陳晶晶

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

近年來(lái)，隨著我國(guó)建筑業(yè)的迅速發(fā)展，也帶來(lái)了建筑能源消耗的迅猛增長(zhǎng)。日前，建筑能耗已接近全國(guó)總能耗的30%，并將持續(xù)增加。隨著人們生活水平的提高和小康社會(huì)的建設(shè)，人們對(duì)生活熱水的需求量越來(lái)越大，在我國(guó)發(fā)達(dá)地區(qū)的其生活熱水能耗已占到建筑總能耗的15-20%，而我國(guó)既是一個(gè)煤炭、石油以及天然氣等常規(guī)能源消耗的大國(guó)，又是常規(guī)能源資源短缺的國(guó)家，以常規(guī)能源為主的能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量的污染物，給我國(guó)整體環(huán)境造成了巨大的污染，一次性能源為主的能源開(kāi)發(fā)利用模式與生態(tài)環(huán)境矛盾的日益激化，使人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，大力開(kāi)發(fā)利用清潔可再生能源，是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，改善環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略之一[1]。

太陽(yáng)能做為一種輻射能，是最清潔的能源，加以利用，不僅能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，更有利于對(duì)環(huán)境的保護(hù)。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是太陽(yáng)能光熱利用中應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化程度最高的形式[2]。我國(guó)幅員遼闊，太陽(yáng)能資源豐富，但是各地太陽(yáng)能輻照分布有很大差距，主要表現(xiàn)為北部地區(qū)高于南部地區(qū)，西部地區(qū)高于東部地區(qū)。按接受太陽(yáng)能輻射量的大小，全國(guó)大致上可分為五類(lèi)地區(qū)，如表1所示。

表1 太陽(yáng)能資源分布區(qū)域

1 工程概況

本項(xiàng)目位于海南省澄邁，為多層建筑。地下一層為設(shè)備機(jī)房及車(chē)庫(kù)，地上八層為教師公寓，占地面積2320.76m2，建筑面積20185.79m2，設(shè)計(jì)教師宿舍268間。

本工程為充分利用市政給水管網(wǎng)壓力，地下室及一層冷水采用市政直供，二層及以上采用變頻加壓供水。而熱水不分區(qū)，由加壓給水管供水至屋頂熱水加熱系統(tǒng)。冷熱水通過(guò)支管減壓閥減壓保證各層支管壓力不超過(guò)0.2MPa，同時(shí)保證用水點(diǎn)冷熱水壓力的平衡。

本棟樓設(shè)置全日制集中集熱集中供熱系統(tǒng)，采用干管立管循環(huán)方式。本系統(tǒng)中為了保證太陽(yáng)能集熱效率能夠充分發(fā)揮，采用雙水箱供水系統(tǒng)。如采用單水箱供水系統(tǒng)，看似簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，但是實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，為保證全日制的熱水供應(yīng)，在夜間輔助加熱裝置處于運(yùn)行階段，熱水箱內(nèi)熱水溫度即為設(shè)計(jì)溫度，當(dāng)太陽(yáng)升起后則無(wú)需太陽(yáng)能對(duì)水進(jìn)行加熱，太陽(yáng)能集熱器處于閑置狀態(tài)，沒(méi)有達(dá)到最大的利用率。同時(shí)，也有研究標(biāo)明，與單水箱系統(tǒng)相比，雙水箱系統(tǒng)能夠提高太陽(yáng)能的利用率，全年能夠節(jié)能約14%[3]。由此，本系統(tǒng)中將集熱水箱和供熱水箱分開(kāi)設(shè)置。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量：

平均日耗熱量：

設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量：

其中：Kh為小時(shí)變化系數(shù)，根據(jù)人數(shù)及定額計(jì)算得出為4.68；m為床位數(shù)，268床；qr為熱水用水定額，70L/床·d；qmr為平均日熱水用水定額，40L/床·d；C為水的比熱，4.187KJ/（kg·℃）；tl為冷水溫度，tlm為年平均冷水溫度，取17℃；tr為熱水溫度，取60℃；ρr為熱水密度，60℃熱水密度為0.9832kg/L；T為每日使用時(shí)間，取24h；Cγ為熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱損失系數(shù)，取1.10。tr2為使用熱水溫度，取40℃。

2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

2.1 太陽(yáng)能集熱器的選擇

將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能是太陽(yáng)能利用的關(guān)鍵，集熱器的選擇對(duì)太陽(yáng)熱水系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。太陽(yáng)能集熱器類(lèi)型主要分真空管型太陽(yáng)能集熱器和平板型太陽(yáng)能集熱器，平板型集熱器具有吸熱面積大、承壓性能高、使用壽命長(zhǎng)、不易損壞、易與建筑結(jié)合、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可承壓等優(yōu)點(diǎn)，本項(xiàng)目選取平板型集熱器[4]。

2.2 集熱器面積的確定

本項(xiàng)目采用太陽(yáng)能直接加熱系統(tǒng)，根據(jù)DBJ46-012-2017《海南省太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與建筑一體化設(shè)計(jì)施工及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》，直接加熱系統(tǒng)集熱器總面積：

其中：Ajz為系統(tǒng)集熱器總面積（m2）；f —太陽(yáng)能保證率（%），取 45%。JT為正南朝向，傾角為當(dāng)?shù)鼐暥鹊钠矫嫔夏昶骄仗?yáng)輻照量，取 13018KJ/m2。ηcd為集熱器的年平均集熱效率，取0.5。ηL為管路及貯水箱的熱損失率，取0.3。實(shí)際布置太陽(yáng)能板200m2。

2.3 集熱水罐的有效容積

Qrjd為集熱器單位采光面積平均每日產(chǎn)熱水量，取60L/(m2·d）；

2.4 太陽(yáng)能循環(huán)泵流量

其中，qgz為單位采光面集熱器對(duì)應(yīng)的工質(zhì)流量，取0.02L/(S·m2）；

循環(huán)水泵揚(yáng)程經(jīng)計(jì)算，為25m。

3 輔助加熱系統(tǒng)

3.1 空氣源熱泵的選擇

由于太陽(yáng)能的間歇性和不穩(wěn)定性，因此太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置輔助熱源。海南的最冷月平均氣溫17.7℃，空氣源熱泵單獨(dú)作為熱源供熱時(shí)可以不設(shè)置輔助熱源，由此本系統(tǒng)采用空氣源熱泵對(duì)太陽(yáng)能供熱不足時(shí)進(jìn)行輔助加熱可以滿(mǎn)足要求。輔助熱源空氣源熱泵設(shè)計(jì)應(yīng)按系統(tǒng)最不利情況考慮，如最冷月份及陰雨天，全天熱水均由空氣源熱泵提供。

現(xiàn)代社會(huì)的競(jìng)爭(zhēng)是科技、人才的競(jìng)爭(zhēng)，歸根到底是教育的競(jìng)爭(zhēng)。傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方式，“你打我通、你說(shuō)我聽(tīng)”的教學(xué)方法已不適應(yīng)新形勢(shì)的要求。教師對(duì)學(xué)生的教育作用，已不單單是知識(shí)的傳遞，而是教師對(duì)學(xué)生的思想觀念、文化素養(yǎng)、道德風(fēng)尚的全面影響。對(duì)此，教師要從自身做起，不懈地學(xué)習(xí)知識(shí)，奮力更新觀念，潛心修身養(yǎng)性，以創(chuàng)新為導(dǎo)向，建立前瞻性教育思維，以適應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展和要求。

空氣源熱泵設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量：

其中，Cγ為安全系數(shù)，取1.10；qr為熱水用水定額，取70L/d；T1為熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工作時(shí)間，取12h/d。

考慮機(jī)組受溫度、融霜等的影響，取綜合影響系數(shù)0.8，則機(jī)組的名義制熱量為105.7kW/h。選取額定制熱量為59kW，額定功率為17.8kW的空氣源熱泵機(jī)組兩臺(tái)。

3.2 空氣源熱泵系統(tǒng)循環(huán)水泵

揚(yáng)程經(jīng)計(jì)算，取20m。

3.3 供熱水罐的有效容積：

其中：Vr為供熱水罐總?cè)莘e（L）；k1—用水均勻性的安全系數(shù)，取 1.25。

4 熱水系統(tǒng)設(shè)置

4.1 熱水系統(tǒng)的控制

集熱器循環(huán)泵采用溫差控制，當(dāng)T1（集熱器出口溫度）-T2（集熱水罐內(nèi)溫度）≥10℃，時(shí)，太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵啟動(dòng)；當(dāng)T1-T2≤3℃時(shí)，太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵停止；當(dāng)T2高于60℃時(shí)，太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵停止；

當(dāng)T3（供熱水罐內(nèi)溫度）低于50℃時(shí)，空氣源熱泵的循環(huán)泵，以及空氣源熱泵啟動(dòng)；當(dāng)T3高于60℃時(shí)，空氣源熱泵及空氣源熱泵循環(huán)泵停止。

當(dāng)T4（熱水管網(wǎng)回水管溫度）低于45℃時(shí)，熱水管網(wǎng)的循環(huán)泵啟動(dòng)；當(dāng)T4高于55℃時(shí)，熱水管網(wǎng)的循環(huán)泵停止。

4.2 熱水系統(tǒng)的防過(guò)熱措施

當(dāng)?shù)刈畹驮缕骄鶜鉁卦?7.7℃，因此并無(wú)防凍需求。但是需要考慮系統(tǒng)防過(guò)熱措施，防過(guò)熱主要措施有：1）防止集熱器空曬的集熱循環(huán)控制系統(tǒng)，集熱器空曬會(huì)加速選擇性涂層老化和性能衰減。2）集熱系統(tǒng)設(shè)置安全閥、壓力式膨脹罐等集熱系統(tǒng)升溫膨脹泄壓的措施。3）太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱量通過(guò)風(fēng)冷換熱器環(huán)境散熱。4）太陽(yáng)能集熱器遮蓋措施。5）集熱水箱（罐）內(nèi)的水溫不要超過(guò)75℃。本系統(tǒng)在集熱水罐設(shè)置安全閥，同時(shí)通過(guò)設(shè)置在集熱器出口的空氣冷卻器，消耗系統(tǒng)過(guò)熱時(shí)產(chǎn)生的熱量，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

4.3 系統(tǒng)材質(zhì)及保溫

本系統(tǒng)中熱水管道均采用SUS304不銹鋼。熱水罐采用聚氨脂現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡保溫，保溫層厚度為50mm厚，保溫層表面先包一層0.4mm厚玻璃纖維布，再包一層1mm厚鍍鋅鐵皮作為保溫層保護(hù)層。明露熱水管道均進(jìn)行保溫，保溫材料采用橡塑保溫管殼，保溫層厚度30mm，保護(hù)層外包專(zhuān)用的塑料布，再用調(diào)和漆涂上黃色色環(huán)和水流方向箭頭[5]。

5 經(jīng)濟(jì)及節(jié)能效益分析

5.1 節(jié)能效益分析

根據(jù)系統(tǒng)使用期內(nèi)的太陽(yáng)輻照、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性以及用戶(hù)要求等因素綜合考慮后，太陽(yáng)能保證率f按0.45取值，則全年有45%的熱水通過(guò)太陽(yáng)能供給，55%的熱水通過(guò)空氣源熱泵制熱。除循環(huán)泵組的耗能外，通過(guò)太陽(yáng)能供給的部分不另外耗能。而通過(guò)空氣源熱泵加熱需消耗部分電能，由于空氣源熱泵的COP值約為3.0，與全部電輔助加熱相比，可節(jié)約（1 -0.33）×100% =67% 的電能。整個(gè)方案的能耗相比于全部電加熱的情況節(jié)能 81.85%。按平均日耗熱量1328330KJ/d計(jì)算全年熱水系統(tǒng)耗熱量約為 134677.9 kWh/a，節(jié)約能耗110233.9 kWh/a，由此帶來(lái)的二氧化碳減排量約64噸/年[6]。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

若不采用空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能系統(tǒng)，單純采用電進(jìn)行加熱，熱效率按照0.9計(jì)算。按平均日耗熱量1328330KJ/d 計(jì)算全年熱水系統(tǒng)耗熱量約為 134677.9 KWh/a，所需要的電量為149642KWh，按照電費(fèi)0.6元/KWh計(jì)，則年耗電量費(fèi)用為8.9萬(wàn)元。

采用空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能系統(tǒng)情況下，澄邁年平均太陽(yáng)輻照量為4730MJ/m2，太陽(yáng)能集熱器集熱效率為50%計(jì)算，則每1㎡集熱器每年得熱量為2365MJ約等于657KWh,則該熱水系統(tǒng)（200平方集熱器）一年通過(guò)太陽(yáng)能集熱器年平均集熱量為：657×200=131400KWh，剩余所需熱量均由空氣源熱泵供給。澄邁屬于夏熱冬暖低區(qū)，空氣源熱泵全年都可以在高效區(qū)運(yùn)行，取平均機(jī)組能效比（COP）為3.0，空氣源熱泵供熱所需熱量為3290KWh，則年耗電量費(fèi)用為1974元。由于太陽(yáng)能的間歇性，在夜間不能集熱，同時(shí)熱水系統(tǒng)的散熱使得熱水溫度下降，此時(shí)就需要由空氣源熱泵運(yùn)行來(lái)保持系統(tǒng)內(nèi)熱水溫度的穩(wěn)定。假設(shè)空氣源熱泵每日運(yùn)行2h來(lái)維持熱水系統(tǒng)的溫度，則每日所需消耗電量為17.8×2×2=71.2KWh，則一年所需電量為25988KWh，所需電費(fèi)約為1.5萬(wàn)元。再加上水泵的運(yùn)行費(fèi)用：一年估計(jì)為1.1萬(wàn)元；合計(jì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)（含輔助空氣源熱泵）一年的運(yùn)行費(fèi)用為：6.1萬(wàn)元。

由此，采用空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)每年運(yùn)行費(fèi)用比采用純電加熱可節(jié)約7.6萬(wàn)元左右。

6 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)對(duì)清潔能源的利用，空氣源熱泵機(jī)組所產(chǎn)生的250%-300%的熱效率，使得空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)能夠在滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)熱水需求的同時(shí)，減少對(duì)傳統(tǒng)能源的消耗，實(shí)際的運(yùn)行成本也能夠得到較大幅度的降低，并產(chǎn)生一定的環(huán)境效益。同時(shí)對(duì)于使用方來(lái)說(shuō)，每年的運(yùn)行成本可以大幅降低。