太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在中高層綠色建筑中的應(yīng)用

范偉鋒，余國(guó)保（.珠海興業(yè)新能源科技有限公司，廣東 珠海 400；.珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司，廣東 珠海 400）

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目背景

自 2008 年我國(guó)開(kāi)展“綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)”工作以來(lái)，我國(guó)綠色建筑得到了較為快速的發(fā)展。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)作為市場(chǎng)上推廣時(shí)間最早、技術(shù)成熟度最高的綠色建筑節(jié)能技術(shù)，受到使用者的青睞。該項(xiàng)技術(shù)能夠節(jié)約電能、減少資源消耗，節(jié)約用戶(hù)開(kāi)支，同時(shí)兼顧環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，各種形式的熱水系統(tǒng)能夠有很好的地域適應(yīng)性，是建設(shè)綠色建筑和生態(tài)城市的重要手段。但太陽(yáng)能熱水在建筑上的應(yīng)用也存在一些弊端，譬如：① 集熱器及設(shè)備的安裝和建筑物整體規(guī)劃布局之間的矛盾；② 高層建筑中的光熱利用問(wèn)題，尤其是集熱器安裝的安全問(wèn)題，包括結(jié)構(gòu)安全核算和破碎物跌落問(wèn)題；③ 包括太陽(yáng)能熱水施工在內(nèi)的綠色施工有序組織問(wèn)題。

特別是對(duì)于中高層建筑，在熱水需求量較大、安裝空間不足的前提下，如何破解上述矛盾，需要對(duì)太陽(yáng)能熱水工程的設(shè)計(jì)進(jìn)行因地制宜的整體策劃。本項(xiàng)目中安全、有效而且美觀地采用了屋頂、立面和陽(yáng)臺(tái)等多種形式的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，最大程度地利用了太陽(yáng)能熱水資源。可為中高層綠色建筑中太陽(yáng)能熱水的利用提供有益的經(jīng)驗(yàn)參考。

1.2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

珠海保障性住房太陽(yáng)能光熱項(xiàng)目位于珠海市，年平均氣溫 22.3 ℃，最低氣溫 2.5 ℃。緯度傾角平面上年平均太陽(yáng)輻射量為 4 651.56 MJ/m2，年均日照時(shí)數(shù)為 1 991.8 h，是廣東省南亞熱帶地區(qū)熱量最豐富的地區(qū)之一。屬于日照時(shí)數(shù) ＞1 400 h/a，且年太陽(yáng)輻射量 ＞4 200 MJ/m2及年極端最低氣溫 ≥-4.5 ℃ 的地區(qū)，故項(xiàng)目?jī)?yōu)先采用太陽(yáng)能作為熱水供應(yīng)熱源。項(xiàng)目共 3 棟樓，其中 2 棟 28 層；1 棟 27 層，每層 10 戶(hù)，均為高層住宅建筑；每層單人房 2 間，一房一廳 4 間，兩房一廳 3 間，三房一廳 1 間；根據(jù)甲方的實(shí)際需求以及 GB 50015—2003《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50555—2010《民用建筑節(jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范要求。經(jīng)計(jì)算，主要用水量和配置如表 1 所示。

表1 用水量和集熱器面積

珠海保障房同樣為高層住宅建筑，借鑒以往成功的經(jīng)驗(yàn)，采用集中-分散供熱系統(tǒng)的應(yīng)用形式。

運(yùn)行原理：設(shè)計(jì)為全天候熱水供應(yīng)系統(tǒng)，晴天，冷水進(jìn)入集熱器，吸收了熱量，集熱器內(nèi)的冷水逐漸升溫，經(jīng)過(guò)熱媒供水管，流至分戶(hù)承壓水箱的換熱盤(pán)管，換熱盤(pán)管吸收熱媒中的熱量后，將水箱內(nèi)的水加熱；同時(shí)，熱媒管內(nèi)的熱水通過(guò)熱水循環(huán)泵抽回至太陽(yáng)能集熱器內(nèi)加熱，如此不斷循環(huán)，最終使分戶(hù)承壓水箱內(nèi)的水溫達(dá)到 40～50℃。分戶(hù)承壓水箱內(nèi)儲(chǔ)存該住戶(hù)一天的熱水用水量。

陰雨天時(shí)，太陽(yáng)能無(wú)法加熱或者只能將分戶(hù)承壓水箱內(nèi)的水升溫 2～3 K，因此，需要考慮輔助加熱裝置。本工程分戶(hù)承壓小水箱自帶電加熱系統(tǒng)，太陽(yáng)能為主，電加熱為輔。太陽(yáng)能采用溫差自動(dòng)控制，電加熱定時(shí)定溫啟動(dòng)。可有效保證用戶(hù)每日的生活熱水需求。

本系統(tǒng)集熱器設(shè)置在屋面花架或鋼架上，南立面掛墻或掛陽(yáng)臺(tái)，水箱則設(shè)置在陽(yáng)臺(tái)，水箱具備缺水保護(hù)、超溫保護(hù)和接地保護(hù)功能。水箱通過(guò)換熱盤(pán)管二次進(jìn)行換熱。天氣晴好時(shí)，太陽(yáng)能循環(huán)泵啟動(dòng)，冷水在集熱器中受太陽(yáng)能輻射使溫度升高。當(dāng)集熱器熱水溫度高于保溫水箱內(nèi)的水溫且達(dá)到設(shè)定溫差（5～10 K）時(shí)，循環(huán)水泵在溫差控制器的作用下自動(dòng)啟動(dòng)，將熱水經(jīng)上循環(huán)管送到各戶(hù)全承壓戶(hù)用太陽(yáng)能換熱水箱的盤(pán)管中，與各戶(hù)儲(chǔ)熱水箱里的冷水換熱，工質(zhì)變冷再由下循環(huán)管進(jìn)入集熱器陣，繼續(xù)受太陽(yáng)能輻射加熱。如此循環(huán)使各戶(hù)承壓換熱水箱中的水溫不斷升高。

2 方案設(shè)計(jì)和技術(shù)難點(diǎn)

2.1 方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1) 集熱器安裝設(shè)計(jì)。建筑為高層建筑，高達(dá) 27～28 層，屋面面積無(wú)法滿足實(shí)際需要的集熱面積，需要集熱器掛立面以補(bǔ)充屋面面積不足，所以集熱器安裝位置分為 3 大塊：① 屋面架空安裝集熱器；② 南立面、西立面掛墻集熱器；③ 南立面陽(yáng)臺(tái)壁掛集熱器。

(2) 節(jié)水設(shè)計(jì)。方案采用集中集熱分戶(hù)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，是通過(guò)太陽(yáng)能集熱器對(duì)戶(hù)內(nèi)小水箱二次加熱，用水不與循環(huán)水接觸。用水質(zhì)量高，用水不易受到污染，避免了水的浪費(fèi)。系統(tǒng)供水采用分區(qū)供水，保證入戶(hù)端供水壓力 ≤0.2 MPa，且不低于用水設(shè)備最低工作壓力，避免超壓供水造成水的浪費(fèi)；承壓供水，冷熱水端兩側(cè)壓力一致，避免了忽冷忽熱而造成水資源浪費(fèi)，節(jié)約用水。

(3) 改善室內(nèi)外環(huán)境。鋼架架空層集熱器安裝方式和掛立面“幕墻”式集熱器安裝方式，不僅解決了集熱器安裝面積不足的問(wèn)題，而且還解決了兩大難題：一為屋面騰出了寶貴的空間，可以設(shè)計(jì)成活動(dòng)空間、種植屋面等，增加舒適度；二有利于增強(qiáng)建筑物的隔熱效果，改善室內(nèi)環(huán)境。

2.2 方案設(shè)計(jì)解決的難點(diǎn)

(1) 在本項(xiàng)目中，前期在建筑中就規(guī)劃了太陽(yáng)能光熱利用，所以在設(shè)計(jì)上考慮了結(jié)構(gòu)安全，提前預(yù)留了集熱器的安裝位置，解決了現(xiàn)有絕大部分建筑太陽(yáng)能設(shè)計(jì)安裝滯后，集熱器安裝和建筑整體布局規(guī)劃之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了光熱與建筑一體化，安裝美觀、結(jié)構(gòu)安全。

(2) 陽(yáng)臺(tái)壁掛設(shè)計(jì)安裝在凹槽內(nèi)，立面集熱器采用內(nèi)嵌式安裝，屋面集熱器采用架空鋼架安裝，并設(shè)計(jì)安裝護(hù)欄和檢修通道，太陽(yáng)能循環(huán)管道均安裝于集熱器背部，最大可能避免物件跌落造成的安全事故。

珠海位于海邊，主要受到臺(tái)風(fēng)的影響，荷載的計(jì)算是項(xiàng)目的關(guān)鍵。以屋面集熱器架空安裝為例，設(shè)計(jì)荷載取值如下：① 恒荷載：支架計(jì)算時(shí)取 0.2 kN/m2，檁條計(jì)算時(shí)取 0.2 kN/m2；② 雪荷載：0 kN/m2；③ 基本風(fēng)壓：0.68 kN/m2（珠海市 25 a 一遇風(fēng)壓）；④ 地面粗糙度為 B 類(lèi)，高度變化系數(shù)為 2.0；⑤ 本工程抗震設(shè)防烈度為 7 度，基本地震加速度值為 0.1 g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組；屋面支架為鋼支架 ＋ 槽鋼檁條光熱支撐系統(tǒng)。

通過(guò)恒荷載和風(fēng)荷載的組合用 SAP 2000 進(jìn)行擾度分析和應(yīng)力分析，均滿足要求，見(jiàn)圖 1、圖 2。

圖1 擾度校核（結(jié)構(gòu)變形圖）

圖2 應(yīng)力校核（應(yīng)力比信息圖）

集熱器玻璃、邊框和支架都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)計(jì)算，集熱器壓碼采用長(zhǎng)短雙卡碼件固定，加上內(nèi)嵌式、凹槽等特殊的安裝方式，保證安全。

(3) 在項(xiàng)目的具體實(shí)施過(guò)程中，成立施工項(xiàng)目部，制定施工組織計(jì)劃。作為總包方綠色建筑項(xiàng)目施工管理體系的一部分，在實(shí)際施工中和建筑方緊密配合，滿足綠色施工的要求。集熱器支架、鋼結(jié)構(gòu)采用工廠預(yù)制，在現(xiàn)場(chǎng)盡量采用螺栓連接，減少焊接，避免在施工中產(chǎn)生噪聲、揚(yáng)塵和光污染。合理安排集熱器安裝的順序，采用自上而下安裝，避免在安裝過(guò)程中物件的跌落，砸壞下方已經(jīng)安裝好的集熱器。

2.3 項(xiàng)目節(jié)能減排的貢獻(xiàn)

項(xiàng)目集熱面積共 2 010 m2。珠海太陽(yáng)集熱器采光表面上的年太陽(yáng)輻照量 JT為 4 651.56 MJ/m2；珠海興業(yè)新能源公司集熱器的全日集熱效率 ηcd取 60%，管路和水箱的熱損失率 ηc取 20%，F(xiàn)hx取 80%

如果按原設(shè)計(jì)屋面考慮遮擋，3 棟只能擺放 768 m2集熱器，通過(guò)架空安裝、掛立面和陽(yáng)臺(tái)壁掛增加 1 242m2集熱器，總產(chǎn)熱水量由 46 t 增加到 122 t 左右。

2.4 方案設(shè)計(jì)的局限性及展望

本項(xiàng)目對(duì)中高層綠色建筑中太陽(yáng)能熱水的利用提供了有益的經(jīng)驗(yàn)參考。項(xiàng)目通過(guò)架空、掛立面、陽(yáng)臺(tái)壁掛等方式解決了集熱器面積嚴(yán)重不足的問(wèn)題，達(dá)到了充分利用可再生能源的目的。通過(guò)一系列的技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保的要求。在中高層綠色建筑中太陽(yáng)能利用要達(dá)到良好的效果，需要滿足兩個(gè)前提：第一需要在建筑設(shè)計(jì)中同步設(shè)計(jì)太陽(yáng)能，從結(jié)構(gòu)安全、安裝位置的預(yù)留充分考慮；第二要綜合投資成本、質(zhì)量安全、綠色施工保證和使用效果，選擇合適的太陽(yáng)能應(yīng)用類(lèi)型。

現(xiàn)有傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在單體建筑中設(shè)計(jì)方案都是“從一而終”，但是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用形式各有優(yōu)缺點(diǎn)。本項(xiàng)目集中集熱分戶(hù)儲(chǔ)熱系統(tǒng)選用，取決于自身的特點(diǎn)，高層住宅建筑的集熱器安裝面積嚴(yán)重不足，才選擇了此方案。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該根據(jù)建筑的類(lèi)型選擇合適的系統(tǒng)。單體建筑中，可以單一選擇一種太陽(yáng)能利用形式，可以是其中 2 種甚至 3 種形式的組合。比如單體建筑中，不考慮保證安裝的統(tǒng)一性、美觀性和投資成本等其他因素的影響，在較高樓層，從頂層往下 10 層采用集中集熱分戶(hù)系統(tǒng)，南立面采用分戶(hù)集熱分戶(hù)儲(chǔ)熱-陽(yáng)臺(tái)壁掛系統(tǒng)；低層非南立面采用家用熱泵系統(tǒng)或者常規(guī)能源系統(tǒng)。單體建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)細(xì)化，利用形式可以多樣化。

由上可知不論采用怎樣的光熱利用形式，是單一還是組合，都是為了充分利用而非“強(qiáng)制”利用太陽(yáng)能，最終目的就是滿足使用需求，同時(shí)滿足節(jié)能環(huán)保建筑，可持續(xù)發(fā)展的要求。

開(kāi)發(fā)新的光熱利用形式，實(shí)現(xiàn)光熱與建筑一體化；發(fā)揮工匠精神優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足綠色建筑“四節(jié)一環(huán)保”要求，太陽(yáng)能光熱利用才能健康、可持續(xù)地發(fā)展。

3 綠色建筑上可選用的光熱新形式

太陽(yáng)能光熱工程從產(chǎn)生開(kāi)始，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，孕育了幾種比較成熟的光熱利用的形式：① 混凝土平（斜）屋面式；② 金屬屋面；③ 陽(yáng)臺(tái)壁掛式；④ 別墅分體式。隨著人民生活水平的日益提高，對(duì)光熱設(shè)計(jì)的要求也會(huì)相應(yīng)提高，既要滿足光熱建筑一體化要求，在綠色建筑上還要滿足“四節(jié)一環(huán)保”的要求。

下面是幾種光熱在建筑中利用的幾種新形式的實(shí)際案例，運(yùn)行情況良好：① 掛立面“幕墻”式 ；② 陽(yáng)臺(tái)欄桿式；③ 架空式。

4 結(jié) 語(yǔ)

珠海保障房太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與建筑設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，通過(guò)一系列的技術(shù)措施解決了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在中高層綠色建筑中的一些難點(diǎn)。在充分考慮工程設(shè)計(jì)安全性的前提下盡可能架空和立面安裝增加集熱面積，為中高層綠色建筑中太陽(yáng)能熱水的利用提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。闡明了太陽(yáng)能光熱在中高層綠色建筑中應(yīng)用的可行性、多樣化和可推廣性。太陽(yáng)能光熱在綠色建筑中的應(yīng)用，需要在不斷地工程實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，敢于創(chuàng)新，充分合理地利用太陽(yáng)能。