绿色建筑中太阳能光热利用综述

2019-09-14 版权声明 举报文章

绿色建筑中太阳能光热利用综述

《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378—2006)中节能部分关于可再生能源的利用规定分两项,一般项:“根据当地气候和自然资源条件,充分利用太阳能、地热能等可再生能源。可再生能源的使用量占建筑总能耗的比例大于5%”。优选项:“可再生能源的使用量占建筑总能耗的比例大于10%”。条文注释中有关指标解释中太阳能热水系统的描述为: 5%可以用以下指标来判断——如果小区中有25%以上的住户采用太阳能热水器提供住户大部分生活热水,判定满足该条文要求;10%可以用以下指标来判断——如果小区中有50%以上的住户采用太阳能热水器提供住户大部分生活热水,判定满足该条文要求。

判断指标仅仅对用户采用太阳能热水器的户数进行要求,没有明确每户热水器的容积或热水用水量。结合当前城市发展现状,由于建筑类型由初期多层建筑为主,演变为目前小高层、高层建筑为主,太阳能热水器类型也发生了相应的变化,由紧凑式一体机转变以分体式热水器为主。安装形式由单一屋面安装延伸到阳台、建筑南立面墙等建筑部位安装。本文着重讨论高层、小高层住宅建筑中太阳能热水系统的利用形式、优缺点以及相应工程案例。

当前太阳能热水系统的设计类型分为三大类:第一类每户独立系统——阳台分体式热水器;第二类为集中集热集中供水;第三类为集中集热分户辅助加热的单元集中型。

1 阳台分体式热水器

阳台分体热水器是高层、小高层常选的太阳能热水器类型。该类型热水器通常将集热器安装在建筑物的南立面阳台,水箱悬挂在靠近集热器的承重墙上,设备连接图如图1所示。每户热水器独立运行。

1.1 优点

(1)产权明确,没有公共设备,维护、保养均有使用人承担。

(2)不增加物业管理工作量。

(3)自由设定供水水温——使用人可根据个人喜好,设定用水温度。

1.2 弊端

(1)得热量小,由于建筑南立面阳台受光照时间、入射角等因素制约,同等采光面积集热量最低。

(2)辅助能源占比大(太阳能保证率低),受安装面积的限制,日产水量低于日均用水量。

(3)不同楼层之间温升效果不同,由于楼宇之间的遮挡,造成每层集热器的光照时间不同,从而导致每层热水器得热量不同。另外由于建筑室内采光要求日照时数(1小时)与太阳能集热器要求日照时数(4小时)不同,在冬至前后时间段内将会严重影响底部几层用户得热量。

(4)须与建筑规划同步进行,建筑设计师视南立面为建筑脸面,每个设计师将最出彩的设计立面放在南立面,安装在南立面阳台的集热器必须与建筑立面的设计造型、颜色融入建筑中,方可被设计师接受。

总之,对于不想增加后期物业维护费用和允许南立面阳台安装集热器的住宅小区,阳台式热水器不失为一种设计师、开发商、业主及设备供应商相互妥协的安装方案。

2 集中集热

对于不接受南立面阳台安装集热器或追新求异的建筑,往往采取集中集热方式,把太阳能集热器安装在屋面,屋面集热器分为两大流派,彰显式(图2):将屋面安装的集热器充分展示给世人,充分体现设计师、开发商对可再生能源对的高度认同,体现建筑的与众不同;隐藏式(图3):利用屋面安装太阳能集热器,同时不愿改变传统建筑的造型和外观,通过造型、视觉差等将集热器隐藏与内,传统建筑美学与可再生能源利用在该类建筑上得到充分的阐释。

采用屋面集中安装集热器的建筑在能源供给方面通常分两大类,其一,供给用户满足设计水温的达标热水,通常采用集中辅助热源;其二,供给用水热量通过设在户内的换热设备加热生活热水或供给用户水温不完全达标的半成品热水通过设在户内的辅助加热设备进行二次加热达到设计供水温度。

集中供应热水在太阳能热水工程初期采取较多的一种模式,随着建筑类型的变化以及系统自身的局限性,住宅建筑中应用逐渐减少。以单栋建筑为单位采用集中热水供应方式,较单户加热系统相比,均衡了户日用水不均,提高了热水利用率,用户用热水方便快捷。但该系统主要弊端为物业管理工作量大,热水价格高,维护修缮费用分摊困难等。影响热水价格高的两种主要因素,第一:太阳能保证率低,由于建筑屋面受限、建设单位限制初投资以及设备厂家过度承诺等因素造成系统太阳能保证率低,系统运行时,辅助加热设备工作时间长;其二:辅助加热设备的选择,太阳能热水系统常用的辅助加热形式为电、燃气加热设备以及近年新兴的空气源热泵机组(受区域限制)。实际工程设计选型中,由于燃气管道以及燃气加热设备安装限制,往往多采用电热管直接加热。作为高品质能源的电能直接转化为低品质热能,能源利用率低,单元热值价格高,导致供应热水价格居高不下。为解决集中供应热水中的收费高问题,在设计过程中,应提高太阳能保证率——屋面面积利用最大化、选择高效能集热器;提高辅助热源的能效比——采用空气源热泵新型加热设备、利用低谷电宏观节能模式。经过工程中运行数据的总结分析,在相同太阳能保证率下,改善辅助能源,可降低热水成本的30~50%。图4为2012年交付使用的某节能住宅工程屋面设备,采用集中集热集中供热模式,辅助热源采用空气源热泵并利用低谷电运行,效果良好,热水收费业主普遍能够接受。

另外两类供热方式,集热部分与前者相同,供热模式与前者差异较大,常用类型,换热模式(图5)和供热模式(图6)。

换热模式原理:屋面集中转化的热量通过热媒管网输送至户内储热水箱中,用户根据用水特点和实际水温自行判断是否启动室内辅助加热设备。系统中公共设备少,故障率较低,便于物业管理人员管理。由于系统向用户提供热量,至少需要一次热量交换方能实现,为此造成系统效率较低,由于热媒温度通常大于供热水温度,故管网热损增加,从而造成了系统得热量较低。

供热模式原理:与集中集热集中供水相似,与其不同点在于辅助加热设备的设置方式不同。该模式将屋面集中集热所产生的热水(不一定满足设计水温)供给至用户,室内配置常规加热设备,选择性的对集中供应热水进行加热。该系统集热量可直接供给用户,提高设备集热效率,管网中热水温度、循环时间都小于换热模式,故室内管网热损较小,最大化利用太阳能集热器转化的热量,降低运行费用。物业运行管理时,仍需对业主供水进行计量。

高层、小高层的太阳能热水供应方式多样,为了更好的选择太阳能热水系统形式,对不同供应方式进行分析对比,见表1。

3 结语

高层、小高层住宅建筑进行绿色建筑申报过程中,选择何种类型的太阳能热水系统,应根据小区的定位、管理模式以及建筑风格等多项因素,综合考虑选择太阳能热水系统的形式。太阳能热水系统涉及专业较多,各专业相互影响,无论选择哪种类型的热水形式,在前期规划阶段确定方案,有利于各专业提资,从而达到方案优化、系统高效的目的,为绿色建筑的申报、实施奠定基础。

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