太阳能混凝土桩储热技术在Revit软件中的应用研究*

赵嵩颖 付 言

(吉林建筑工程学院市政与环境工程学院，长春 130118)

1 太阳能混凝土桩储热技术现状

太阳能混凝土桩储热技术是以太阳能和混凝土桩作为复合热源的热泵系统，在混凝土桩内部埋设换热管，利用太阳能集热板把热量通过混凝土桩中的换热管储存在土壤中.混凝土储热桩的直径远大于土壤源热泵换热井的直径，混凝土的导热系数高于土壤的导热系数，这使混凝土桩的换热性能优于土壤源热泵技术.利用混凝土桩储热，可省去常规的土壤源换热管打井及灌浆回填工序，从根本上避免因打井造成的施工费用，实现建筑物冬季零能供暖[1]和夏季零能制冷，是节约化石能源减少温室气体排放，高效开发与利用地下热能的一种新方法.

2 Autodesk Revit Architecture软件应用现状

建筑信息模型(BIM)是近两年来出现在建筑界中的一个新名词，具有三维立体可视化、协调性、模拟性(节能模拟、日照模拟、热传导模拟)等多方面特点，是引领建筑业信息技术走向更高层次的一种新技术，它的全面应用会大幅度提高建筑工程的信息化集成化程度.在设计和施工中应用BIM技术，可提高整个工程的质量和效率，降低建筑成本，实现技术改革并获得巨大经济效益.我国世博上汽通用企业馆、世博上海案例馆、天津邮轮母港及上海中心大厦等项目，均是利用Autodesk Revit系列软件完成的.

3 太阳能混凝土桩储热Revit模型的建立

本研究以长春市某别墅建筑为实例，对其进行revit architecture太阳能混凝土桩储热系统建模，确定该别墅供暖设计热负荷，计算出太阳能集热器系统所需太阳能板数量及所需埋管桩基数量.

3.1 太阳能集热器系统的Revit模型

太阳能集热器面积按照别墅冬季采暖热负荷的要求来确定.长春地区供暖期为174 d，采用间歇供热方式，每天供暖时间为10 h，冬季住宅楼供暖负荷按40 W/m2设计，别墅建筑面积为1128.81 m2，建筑物每小时需总供热功率为40×1128.81=45.15 kW，则一个冬季该别墅供暖需热量为78×103kW·h.太阳能集热器面积[2]:

式中，Q为建筑物每小时所需的采暖设计热负荷(W);Q0为热管式真空管集热器每平方米理论集热量(W)，取650 W;η为热管式真空管集热器的瞬时效率，取η=0.80，可计算出该别墅系统应采用的太阳能集热器面积为86.83 m2.

太阳能电池板选取单晶硅峰值功率160 W，电压34.4 V，电流4.65 A，开路电压43.2 V，短路电流5 A.太阳能电池板规格为1580×808×35(mm)，该别墅项目所需太阳能电池板为69块，太阳能电池板敷设Revit模型图如图1所示.

图1 太阳能电池板敷设的Revit模型

将长春地区日照时间输入Revit软件自动化系统中，设置太阳能板转动速率，太阳能集热板可根据日照时间随太阳转角偏转，从而最大限度地获取太阳能(如图2所示).

图2 太阳能集热器系统的日照Revit模型

3.2 混凝土桩的Revit模型

系统模型为桩基埋管换热系统，承台底标高为－4.7 m，桩基埋管换热桩长为13 m，桩内换热管采用并联双U型(如图3所示).换热管连接至集分水器，在集分水管末端设置循环泵，与室内热泵机组的换热器形成一个闭式循环系统，通过系统中的循环水与地下的岩土体进行换热，将能量在空调室内和地下的岩土体之间进行转换，实现建筑物夏季制冷，冬季供暖的目的.

工作原理如图4所示，夏季通过太阳能集热器将循环介质加热，由循环热泵将循环介质注入地下储热桩中，通过地下储热桩与土壤间热交换，将热量存储在土壤中;冬季可通过热泵和混凝土储热桩热交换器，将地下土壤内热量提取出来供房间取暖.本系统中，在冬季太阳能可直接用于建筑的日间采暖和生活热水或地下蓄热，夜间用热泵取热采暖，可实现建筑物供暖所需热量全部由太阳能和地热能供给，即零能供暖.

根据参考文献[3]，10000 m2的建筑需要160口100 m深的换热井，即可满足全年的储热要求.本项目建筑面积为1128.81 m2，所需100 m深的换热井18口.由于换热桩采取并联双U型埋管方式，并联双U的换热量为单U型换热管的1.55倍，所以，本项目中共需要埋管储热桩桩长共计1161.29 m.该别墅项目桩长为13 m，故要满足全年的储热要求，需要埋管储热桩89根，根据建筑施工图纸，本项目共计112根桩，所以远远满足该项目的储热要求，太阳能混凝土储热桩系统的Revit模型(如图5所示).

图3 并联双U型桩基埋管Revit模型

图4 太阳能－混凝土储热桩供暖(冷)系

图5 太阳能混凝土桩基系统整体的Revit模型

4 结语

太阳能混凝土桩储热技术是高效利用太阳能和地热能的一种新技术，可以节约化石能源并减少CO2等温室气体的排放.利用Revit模型将太阳能混凝土桩储热系统融入到建筑施工中，使项目整个流程中使用一致的信息来设计和绘制创新项目，并且还可实现建筑外观及桩内部埋管的可视化来支持更好的沟通;并通过模拟日照和热传导获得太阳能混凝土桩系统的真实性能，以便项目各方了解成本、工期及环境的影响.

太阳能混凝土桩储热技术在Revit软件中的应用具有以下几个优势:图纸上一处修改，系统中处处更新，便于进行施工变更;可得到建筑模型中任意平面、立面及剖断面模型，便于查看复杂位置具体情况;参数化、三维化模型，直观传递设计信息;工程师可以在项目中央共享文件进行协同设计施工，使整个项目都在一个直观环境中完成，帮助各个施工段的人员更好地进行沟通协作.建筑信息模型正在被愈来愈多的专家应用在各式各样的复杂新建筑上，是建筑行业的大势所趋.

[1]王海亮，赵大军，孙友宏.东北地区太阳能与浅层地热能联合供暖分析[J].应用能源技，2008，18(3):89－93.

[2]赵 达，张欣艳，王 畅，刘 逸.太阳能－土壤源热泵空调系统研究[J].八一农垦大学学报，2006，18(3):89－93.

[3]赵嵩颖，陈 晨，白 莉.混凝土桩储热技术研究及经济性分析[J].吉林建筑工程学院学报，2012，29(3):48－50.