應(yīng)大力加強(qiáng)，目前建立了生態(tài)城綠色建筑運(yùn)維管理平臺(tái)，可對(duì)項(xiàng)目級(jí)可再生能源的運(yùn)行情況進(jìn)行分項(xiàng)管控，進(jìn)而形成城區(qū)級(jí)可再生能源管理平臺(tái)，為綠色生態(tài)城區(qū)的可再生能源管理提供數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐。

針對(duì)目前太陽能熱水出現(xiàn)的問題，建立項(xiàng)目級(jí)5G 無人值守智慧機(jī)房，太陽能系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過5G 傳輸對(duì)接項(xiàng)目樓宇運(yùn)行監(jiān)控平臺(tái)，樓宇運(yùn)行監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的展示、儲(chǔ)存、分析、上傳，同時(shí)，運(yùn)行人員可通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自查，將問題反饋于生態(tài)城綠色建筑運(yùn)維管理平臺(tái)，平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)及運(yùn)行情況匯總，并反饋到系統(tǒng)維修及管理部門，實(shí)現(xiàn)太陽能系統(tǒng)的智慧運(yùn)維。

4 結(jié)論

綠色生態(tài)城區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，需要切實(shí)地落實(shí)各項(xiàng)綠色技術(shù)。本文對(duì)太陽能光熱技術(shù)實(shí)施進(jìn)行了闡述，太陽能熱水系統(tǒng)以滿足業(yè)主需求為出發(fā)點(diǎn)，采用精細(xì)化設(shè)計(jì)方法從設(shè)計(jì)源頭優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。可再生能源利用方面，進(jìn)一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，最大化地開發(fā)利用建筑蘊(yùn)含的可再生能源資源，須提高能源利用效率，降低傳統(tǒng)能源消耗，最終實(shí)現(xiàn)建筑和城區(qū)的綠色生態(tài)發(fā)展。