天普新能源科技有限公司 ■ 程翠英 許新中 吳艷元 董珊珊

0 引言

近年來北京大氣污染嚴重，為實施“生態(tài)北京、綠色北京、科技北京，還北京一片藍天”這一北京市政府和人民重要而迫切的任務，研發(fā)設計一種太陽能自采暖農(nóng)宅，實現(xiàn)采暖空調(diào)熱水三聯(lián)供的可再生能源集成系統(tǒng)示范樓，適于在北京郊區(qū)農(nóng)村建筑中大面積推廣應用，實施城郊新農(nóng)村建設低碳用能技術(shù)，深度解決北京及周邊地區(qū)大氣污染、能源緊張、居民生活改善等有關民生的重大緊迫問題。

該太陽能自采暖農(nóng)宅示范樓設計采用了太陽能、熱泵、土壤跨季節(jié)蓄熱、光伏照明等新能源綜合節(jié)能技術(shù)。利用太陽能通過土壤蓄能方式使春夏秋3個非采暖季的太陽能得到收集并儲存，并用于冬季采暖，這對于實現(xiàn)太陽能全年收集利用、徹底永久性消滅采暖小煤爐對北京空氣污染的影響、改善居民生活質(zhì)量、緩解首都能源供需緊張都具有十分重要的意義。近年來我國科技人員一直在探討該領域的技術(shù)[5-7]。

1 示范住宅設計思想

該太陽能自采暖農(nóng)宅示范樓設計采用了跨季節(jié)蓄熱方式，在農(nóng)宅地基18 m×11 m的矩形地面上均勻布置23口可垂直埋管的豎井。示范樓南向坡屋面上的太陽能集熱器組件串并聯(lián)后與地下埋管構(gòu)成循環(huán)回路，夏季晴天太陽能集熱器收集到的剩余熱能由管路系統(tǒng)傳輸儲存到地下土壤中；冬季聯(lián)通采暖循環(huán)系統(tǒng)，將地下土壤中的熱能輸送到室內(nèi)供采暖，實現(xiàn)了全年集熱、冬季使用的跨季節(jié)儲熱利用。設計理論和實用效果表明，太陽能采暖的保障率逐年遞增，預計第四年基本達到94%以上，該技術(shù)已在丹麥大規(guī)模推廣使用[1]。為解決初期儲熱過程中地下土壤含熱量不飽和，滿足不了冬季供熱需求的問題，利用地源熱泵在取熱供暖過程中對熱源溫度進行提升。利用熱泵技術(shù)可將需要的室內(nèi)溫度升降自如，夏季將室內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到室外地下土壤里，實現(xiàn)室內(nèi)降溫；冬季將室外的熱量轉(zhuǎn)移到室內(nèi)采暖，實現(xiàn)室內(nèi)升溫。

該設計可完全滿足農(nóng)戶采暖、空調(diào)、熱水三聯(lián)供，項目的關鍵優(yōu)勢在于運行費用逐年遞減，甚至有望在4～5年后不需要常規(guī)能源，只依靠太陽能就可滿足儲能采暖。

太陽能自采暖農(nóng)宅北方四合院的風格設計建造如圖1所示，示范樓采用被動式太陽房設計，采用輕鋼龍骨鋼模網(wǎng)(專利號：200710063551.8)墻體材料，外保溫結(jié)構(gòu)，降溫隔熱屋頂，雙層中空玻璃窗結(jié)構(gòu)，設有陽光間、出風口、太陽能光電板、太陽能光電雨棚、太陽能集熱器。該示范辦公樓的內(nèi)部設計包括陽光廳、大小會議室、辦公室、廚房、餐廳休息室、衛(wèi)生間等10個房間。

圖1 太陽能自采暖農(nóng)宅北方四合院的風格設計

2 示范住宅設計方案與技術(shù)路線

目前，國內(nèi)外太陽能地下儲熱技術(shù)在供暖、空調(diào)和熱水供應系統(tǒng)采用的儲熱方法主要有：顯熱儲熱、潛熱儲熱和熱化學儲熱。根據(jù)熱量儲存的時間又可分為隨時儲存、短期儲存和長期儲存。地下儲熱是儲熱技術(shù)的一種，其優(yōu)勢是地下廣闊的空間及天然的儲熱介質(zhì)，主要分為含水層儲熱、地下土壤和巖石儲熱。

由于太陽能的季節(jié)性不均衡特點，直接利用太陽能采暖受到限制，單純利用地源熱泵會引起地下土壤溫度逐年降低的問題。

2.1 設計方案

研究擬以相對較小的太陽能集熱器面積和地埋管換熱面積比值，利用局部地下土壤作為熱能儲存體，采用慢充慢放的方式收集全年太陽能源，重點滿足建筑冬季采暖需求，既可解決單純熱泵使土壤溫度降低的問題，還可有效利用非采暖季過剩的太陽能源。夏季建筑利用熱泵制冷過程中，可將置換的熱能通過地埋管換熱器存入地下土壤中，實現(xiàn)夏熱存儲冬季使用的效果。并可提供全年生活熱水。

2.2 技術(shù)路線

系統(tǒng)研究分為太陽能集熱蓄熱循環(huán)和土壤儲熱取熱循環(huán)兩部分，系統(tǒng)裝置由地埋管換熱器機組、20 m2真空管太陽能集熱器組件、1.5 t水箱、20P熱泵機組、散熱機組、低溫地板輻射采暖系統(tǒng)、連接管道、控制系統(tǒng)等設備組成。

1) 低溫地板輻射采暖系統(tǒng)，是采用DN20聚乙烯管均勻分布在首層、二層、頂層熱熔連接，分成若干個循環(huán)回路由分集水器控制。

2) 低溫地板輻射采暖系統(tǒng)供水溫度50 ℃，回水溫40 ℃，溫差10 ℃采暖熱源由太陽能集熱水箱及水源熱泵(輔助)供給。

3) 地埋管在18 m×11 m的矩形地面下均勻布置3口￠200 mm×深100 m和20口￠200 mm×深30 m井并設有垂直埋管。埋管程U型連接組成兩套循環(huán)系統(tǒng)。

工作原理如圖2所示：當太陽能照射在太陽房上，太陽能集熱器將熱能傳送到水箱將水加熱，水箱內(nèi)的熱水一部分用于生活熱水，一部分用于冬季采暖。當太陽能不能滿足室溫平衡時，啟動熱泵循環(huán)系統(tǒng)補充能源，夏季太陽能熱水系統(tǒng)和熱泵制冷系統(tǒng)產(chǎn)生多余能源時，將開啟閥門K1、K2使熱水由地埋管循環(huán)系統(tǒng)將熱能存儲到地下，冬季熱泵采暖系統(tǒng)將存儲到地下的熱能通過地暖系統(tǒng)和暖風系統(tǒng)用于室內(nèi)采暖。

圖2 南廠辦公室太陽能熱泵聯(lián)合采暖制冷系統(tǒng)圖

3 太陽房的傳熱計算

北京天普南廠建造的太陽能自采暖農(nóng)宅二層樓為陶粒混凝土鋼模網(wǎng)結(jié)構(gòu)，南北向，雙層中空玻璃窗，樓梯不采暖，建筑面積A0=390.25 m2，建筑體積V0=1136.46 m3，外表面積F0=381 m2，體型系數(shù)S=0.335， 換氣體積V=0.60V0=681.88 m3。其他部分數(shù)據(jù)與傳熱計算見表1和表2[2-4]。

表1 圍墻結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和傳熱面積

表2 建筑物耗熱量指標的計算

4 示范住宅運行試驗分析

2013年11月15日－12月15日采暖系統(tǒng)平均每日用電150 kWh。供暖面積560 m2(兩棟太陽房390 m2+170 m2)，計算建筑物耗熱量為150/560/24=11.16 W/m2。

建筑物耗熱量指標qH=12.91 W/m2，遠遠低于國標節(jié)能建筑14.64 W/m2的指標。其主要原因是土壤儲熱的應用取得明顯的節(jié)能效果。表3示出2013年11月部分測試點的數(shù)據(jù)，室溫控制在18～23℃。

表3 示范太陽房溫度布點

5 結(jié)論

1) 按節(jié)能標準設計的被動式太陽能自采暖農(nóng)宅，墻體采用陶粒混凝土鋼模網(wǎng)結(jié)構(gòu)，雙層中空玻璃窗、地采暖土壤蓄熱系統(tǒng)可達到理想的節(jié)能效果。

2) 按圍墻結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和傳熱面積進行建筑物耗熱量指標的計算，所得結(jié)果是19.02 W/m2，其中空氣滲透耗熱量為5.55 W/m2，占耗熱量的31.56%。

3) 示范住宅運行試驗建筑物耗熱量指標：12.91 W/m2，低于國標 14.64 W/m2。其主要原因是熱泵采暖系統(tǒng)應用土壤儲熱技術(shù)取得了明顯的節(jié)能效果。

[1] CanMET Energy. Solar heating with seasonal storage canadian activities[R]. 2011.

[2] 羅運俊, 何梓年, 王長貴. 太陽能熱利用技術(shù)[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2005.

[3] DBJ11-602-2006 北京市居住建筑節(jié)能設計標準[S].

[4] DB11-635-2009 村鎮(zhèn)太陽能采暖應用技術(shù)規(guī)程[S].

[5] 王瀟, 鄭茂余, 張文雍. 太陽能-土壤耦合熱泵長年蓄熱土壤熱平衡分析[J]. 太陽能學報, 2013, 34 (1): 147－152.

[6] 崔俊奎, 趙軍, 李新國. 跨季節(jié)蓄熱地源熱泵地下蓄熱特性的理論研究[J]. 太陽能學報, 2008, 29(8): 920－926.

[7] 韓敏霞. 太陽能土壤跨季節(jié)蓄熱—地源熱泵組合理論與實踐研究[D]. 天津: 天津大學, 2007.