段秀斌

(中國(guó)中鐵股份有限公司,北京 100039)

以節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展為理念的新能源革命正在全球興起,太陽(yáng)能是非常豐富的可再生能源,利用太陽(yáng)能供暖對(duì)于節(jié)能環(huán)保有重要的意義。目前,我國(guó)處于全面建設(shè)小康階段,在今后一段時(shí)間,將大規(guī)模開(kāi)發(fā)住宅建筑,在能源緊缺的情況下,采用太陽(yáng)能供暖具有很好的發(fā)展前景。為此,本文對(duì)綠色建筑住宅太陽(yáng)能供熱技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究,希望推廣使用太陽(yáng)能為綠色建筑提供能源,解決當(dāng)前能源匱乏的難題,同時(shí)改善人民的居住環(huán)境,提高人民的生活水平。

1 供熱設(shè)計(jì)條件確定

(1)熱水設(shè)計(jì)條件。首先應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用襁M(jìn)行實(shí)態(tài)調(diào)查分析,了解當(dāng)?shù)鼐用裆钚螒B(tài),掌握當(dāng)?shù)鼐用駸崴褂梅绞?包括熱水用量、熱水使用時(shí)間段、熱水溫度、人均熱水使用量。其次，確定建筑物住宅的使用者戶均人數(shù)、熱水需求方式；結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu),明確熱水用水點(diǎn)。最后，根據(jù)物業(yè)管理方式,選擇局部分戶式或者集中式熱水供應(yīng)系統(tǒng)。

(2)使用環(huán)境條件。了解當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、所處的太陽(yáng)輻射資源日均/年均分布方式、氣象數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度、陰雨天數(shù)等環(huán)境條件。

(3)冷水供給條件。對(duì)當(dāng)?shù)氐乃┙o系統(tǒng)(水壓、供給量)加以了解,從最不利的條件出發(fā),通過(guò)水箱的進(jìn)口冷水供給方式、出口熱水、加壓水泵功率、位置等確定冷水供給條件。

(4)輔助熱源條件。安裝建筑物用戶的經(jīng)濟(jì)條件與當(dāng)?shù)厝細(xì)怆娏Φ墓?yīng)方式、計(jì)費(fèi)方式,選用合適的電加熱或者空氣源水源熱泵。

2 供熱方案比選

2.1 集熱器選型

2.1.1 常用集熱器類型

常用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集熱器有平板型集熱器、全玻璃真空管集熱器、熱管式真空管集熱器。

(1)平板太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、固定安裝、可以采集太陽(yáng)直射輻射和散射輻射、集熱器與環(huán)境間溫差不大時(shí)熱效率較高、成本較低,如圖1所示。以銅鋁復(fù)合材料翼形管板作為吸熱板的單層蓋板平板集熱器是常見(jiàn)的單層蓋板平板集熱器,其效率方程為

ητ=0.766-6.00θ

θ=(Ti-Ta)/Gτ

其中，0.766為平板太陽(yáng)能集熱器效率截距；θ為熱損系數(shù)；Ta為環(huán)境氣溫，℃；Ti為集熱器進(jìn)口介質(zhì)溫度，℃；Gτ為太陽(yáng)輻照度，W·m-2。

圖1 典型平板太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)示意

(2)全玻璃真空管集熱器具有保溫性能好、熱效率高和抗冰雹等優(yōu)點(diǎn),但也存在著運(yùn)行不安全、密封不可靠、結(jié)垢、不承壓、集熱器壽命短等缺點(diǎn),如圖2所示。E-W真空管集熱器是常見(jiàn)的全玻璃真空管集熱器,其效率方程為

ητ=0.560-1.70θ

其中，0.560為全玻璃真空管集熱器效率截距。

圖2 全玻璃真空集熱管

(3)熱管式真空管集熱器主要由熱管、吸熱板、玻璃管等幾部分組成(圖3)。工作時(shí),太陽(yáng)光穿過(guò)玻璃管投射在吸熱板上,吸熱板吸收太陽(yáng)輻射能并將其轉(zhuǎn)換為熱能,加熱熱管內(nèi)的工質(zhì),使其汽化并將熱量傳送到熱管的頂端,加熱傳熱介質(zhì)(通常是水),同時(shí)使工質(zhì)凝結(jié),流回?zé)峁艿南露?加熱端),如此不斷循環(huán)。BTZ-2型熱管真空管集熱器是常見(jiàn)的熱管真空管集熱器,其玻璃外徑為φ100,套管透過(guò)率為0.9,吸收器吸收率為0.92,底板漫反射率為0.6,效率方程為

ητ=0.682-2.32θ

其中，0.682為熱管真空集熱器效率截距。

圖3 熱管式真空集熱管

2.1.2 集熱器選型

(1)從瞬時(shí)效率與溫差關(guān)系進(jìn)行選型。太陽(yáng)能集熱器瞬時(shí)效率指在穩(wěn)態(tài)條件下,特定時(shí)間間隔內(nèi)由傳熱工質(zhì)從一特定的集熱器面積上帶走的能量與同一時(shí)間間隔內(nèi)入射在該集熱器面積上的太陽(yáng)能之比,亦即集熱器實(shí)際獲得的有用功率與集熱器接收的太陽(yáng)輻射功率之比。瞬時(shí)效率方程是評(píng)定集熱器性能的主要依據(jù),根據(jù)以上3種集熱器的熱效率方程,在太陽(yáng)輻照度一定的情況下,熱效率與貯水溫度與環(huán)境溫度差值ΔT成反比,單層蓋板平板集熱器下降最快,其次是熱管真空管集熱器,最后是全玻璃真空管集熱器。當(dāng)θ<0.023時(shí),單層蓋板平板集熱器熱效率最高；當(dāng)0.023≤θ≤0.019 7時(shí),熱管真空管集熱器熱效率最高；當(dāng)θ>0.197時(shí),全玻璃真空管集熱器熱效率最高。見(jiàn)表1和圖4。

表1 瞬時(shí)效率與θ關(guān)系

圖4 3種集熱器瞬時(shí)效率與溫差的關(guān)系

(2)從性能角度進(jìn)行比較選型。平板式集熱器耐凍性能差,因此不宜在北方使用；全玻璃真空管式耐冷熱沖擊性、安全性、承壓能力和抗破損能力差,使用受區(qū)域限制；熱管真空管式成本略高,但均可用。3種集熱器性能見(jiàn)表2。

表2 3種形式集熱器的性能比較

綜合以上2個(gè)方面,從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能綜合考慮,平板集熱器適用于南方地區(qū),全玻璃真空管集熱器適合華北及部分西北、東北地區(qū),即冬季最低溫度高于-15 ℃的地區(qū),熱管真空管集熱器適宜于中原、華東、部分西北、東北地區(qū)。

2.2 集熱器面積確定

太陽(yáng)能熱水裝置集熱器的面積(采光面積)是根據(jù)用戶所需的熱水負(fù)荷(水溫和水量)、集熱器的效率以及使用地區(qū)的氣象資料(日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速)來(lái)確定的。根據(jù)《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB50364—2005),集熱器面積計(jì)算主要有兩種算方式。

2.2.1 直接式系統(tǒng)集熱器面積計(jì)算

集熱器總面積可根據(jù)用戶的每日用水量和水溫確定

式中Ac——直接式集熱器的面積,m2；

Qw——用水量,m3；

Cw——水的比熱容,kJ/kg·℃；

Tend——水的初始溫度,℃；

ti——水的要求溫度,℃；

f——太陽(yáng)能保證率；

JT——日輻照量,kJ/m2；

ηcd——集熱器全日集熱效率；

ηl——管路及水箱熱損失率。

2.2.2 間接式系統(tǒng)集熱器面積計(jì)算

式中AIN——間接式集熱器的面積,m2；

Ac——直接式集熱器的面積,m2；

FRUL——集熱器總熱損系數(shù)；

Uhx——換熱器傳熱系數(shù)；

Ahx——換熱器換熱面積,m2。

2.3 集熱器入射角修正

太陽(yáng)能集熱器瞬時(shí)效率是在法向入射的條件下測(cè)得,實(shí)際工作條件一般不跟蹤,與法向有偏離,因此需要“修正”。修正應(yīng)針對(duì)光熱轉(zhuǎn)化能力η0,而熱損失特性不受入射角度偏離的影響,無(wú)需修正。對(duì)集熱器入射角的修正參考集熱器瞬時(shí)效率曲線修正公式

其中，κθ為入射角修正系數(shù)。

平板不分“東西”向和“南北”向進(jìn)行測(cè)試；真空管型應(yīng)分“南北”向和“東西”向進(jìn)行測(cè)試。真空管集熱器“東西”向入射時(shí),甚至有可能比法向入射時(shí)效率還要高,真空管集熱器瞬時(shí)效率“南北”和“東西”向測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。集熱器瞬時(shí)效率是在法向入射的條件下測(cè)得的,由于集熱器一般固定安裝,所以應(yīng)使用入射角修正系數(shù)對(duì)集熱器效率進(jìn)行修正。

圖5 集熱器入射角修正測(cè)試

3 太陽(yáng)能供熱施工技術(shù)要求

住宅建筑的太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的施工需與前段的方案設(shè)計(jì)相銜接,并完成施工圖設(shè)計(jì)和施工技術(shù)要點(diǎn)。具體施工要求如下。

3.1 太陽(yáng)能集熱器支架安裝與防腐

(1)設(shè)置在墻面的集熱器支架應(yīng)與預(yù)埋在墻面上的預(yù)埋件連接牢固,必要時(shí)在預(yù)埋件處增設(shè)混凝土構(gòu)造柱,并應(yīng)滿足防腐要求。

(2)設(shè)置在墻面的集熱器與貯水箱相連的管線需穿過(guò)墻面時(shí),應(yīng)在墻面預(yù)埋防水套管。穿墻管線不宜設(shè)在結(jié)構(gòu)柱處。

(3)太陽(yáng)能集熱器支座與結(jié)構(gòu)層相連時(shí),防水層應(yīng)上包到支座的上部,并在地腳螺栓周圍作密封處理。

(4)太陽(yáng)能集熱器與貯水箱相連的管線需穿過(guò)屋面時(shí),應(yīng)預(yù)埋相應(yīng)的穿線管,并在防水層施工前安設(shè)完畢,不應(yīng)在已做好防水保溫的屋面上鑿孔打洞。

(5)涂裝前鋼材表面除銹應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求和國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。處理后的鋼材表面不應(yīng)有焊渣、焊疤、灰塵、油污等；涂料涂裝遍數(shù)、涂層厚度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 太陽(yáng)能貯水箱安裝

(1)貯水箱宜有排水、防水設(shè)施；貯水箱布置應(yīng)符合《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50015)第3.7.5條2款的要求,周圍應(yīng)留有安裝、檢修空間,凈空不宜小于600 mm。

(2)安裝貯水箱的設(shè)備間或安裝地點(diǎn)應(yīng)設(shè)排水溝、地漏等排水設(shè)施并與建筑物內(nèi)的排水系統(tǒng)連接；集熱循環(huán)水箱材質(zhì)、襯里材料和內(nèi)壁涂料,不得影響水質(zhì)。

(3)集熱循環(huán)水箱的進(jìn)出水管布置,不得產(chǎn)生水流短路。箱內(nèi)宜有保證水溫均勻的措施。

(4)集熱循環(huán)水箱與建筑本體結(jié)構(gòu)墻面或其他箱壁之間的凈距應(yīng)滿足施工或裝配的需要,無(wú)管道的側(cè)面凈距不宜小于0.7 m,有管道的側(cè)面管道外壁與建筑本體墻面之間的通道不宜小于1.0 m；設(shè)有人孔的箱頂頂板面與上面建筑整體板底的凈空不應(yīng)小于0.8 m；箱底與水箱間地板面凈距,有管道敷設(shè)時(shí),不宜小于0.8 m。

3.3 電水加熱裝置的安裝及防雷

(1)系統(tǒng)供電應(yīng)設(shè)專用回路,公共用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)設(shè)用電計(jì)量裝置。

(2)供電線路必須設(shè)有短路、過(guò)載、接地故障保護(hù),剩余動(dòng)作電流保護(hù)器的保護(hù)動(dòng)作電流值不得超過(guò)30 mA；供電及控制線路應(yīng)采用銅芯導(dǎo)線,配電線路的敷設(shè)應(yīng)符合現(xiàn)行《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50054的有關(guān)規(guī)定。

(3)太陽(yáng)能熱水裝置應(yīng)可靠接地；供電開(kāi)關(guān)應(yīng)便于操作,控制可靠。

(4)系統(tǒng)電路、電器的安裝設(shè)置按國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ/T16)中有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

(5)太陽(yáng)能熱水裝置的防雷設(shè)計(jì)應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057)的有關(guān)規(guī)定；若太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)不處于建筑物上避雷系統(tǒng)的保護(hù)中,應(yīng)按照國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057)的要求增設(shè)避雷設(shè)施。

3.4 太陽(yáng)能集熱器的安裝

(1)集熱器的最佳設(shè)置方位,是朝向正南或南偏西5°；若受條件限制時(shí),其偏差允許范圍在±15°以內(nèi)。

(2)集熱器的安裝傾角,應(yīng)根據(jù)熱水的使用季節(jié)和當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥却_定

Φ=φ+10°

式中Φ——太陽(yáng)能集熱器安裝傾角，(°)；

φ——當(dāng)?shù)氐乩砭暥龋?°),主要城市的φ值和氣候特點(diǎn)可以直接查工具書(shū)。

(3)集熱器前后排間距的確定。整幢住宅建筑所需配套安裝的太陽(yáng)能熱水器應(yīng)全部布設(shè)在陽(yáng)光充分輻照的一面。當(dāng)采取一排布置面積不足時(shí),可多排布置,但前后兩排間應(yīng)留有一定間距,其間距為：一般坡屋面不小于50 cm,平屋面前排與后排太陽(yáng)能熱水器的間距按下式計(jì)算確定

D≥H×cotθ

式中D——兩臺(tái)熱水器間的水平間距，m；

H——熱水器離樓面的垂直高度，m,其值根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)選擇的太陽(yáng)能熱水器類型實(shí)際尺寸確定；

θ——太陽(yáng)能熱水器傾角，(°)。

為便于維修和安裝,太陽(yáng)能熱水器左右貯水箱間距不小于30 cm。為了安全,太陽(yáng)能熱水器距屋檐應(yīng)大于1.5 m；若平屋面上有女兒墻,太陽(yáng)能熱水器距女兒墻的距離按下式計(jì)算確定

D1≥H1×cotφ

式中D1——太陽(yáng)能熱水器距女兒墻的距離，m；

H1——女兒墻垂直高度，m。

(4)太陽(yáng)能集熱器應(yīng)具有抗凍、抗雨雪、抗冰雹的能力；同時(shí)應(yīng)具有良好的密封性,不滲漏以及方便安裝、維修。

4 工程實(shí)踐

香樟里·那水岸小區(qū)地處安慶地區(qū),屬于中低緯度陽(yáng)光光照比較充足的地區(qū),太陽(yáng)能利用效率較高；同時(shí),冬季存在無(wú)日照時(shí)間長(zhǎng)。根據(jù)本文討論的太陽(yáng)能供熱設(shè)計(jì)條件和供熱技術(shù)方案,在本工程中,我們選用了真空集熱管太陽(yáng)能供熱技術(shù),即集中式太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng),并輔以電加熱及微循環(huán)泵系統(tǒng)。結(jié)合小區(qū)戶數(shù)和日用水量,計(jì)算出了集熱面積,確定了太陽(yáng)能熱水器供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,并根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了施工安裝,成功地為小區(qū)用戶解決了供熱問(wèn)題。

本項(xiàng)目集中式太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)總造價(jià)為295.8萬(wàn)元,折合單平米建筑面積增加造價(jià)約16.4元。在經(jīng)濟(jì)效益方面與傳統(tǒng)的熱水器相比較,按使用壽命15年、986戶計(jì)算可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益621.2萬(wàn)元,戶均節(jié)約6 300元,全小區(qū)可節(jié)約用電1 250萬(wàn)kW·h,減少排放13 750 t二氧化碳。太陽(yáng)能供熱技術(shù)在本工程的成功使用,既為業(yè)主帶來(lái)了直接的經(jīng)濟(jì)效益,又很好地保護(hù)了環(huán)境,解決了能源需求緊張的問(wèn)題,具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5 結(jié)論

太陽(yáng)能供熱技術(shù)的推廣應(yīng)用將大大緩解我國(guó)能源供需矛盾問(wèn)題,減少污染物排放,同時(shí)提高了人民的生活水平,因此該項(xiàng)技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。本文對(duì)太陽(yáng)能供熱技術(shù)的設(shè)計(jì)條件和設(shè)備選型進(jìn)行了研究分析,提出了設(shè)計(jì)條件,開(kāi)展了設(shè)備選型,確定了選型依據(jù),得出了選型結(jié)論,對(duì)太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)和幫助；提出了太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)施工安裝要求,對(duì)新技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要意義,有助于指導(dǎo)施工。

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