中新天津生態(tài)城居住建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)淺析

中新天津生態(tài)城居住建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)淺析

1生態(tài)宜居新城天津生態(tài)城市是國(guó)家發(fā)展的重要戰(zhàn)略區(qū)域。它是世界上最大的生態(tài)城市，位于中國(guó)與新加坡政府合作發(fā)展的中心?？偯娣e約31公里2米，規(guī)劃人口35萬(wàn)人。綠色、低碳、環(huán)保是生態(tài)城的特點(diǎn),同時(shí)也是生態(tài)城設(shè)計(jì)的基本原則,本文主要探討其中居住建筑的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2根據(jù)水質(zhì)要求,可采取的計(jì)算公式《中新天津生態(tài)城綠色建筑設(shè)計(jì)導(dǎo)則》相關(guān)要求:住宅應(yīng)采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng),多層住宅滿足全部熱水需求,高層住宅滿足60%住戶的熱水需求。筆者參與設(shè)計(jì)的05-10-03地塊的住宅因考慮將來(lái)競(jìng)爭(zhēng)綠色建筑設(shè)計(jì)銀獎(jiǎng),所以根據(jù)綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),可再生能源利用率PRE(PercentageofRenewableEntergy)的比例應(yīng)不小于10%。PRE計(jì)算公式如下:PRE=∑Rj/∑Ei(1)式中Rj——可再生能源全年凈使用量,指采用不同的可再生能源技術(shù)時(shí),全年累計(jì)產(chǎn)生的凈使用量所折算的標(biāo)準(zhǔn)煤耗量,kW·h;Ei——建筑物全年累計(jì)消耗的總能量,一般指為滿足建筑物空調(diào)、生活熱水和照明系統(tǒng)(采用可再生能源發(fā)電時(shí))消耗能量所折算的標(biāo)準(zhǔn)煤耗量,kW·h。05-10-03地塊住宅部分可再生能源使用只考慮太陽(yáng)能,因此為保證PRE達(dá)標(biāo),全部用戶設(shè)置太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。天津地區(qū)年太陽(yáng)能幅射量5770MJ/m2(當(dāng)?shù)鼐暥葍A角),年日照時(shí)數(shù)2600h,屬太陽(yáng)能資源較豐富的Ⅱ類地區(qū)。用水定額:天津地區(qū)住宅最高日生活用水定額規(guī)定為85～120L/(人·d)。這一標(biāo)準(zhǔn)雖然低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),但經(jīng)多年使用,證明可滿足當(dāng)?shù)鼐用裾Ｓ盟枨?。本工程確定生活用水定額q0=120L/(人·d)。60℃熱水定額qr按照洗浴用水所占比例b1(約60%)及熱水量占洗浴用水比例b2(55%～63%),可得qr=120×60%×59%=42.5[L/(人·d)]。住宅每戶按2.8人計(jì),則每戶最高日生活熱水用量為42.5×2.8=119[L/(人·d)]取120L/(戶·d)。3太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的介紹3.1太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)居住建筑的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)分為分散式、集中式和半集中式(或集中-分散式)。分散式就是各用戶獨(dú)立設(shè)置集熱器、儲(chǔ)水箱及管道,單獨(dú)供應(yīng)太陽(yáng)能熱水的系統(tǒng)方式。分散式系統(tǒng)可以是集熱器與儲(chǔ)水箱一體化的屋面式;也可以是集熱器與儲(chǔ)水箱分離的陽(yáng)臺(tái)壁掛式,集熱器與儲(chǔ)水箱之間一般采用自然循環(huán),循環(huán)介質(zhì)為水或傳熱工質(zhì)。其優(yōu)點(diǎn)是:①各戶獨(dú)立,使用時(shí)互不干擾,維護(hù)管理較方便;②方便計(jì)量,冷水由自來(lái)水表計(jì)量,輔助電加熱各戶可以電表自行計(jì)費(fèi);③系統(tǒng)簡(jiǎn)單,使用效果容易控制。缺點(diǎn)是:①造價(jià)高,熱效率低(尤其是陽(yáng)臺(tái)壁掛式);②影響建筑立面;③系統(tǒng)管道較多,特別是屋面式,各戶一般均有2根供水管道,需額外設(shè)置管道井,影響建筑平面布置。分散式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)適用于多層居住建筑。集中式是各戶合用一套太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)水箱及管道,集中制熱及儲(chǔ)熱、集中供水的系統(tǒng)方式。太陽(yáng)能集熱器一般設(shè)置在建筑屋面,并聯(lián)或串聯(lián)安裝,儲(chǔ)熱或供熱水箱可以靈活安放在屋頂或建筑其他位置。由集熱器產(chǎn)生的熱水,經(jīng)儲(chǔ)水箱再通過(guò)供水干管重力或壓力輸送至各用水點(diǎn)。集中式系統(tǒng)的集熱器與儲(chǔ)水箱之間多采用機(jī)械循環(huán),供水可以是循環(huán)介質(zhì)為熱水的直接供水系統(tǒng)或介質(zhì)為傳熱工質(zhì)的間接供水系統(tǒng)。集中式系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)同樣突出,優(yōu)點(diǎn)是:①造價(jià)低,熱效率相對(duì)較高;②可以與建筑屋面較好地結(jié)合,建筑一體化程度高;③系統(tǒng)管道少,相對(duì)集中,設(shè)計(jì)容易處理。缺點(diǎn)是:①管理不方便,集熱、儲(chǔ)熱及供水部分屬公共設(shè)施,需專人負(fù)責(zé)維護(hù);②計(jì)量不便。各戶熱水計(jì)量存在溫度差異的現(xiàn)象,電輔助加熱費(fèi)用如分?jǐn)傄踩菀滓鹩脩舻募m紛等。集中式系統(tǒng)多用于中、高層居住建筑。為解決集中式系統(tǒng)的管理、計(jì)量等問(wèn)題,近年來(lái)出現(xiàn)了一種半集中式,也叫集中-分散式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。它是在集中設(shè)置集熱器和儲(chǔ)熱水箱的基礎(chǔ)上,各戶單獨(dú)設(shè)置一個(gè)小儲(chǔ)水罐,將集中制備的太陽(yáng)能熱水作為熱媒水送至各戶儲(chǔ)水罐內(nèi),再由各用戶自行進(jìn)行冷水換熱或電加熱后供水。這種系統(tǒng)不受樓層限制、完全實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱能的資源共享,也解決了計(jì)量與電輔助加熱問(wèn)題,但缺點(diǎn)是管路復(fù)雜,熱損失較大。3.2集熱器選擇集熱器主要有平板式和玻璃真空管式。綜合比較,中新生態(tài)城05-10-03地塊太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了玻璃真空管集熱器。4設(shè)計(jì)方案的確定4.1熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算生態(tài)城05-10-03地塊多為18層以上的高層住宅,各幢住宅間存在著日照遮擋現(xiàn)象,另外,由于這些住宅都是坡屋頂,對(duì)于集中式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)而言,可安放集熱器的只能是朝南的屋面。因此初步判斷,如果全部采用陽(yáng)臺(tái)壁掛的分散式系統(tǒng),會(huì)存在低層用戶因樓間遮擋而無(wú)法保證集熱器日照時(shí)間不少于4h的要求(《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定)。全部采用集中式系統(tǒng)則會(huì)出現(xiàn)因屋面有效面積不夠,導(dǎo)致集熱器安裝空間不足的問(wèn)題。實(shí)際設(shè)計(jì)中,先根據(jù)有效屋面面積(約等于可安裝集熱器面積),來(lái)確定集中太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的供水層數(shù)。這里以18層住宅舉例如下:南側(cè)屋頂最大容許安裝面積A0=40m2。直接供水系統(tǒng):A0≈Ajz=qrmCρr(tr-tl)f/[Jtηj(1-η1)](2)式中Ajz——直接加熱集熱器總面積,m2;qr——設(shè)計(jì)日用水量,本工程取qr=42.5L/d;m——用水單位數(shù);C——水的比熱,取C=4.187kJ/(kg·℃);ρr——熱水密度,取ρr=0.98kg/L;tr——熱水溫度,取tr=60℃;tl——冷水溫度,取tl=5℃(天津地區(qū));Jt——年平均日太陽(yáng)輻照量,Jt=15800kJ/(m2·d)(天津地區(qū));f——太陽(yáng)能保證率,f=60%(《中新天津生態(tài)城綠色建筑設(shè)計(jì)導(dǎo)則》規(guī)定f=50%～60%);ηj——集熱器年平均集熱效率,取ηj=45%;η1——熱損失,取η1=25%。由式(2)計(jì)算可得:m≈38人。按每戶2.8人計(jì),則18層住宅集中式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)可以供4層12戶居民用水。另經(jīng)核算,5層以上用戶如采用陽(yáng)臺(tái)壁掛式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng),集熱器日照時(shí)間均能達(dá)到≥4h的要求。間接供水系統(tǒng):Ajj=Ajz[1+FRULAjz/(KF)](3)式中Ajj——間接加熱集熱器總面積,m2;FRUL——集熱器熱損失系數(shù),真空管取5.4kJ/(m2·℃·h);K——水加熱器傳熱系數(shù),加熱水箱取K≈2500kJ/(m2·℃·h);F——水加熱器加熱面積,計(jì)算確定F=3.5m2。計(jì)算可得Ajj=40×[1+5.4×40/(2500×3.5)]≈41(m2),可見(jiàn)對(duì)于本項(xiàng)目,間接供水系統(tǒng)的集熱器總面積與直接供水系統(tǒng)集熱器總面積很接近,均能滿足在現(xiàn)有屋面安裝。4.2機(jī)械循環(huán)的間接供水方式根據(jù)集熱器面積計(jì)算及日照時(shí)間的核對(duì),另外考慮到供水安全性,以及計(jì)量、管理的方便,對(duì)于中新生態(tài)城05-10-03地塊,住宅太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)確定采用為集中-分散式與分散式相結(jié)合的系統(tǒng)形式:即底部4～6層采用集中-分散式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng),集熱器設(shè)置于屋頂南側(cè)坡屋面,屋面坡度45°,滿足集熱器安裝角度的要求,供水采用機(jī)械循環(huán)的間接供水方式,屋頂設(shè)儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)泵,各戶單設(shè)100L小儲(chǔ)水罐進(jìn)行二次換熱及電加熱,系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。屋頂儲(chǔ)熱水箱容積:Vr=qrjdAjj(4)式中qrjd——集熱器單位采光面積平均日產(chǎn)水量,間接供水系統(tǒng)qrjd取30～70L/(m2·d),當(dāng)儲(chǔ)熱水箱的熱水作為熱媒時(shí),可取低值qrjd=30L/(m2·d)。則Vr=30×40=1.2(m3)。其余各層采用陽(yáng)臺(tái)壁掛分散式太陽(yáng)能系統(tǒng):集熱器安放在南側(cè)陽(yáng)臺(tái)欄板上,戶內(nèi)設(shè)置一個(gè)具有電輔助加熱功能的承壓儲(chǔ)熱水罐,系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2。根據(jù)式(2),分散式太陽(yáng)能集熱器面積A0=120×4.187×0.98×55×60%/[15800×45%×(1-25%)]≈3(m2)。上述A0值為集熱器有效面積,根據(jù)集熱器陽(yáng)臺(tái)安裝角度(75°)、太陽(yáng)高度角(取天津地區(qū)冬季平均太陽(yáng)高度角38.25°),可得出集熱器與日照平均夾角為θ=180°-38.25°-75°=66.75°。分散式太陽(yáng)能集熱器實(shí)際面積A=A0/cos(90-θ)=3/cos23.25°≈3.3(m2)。5運(yùn)營(yíng)控制5.1集熱循環(huán)泵啟停原理見(jiàn)圖1,集中-分散式系統(tǒng)的太陽(yáng)能集熱部分與供水部分分別控制,控制部分由溫度控制器、水位控制器及各種傳感器組成。集熱器與儲(chǔ)熱水箱之間采用溫差循環(huán),當(dāng)傳熱工質(zhì)(本工程采用防凍液與純凈水以一定比例混合而成)與儲(chǔ)熱水箱內(nèi)熱水溫差大于設(shè)定溫度t1(設(shè)為7℃)時(shí),集熱循環(huán)泵啟動(dòng),小于設(shè)定溫度t2(設(shè)為3℃)時(shí),集熱循環(huán)泵關(guān)閉。儲(chǔ)熱水箱至各用戶儲(chǔ)水罐之間的熱媒水也采用溫差循環(huán),當(dāng)儲(chǔ)熱水箱熱水與熱媒供水干管遠(yuǎn)端溫差大于設(shè)定溫度t1(設(shè)為7℃)時(shí),熱水循環(huán)泵啟動(dòng),小于設(shè)定溫度t2(設(shè)為3℃)時(shí),熱水循環(huán)泵關(guān)閉。為防止用戶儲(chǔ)水罐內(nèi)熱量流失,在用戶儲(chǔ)水罐熱媒管上設(shè)置電磁閥,當(dāng)儲(chǔ)水罐內(nèi)水溫≥熱媒水溫度,電磁閥關(guān)閉,<熱媒水溫度時(shí),電磁閥開(kāi)啟進(jìn)行熱交換。如用戶儲(chǔ)水罐水溫低于供水設(shè)定溫度,自動(dòng)啟動(dòng)電輔助加熱系統(tǒng)。集熱部分為非承壓運(yùn)行,用戶換熱部分為承壓運(yùn)行。集熱系統(tǒng)還可以通過(guò)溫度控制集熱循環(huán)泵的啟停,來(lái)解決循環(huán)介質(zhì)的防凍問(wèn)題。低于設(shè)定溫度(設(shè)為4℃)時(shí),啟動(dòng)循環(huán)泵進(jìn)行介質(zhì)的循環(huán)防凍,高于設(shè)定溫度(設(shè)為10℃),則關(guān)閉循環(huán)泵。5.2循環(huán)系統(tǒng)的簡(jiǎn)介原理詳見(jiàn)圖2,分散式系統(tǒng)為雙循環(huán)閉式供水系統(tǒng)。集熱器中的傳熱工質(zhì)受熱后通過(guò)循環(huán)管路進(jìn)入儲(chǔ)水罐與冷水進(jìn)行熱交換,冷水自上而下,熱水自下而上,通過(guò)這種自然循環(huán),儲(chǔ)水罐內(nèi)的水溫逐漸升高后供用戶使用。為防止溫度升高,壓力過(guò)大,系統(tǒng)還設(shè)置了安全閥或膨脹罐的泄壓裝置。6對(duì)集熱器的要求按上述方案統(tǒng)計(jì)計(jì)算,05-10-03地塊太陽(yáng)能熱水單位能耗為13.38kW·h/(a·m2),采暖單位能耗為64.06kW·h/(a·m2),照明單位能耗為7.3kW·h/(a·m2),生活熱水總能耗為20.97kW·h/(a·m2),則PRE=13.38/(64.06+7.3+20.97)≈14.5%。可以看出,全部住宅均設(shè)置太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)后,PRE=14.5%,滿足了綠色建筑PRE>10%的要求。不過(guò)對(duì)于住宅太陽(yáng)能熱水,無(wú)論是采用分散式還是集中-分散式系統(tǒng),都存在著一定的缺陷。為提高熱水產(chǎn)水量,滿足PRE及太陽(yáng)能保證率,分散式系統(tǒng)不得不加大單戶的集熱器有效面積。同時(shí)因受安裝角度限制,對(duì)于陽(yáng)臺(tái)壁掛式,集熱器實(shí)際面積會(huì)更大。前面計(jì)算已經(jīng)得出分散式系統(tǒng)的集熱器面積多達(dá)3m2,而一般正常規(guī)格的分散式系統(tǒng)的集熱器面積只有不到2m2,這意味著一方面會(huì)增加成本,另一方面,集熱器面積過(guò)大,超出陽(yáng)臺(tái)面積范圍,就只能轉(zhuǎn)往建筑側(cè)墻上安裝,又會(huì)對(duì)建筑外立面造成影響。還有,在實(shí)際管道布置中,分散式系統(tǒng)的儲(chǔ)水罐放在陽(yáng)臺(tái),距離衛(wèi)生間、廚房等用水點(diǎn)距離遠(yuǎn),熱水支管較長(zhǎng)造成無(wú)效冷水浪費(fèi)的問(wèn)題也待解決,詳見(jiàn)圖3。而集中-分散式系統(tǒng)中,考慮到集熱系統(tǒng)的安全性所以采用傳熱工質(zhì)進(jìn)行一次循環(huán)換熱,考慮到用戶計(jì)量、收費(fèi)、管理又進(jìn)行戶內(nèi)熱水的二次循環(huán)換熱,因此管路及控制系統(tǒng)復(fù)雜,造價(jià)比單純的集中式系統(tǒng)要高一些。另外,天津地區(qū)住宅內(nèi)的供水干管均設(shè)置在公共部位的管道井,從管道井至戶內(nèi)用水點(diǎn)的支管均埋設(shè)在樓板墊層內(nèi)。太陽(yáng)能熱媒水管道