太阳能在采暖上的应用案例介绍

同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司 ■ 王钰

0 引言

绿色建筑是指在建筑全寿命期内，最大限度地节约资源(节能、节地、节水、节材)、保护环境、减少污染，与自然和谐共生的建筑。采暖是冬季建筑能耗的大户，随着节能减排意识的逐渐提高，许多项目越来越希望在采暖系统上更多地利用太阳能等绿色能源。但在相关绿色建筑评价标准中，规定了空调和采暖应用可再生能源的下限为20%[1]，这个指标是针对空调和采暖总量而言的，并非指空调或采暖中的任意一个，单独在采暖上采用太阳能是很难达到下限的，也就限制了太阳能采暖的普及和应用。那么采暖是否能够引入太阳能、什么样的建筑适合太阳能的利用呢？本文通过一个具体的案例分析来进行解答。

1 工程简介

安徽理工大学新校区位于淮南市山南新区南部，学校的规划、建筑单体设计均由同济大学建筑设计研究院完成。新校区的重点实验室——深部煤矿采动响应与灾害防控，位于北大门，总建筑面积为24668 m2，采暖面积为9000 m2；地上共设5层，建筑布局呈“回”字形，以庭院为核心划分各个功能区；地下建筑面积为3210 m2，为机动车停车库、设备用房及库房；本项目以实现绿色建筑设计评价等级二星级为目标。

2 设计计算参数

2.1 室外计算参数

以淮南市的室外状况为参考标准，其中：

1)夏季时，大气压力为1001.2 hPa，空调计算干球温度为35.0℃，空调计算湿球温度为28.1℃，通风计算干球温度为31.4 ℃，风速为2.9 m/s。

2)冬季时，大气压力为1022.3 hPa，空调计算干球温度为-4.2℃，空调计算相对湿度为76%，通风计算干球温度为2.6 ℃，风速为2.7 m/s。

3)最大冻土深度为8 cm；由于采暖需求不同，采暖期可分为2种：采暖期1为12月11日～次年2月12日，室外温度≤+5 ℃，天数共64天，采暖期间的平均室外温度为3.4 ℃；采暖期2为11月24日～次年3月6日，室外温度≤+8 ℃，天数共103天，采暖期间的平均室外温度为4.3 ℃。

2.2 冬季采暖室内设计温度

此处的室内设计温度是针对安徽理工大学新校区的重点实验室设计的。其中，办公室、分析室的室内设计温度为20 ℃，会议室为18 ℃，测试大厅为18 ℃。

3 方案比较

根据业主的要求，重点实验室采用集中空调系统，空调包括夏季制冷和冬季制热两部分。方案有3种：方案1为螺杆冷水机组+燃气锅炉系统；方案2为风冷热泵冷热水机组；方案3为VRF变频一拖多风冷热泵空调机。

经过研究及方案对比后，业主选定方案3的VRF变频一拖多风冷热泵空调系统。该系统除了运行灵活、开关方便外，最重要的是能满足加班人员的需要，且不需要专门的维护人员，非常适合应用于学校。淮南市虽然地处江南，但冬季有市政蒸汽及热水供采暖使用，人们在冬季更倾向于使用采暖而非空调。为了减少学校平日维护、运行负担，体现学校建设以科技为本、绿色舒适的校园环境的先进理念，校方除要求设置采暖外，还提出要尽可能利用太阳能，以减少采暖季的运行能耗。

4 太阳能利用

利用太阳能获取生活热水已十分普遍，但如何在采暖系统中充分利用太阳能是本项目的一个难点，《太阳能集热系统设计与安装》[2]可提供一些参考，但作为具体工程，要做到系统简单、易维护、可靠性高还是存在一定困难。由于太阳能受天气影响较大，储热水箱所需容积较大，且存在储热量小等缺点，因此一般设计师在设计时很少采用太阳能作为空调或采暖热水来源。

本项目中实验室的屋面空间开阔，采光良好，可布置较多的太阳能集热板。给排水专业准备在屋顶设置太阳能集热板、储水箱等为本楼淋浴和为旁边体育馆提供生活热水，除此之外，尚有约1000 m2空地可利用。重点实验室采暖面积约9000 m2，采暖负荷为480 kW，可利用太阳能解决部分采暖负荷，还可与生活热水同用储热水箱和管理人员，减少了一部分投资费用和运行维护费用。

经过计算可知，1000 m2空地可设置规格为2 m×3 m的横排联集管式集热板共80台，总集热面积为500 m2，可提供热量约128 kW。为提高太阳能集热板的换热效率，设置板式热交换器，通过太阳能热媒水作为一次热源，对采暖回水温度进行预热处理，可使采暖回水温度提高5 ℃，相当于提高总温升的1/4。其余热量通过设置真空燃气热水锅炉解决。

太阳能经济性判断： 通过利用太阳能得到的日平均采暖总热量约1683 MJ/d，折合成天然气为52.3 Nm3，全年可节约1.78万元。横排联集管式集热板共80台，估算平均安装价格为3000元/台(含辅材)，总投资约为24万元，回收期为13.5年。

表1 淮南市太阳能采暖系统各参数

表2 某品牌横排联集管式太阳能集热器主要技术参数

图1 屋顶太阳能采暖系统布置效果图

图2 锅炉房原理图

5 采暖系统设计

根据业主要求，除模拟大厅、门厅、公共走道及地下建筑面积外，本建筑办公房间增加散热器采暖系统，采暖供水、回水温度分别为75 ℃和55 ℃。热水由地下一层热水机房内的燃气真空热水锅炉提供。

燃气真空热水锅炉房设有卸爆口和直通室外的疏散楼梯，烟道高出裙房屋顶；也设有平时通风和事故通风。

热水机房内设有500 kW燃气真空热水锅炉1台，采暖热水供水、回水温度分别为75 ℃和55 ℃。机房内设有板式热交换器，由太阳能热媒水对采暖回水进行预加热，其他还包括热水循环泵、定压装置、软水装置、电子水处理仪等。

板式热交换器太阳能侧热媒水的进、出水温度分别为78 ℃和68 ℃，水量为3.05 L/s；采暖二次侧的进、出水温度分别为55 ℃和60 ℃，水量为6.1 L/s。

采暖管道分南北2个回路，采用单管跨越同程系统，供水主干管设在5层梁下，回水主干管设在1层梁下；部分房间采用双管异程系统，各主要环路回水总管上设静态平衡阀。系统的工作压力为0.5 MPa。

散热器是采用铸铁涂塑型散热器，串联连接，采用同侧或异侧上供下回方式，散热器的工作压力为0.6 MPa。散热器支立管上下均设有关断闸阀，在散热器前设有二通或三通温控阀调节阀。

图3 锅炉房平面布置图

6 太阳能采暖计算

6.1 采暖得热量计算

淮南市位于 116°98′ E、32°62′ N，太阳能相关数据参照合肥市 (117°14′ E、31°52′ N)数据。根据《太阳能集中热水系统选用与安装》[3]中的设计用气象参数，月均日太阳总辐照量如表3所示。

根据表3的统计数据，取最冷月1月的倾斜面月平均日总辐照量11.131 MJ/m2，则可计算出太阳能系统得热量和系统提供的采暖热负荷，计算结果如表4所示。

6.2 太阳能保证率分析

根据单位面积采暖总热量和太阳能平均日辐射总量，可计算出太阳能保证率。设定办公建筑采暖负荷为50 W/m2，工作时间为8 h，各层面积相同，夜间停止供暖室内不会冻结。表5为办公建筑和住宅的计算对比结果。

太阳能保证率f可表示为：

式中，A为单位面积日采暖总负荷，MJ；B为太阳能转换为采暖的热量，MJ/d；n为楼层 。

随着楼层的增加，A在成倍增大，但B受铺装面积的限制保持不变。当建筑为多楼层时，不同楼层的太阳能保证率如表6所示。

表3 合肥市太阳辐照量情况

表4 太阳能提供的采暖热负荷情况

表5 办公建筑和住宅的采暖情况

表6 多楼层、不同太阳能与采暖面积比时的太阳能保证率情况

由表6可知：

1)表6中的结果属于上限值，因为太阳能集热板瞬时吸收的热量不能全部存储而被采暖系统利用。

2)无值班采暖地区主要为太阳能资源Ⅲ类地区的黄河、淮河流域，按照太阳能保证率不低于20%的标准考虑，10层以内的办公建筑白天利用太阳能采暖是可行的。

3)Ⅰ类、Ⅱ类地区尽管太阳能资源丰富，但大部分地处寒冷及严寒地区，需要考虑夜间值班采暖，表6中的数值明显变小，因此，只推荐5层以内的办公建筑利用太阳能采暖，且值班采暖需使用辅助热源。

4)单层别墅采暖可做到依赖于太阳能而不需要辅助热源。

6.3 住宅利用太阳能采暖的分析

住宅采暖的运行时间是24 h，而月平均日照小时数北方为5～7 h，南方为2～4 h ，远远低于连续运行时间，因此，需要储热水箱非常大，对于多层建筑可供铺设太阳能板的面积非常有限，仅能保证生活热水储水。

表7 多层住宅和别墅采暖储水量计算表

在屋顶的热水箱内外温差大，保温困难，而85%的采暖负荷还需要市政热水提供，因此在市政热水和太阳能热水之间转换也变得复杂。由此，项目变得非常不经济，小区物业较难胜任，所以不建议普通住宅利用太阳能采暖，只适宜按储存生活热水考虑。

而别墅虽然可以利用庭院增加太阳能板的面积，但会使环境变得很不美观，不易被人接受，所以只适合极特殊情况下采用。

图4 太阳能侧热水原理图

7 自动控制

本工程设置了楼宇自控系统，对空调系统、采暖系统进行监控。对锅炉采用自动监测流量、温度等参数计算出热量，自动发出信号，人工手动操作主机的起停。采暖供、回水总管上设置压差旁通装置，用来调节系统末端变水量引起的压差波动。太阳能热媒水出水温度不足55 ℃时，关闭换热器三通阀门，旁通采暖热水。散热器设有动温控阀。

采暖热水换热循环方式为：当系统检测到缓冲集热水箱温度T1＞70 ℃时，自动开启采暖换热循环泵P1；当T1与采暖热媒循环回水端温度T5之差T1-T5＜ 3 ℃时，关闭采暖换热循环泵。如此反复，将热量传递给采暖系统。

8 节能

采用太阳能热媒水初步提升采暖热水回水温度，燃气真空热水锅炉补充加热的采暖方式，锅炉热效率不低于90%。集中热水采暖的热水循环水泵耗电输热比为0.0047，符合《公共建筑节能设计标准》第5.2.8条计算限值的要求[4]。散热器全部明装，减少气流流通阻力，达到比较好的散热效果；散热器表面应刷非金属涂料，可以增强散热性能及防腐。水系统采用电子水处理等措施，保持水质稳定，减少污垢对换热系数的影响。

9 小结

1)从安徽理工大学新校区的重点实验室的太阳能采暖设计入手，通过可行性分析得出本项目中太阳能采暖的回收期为13.5年，具有显著的经济性。

2)在确定太阳能保证率的前提下，分析了办公和住宅建筑理论上采用太阳能采暖的适用范围和不利因素，指出采暖系统8 h运行和24 h运行对分析结果有明显的影响。

3)计算了100 m2的住宅和200 m2的别墅的采暖储水箱的容量，增加了设计师在采暖方案阶段的工程经验和理论依据。

4)笔者呼吁制定绿色建筑标准的相关部门，能够放宽建筑采用太阳能采暖的最低限额，使空调和采暖可以单独评分，这样在有采暖需求的广大农村会有更广阔的前景，不仅能使太阳能采暖有更广泛的普及和发展，同时减少了冬季烟尘和雾霾的产生，有助于改善大气环境。

[1]GB 50378-2014,绿色建筑评价标准[S].

[2]中国建筑科学研究院.太阳能集热系统设计与安装[M]. 北京: 中国计划出版社, 2006.

[3]中国建筑标准设计研究院.太阳能集中热水系统选用与安装[M]. 北京: 中国计划出版社, 2006.

[4]GB 50189-2015,公共建筑节能设计标准[S].