王 麗, 楊 修

(廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530004)

隨著《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》等“1+N”政策體系的陸續(xù)發(fā)布，充分顯示了國(guó)家對(duì)于降低碳排放量，調(diào)整“大量生產(chǎn)、大量消耗、大量排放”產(chǎn)業(yè)的決心。而據(jù)調(diào)查顯示我國(guó)的建筑能耗占能源總消耗的比例已經(jīng)達(dá)到27%甚至更高，這說明實(shí)現(xiàn)建筑能源的綠色化對(duì)于降低碳排放，解決整個(gè)社會(huì)能源問題的重要意義。目前常用的可再生能源熱水系統(tǒng)有太陽(yáng)能+空氣源熱泵系統(tǒng)、太陽(yáng)能+電熱水器系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)，如何從這些可再生能源熱水系統(tǒng)中選擇經(jīng)濟(jì)適用的一套系統(tǒng)，也是夏熱冬冷地區(qū)在可再生能源熱水系統(tǒng)利用方面迫切需要解決的問題。

1 研究對(duì)象地區(qū)(桂林)概況

在氣候上，桂林是廣西緯度較高的地區(qū)，年溫不高、氣候溫和。輻射量和日照較少而季節(jié)變化大、熱量水平低。年太陽(yáng)輻射3 726～4 354MJ/m2，年日照率在28%～38%間，夏、秋2季日照率較高，桂林等地最高的月份達(dá)59%，是廣西的高值區(qū)之一；冬、春兩季日照率較低，多在20%以下，2、3月多為16%～17%，是廣西的主要低值區(qū)[1]。

研究將以高校宿舍太陽(yáng)能建筑一體化設(shè)計(jì)為例，探討在廣西夏熱冬地區(qū)這個(gè)特定的自然環(huán)境和地理?xiàng)l件下熱水系統(tǒng)輔助能源研究及其能源經(jīng)濟(jì)效益，為今后該地區(qū)對(duì)于太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)輔助能源的利用尋找一條經(jīng)濟(jì)適用的道路。

2 工程實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為桂林某高校宿舍樓，位于桂林市雁山區(qū)，北緯25°03′，東經(jīng)110°18′。坡屋頂，傾角為21°，方位角為16°公寓樓地上共6層，共住612(學(xué)生)+1(管理員)=613人。目前校區(qū)內(nèi)已建有1#～8#宿舍樓，與本項(xiàng)目相鄰，建筑風(fēng)格也與本項(xiàng)目相似，皆為帶有傳統(tǒng)桂北建筑風(fēng)格的多層宿舍建筑。

2.2 可再生能源熱水系統(tǒng)選擇

幾種可再生能源熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見表1。

根據(jù)表1幾種供熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)對(duì)比，可以明顯地看出太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)相較于地源熱泵和空氣源熱泵具有幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

表1 可再生能源熱水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性對(duì)照

(1)同等供應(yīng)熱水量條件下，1年的燃料耗量只有地源熱泵和空氣源熱泵的1/5，相對(duì)應(yīng)的燃料價(jià)也較另2種系統(tǒng)節(jié)省4/5。

(2)雖然3種系統(tǒng)都需要專用機(jī)房，但對(duì)于地源熱泵來說由于土壤的導(dǎo)熱系數(shù)較小，埋管內(nèi)的載能流體與管外的土壤之間能流密度很小，換熱量小，所以需要的地下?lián)Q熱器的表面積很大，占據(jù)較大的地下和地上空間[2]；而空氣源熱泵布置在地面上，占地面積大；相比起來，在相同熱負(fù)荷條件下，太陽(yáng)能熱泵所需要的集熱器面積與蓄能裝置容積等都比其他2種系統(tǒng)要小得多，并且經(jīng)過一體化設(shè)計(jì)后能讓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，對(duì)建筑風(fēng)貌干擾不大。

(3)地源熱泵部分系統(tǒng)需鋪設(shè)在土壤中，會(huì)對(duì)土壤環(huán)境造成一定的影響；空氣源熱泵則有可能使外部空間環(huán)境局部惡化，引起熱島效應(yīng)；而太陽(yáng)能清潔、安全，幾乎不會(huì)造成環(huán)境污染。

(4)地源熱泵、空氣源熱泵運(yùn)行時(shí)噪音較大，對(duì)居住、工作都有較大干擾，太陽(yáng)能熱泵則無(wú)這個(gè)問題。

(5)地源熱泵埋置于土壤的部分較難維修；空氣源熱泵則有可能在供熱工況下，蒸發(fā)器上會(huì)結(jié)霜，需要定期除霜[3]；而太陽(yáng)能熱泵相對(duì)來說維修界面較為直接，且受外界影響較小。

(6)3種能源中，地源熱泵的初始投資是最大的，太陽(yáng)能熱泵相對(duì)適中，但因?yàn)樘?yáng)能熱泵的年花費(fèi)最少，所以匯總對(duì)比后仍然是太陽(yáng)能熱泵的經(jīng)濟(jì)性占有較大優(yōu)勢(shì)。

相較于地源熱泵和空氣源熱泵，太陽(yáng)能熱泵有如此多種的優(yōu)點(diǎn)，因此本項(xiàng)目選擇采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，具體輔助能源選擇電能還是空氣能還需要進(jìn)一步比較決定。

2.3 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 集熱參數(shù)設(shè)定

桂林全年的太陽(yáng)能輻射量差異較大，采用年平均值不足以說明建設(shè)地的氣候特點(diǎn)。因此，需要利用桂林逐月氣溫和太陽(yáng)輻射量等數(shù)據(jù)，計(jì)算出各個(gè)季節(jié)該地區(qū)每戶所需的集熱面積，為建筑師進(jìn)行立面設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)。項(xiàng)目主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2所示。

表2 項(xiàng)目主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2.3.2 集熱器選型

目前，國(guó)內(nèi)大部分熱水系統(tǒng)采用真空管集熱器，而在和建筑的結(jié)合上，平板集熱器在國(guó)外已經(jīng)運(yùn)用得相當(dāng)成熟，更容易與建筑相結(jié)合。在外觀上，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣的是深藍(lán)色和深褐色的平板型太陽(yáng)能集熱器，項(xiàng)目在結(jié)合宿舍樓的外墻設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合原有的紅色瓦屋面色彩采用了深褐色的集熱器，更符合建筑一體化的美觀要求，如圖1所示。

圖1 屋頂太陽(yáng)能板特寫

2.3.3 集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與多層學(xué)生宿舍的適配性，考慮到該學(xué)生宿舍的屋面面積的局限性、造價(jià)高、桂林地區(qū)硬水水質(zhì)、日照情況以及用水要求等多方面因素，因此該項(xiàng)目采用集中集熱—集中儲(chǔ)熱—強(qiáng)制循環(huán)—間接換熱的熱水系統(tǒng),相對(duì)于分戶供熱水系統(tǒng)，熱水得到合理分配與管理，更適合集合住宅的形式。項(xiàng)目采用1個(gè)單元1個(gè)集中熱水系統(tǒng)，按每間人數(shù)4人，人均用水量50L/d計(jì)算，得出每單元每天用水量(表3)。

表3 每單元宿舍間數(shù)及其每天用水量

項(xiàng)目熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按照每個(gè)單元作為1個(gè)循環(huán)，由統(tǒng)一的儲(chǔ)熱水箱通過管道井向各層用水點(diǎn)提供熱水，水壓一般可至屋面。由于桂林所處的地理環(huán)境并非太陽(yáng)能輻射量高產(chǎn)區(qū)，陰雨天與冬季的部分時(shí)期太陽(yáng)能輻射量達(dá)不到熱水使用要求，則需要一定的輔助熱源來滿足供熱水要求。關(guān)于輔助能源到底是使用空氣源熱泵還是電熱水器，本研究進(jìn)行了測(cè)算比較，見表4。

經(jīng)計(jì)算1年大概只有120天沒有太陽(yáng)光照，需要空氣源熱泵輔助加熱，電費(fèi)按1元/(kW·h)計(jì)算。

由表4可知，本項(xiàng)目使用太陽(yáng)能+空氣源熱泵輔助加熱比太陽(yáng)能+電熱水器輔助加熱每年節(jié)約158 585.5kW·h，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤為60.3t(按標(biāo)煤0.38kg/kW·h),減少二氧化碳排放158.1t,4.8t二氧化硫(S02)的污染排放。無(wú)論是從環(huán)保程度、系統(tǒng)效率還是經(jīng)濟(jì)效益都是采用空氣源熱泵更優(yōu)于采用電熱水器。因此，在水箱處均安裝有空氣源熱泵與集熱循環(huán)泵，當(dāng)檢測(cè)溫度低于50 ℃時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)循環(huán)加熱裝置，以保證最不利工況時(shí)能及時(shí)供熱、即開即熱的使用要求，防止冬季陰雨天氣集熱面積不夠的情況；而夏季集熱面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出用戶的需求量，所以可以考慮關(guān)掉部分工質(zhì)循環(huán)，避免造成浪費(fèi)，或是用于其他用途，例如宿舍庭院的花草灌溉。這樣做方便管理與維修，計(jì)量收費(fèi)簡(jiǎn)單易行，還能平衡宿舍間用熱水量，充分利用集熱器與太陽(yáng)散射輻射集熱功能。并且如果人人都有多用熱水的意識(shí)習(xí)慣，則集中集熱儲(chǔ)熱管線過長(zhǎng)的問題就會(huì)弱化。

2.3.4 施工設(shè)計(jì)

綜合以上設(shè)計(jì)與分析結(jié)果，可以得出相應(yīng)的建筑施工圖，為具體施工提供可靠依據(jù)，并可計(jì)算出該項(xiàng)目的總建筑工程費(fèi)用，得出熱水計(jì)量收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。為了不破壞屋面防水層，屋面集熱器的固定采用安裝預(yù)埋件的固定方式，平屋面預(yù)留了太陽(yáng)能熱水立管出屋面、太陽(yáng)能熱水器電路出屋面的孔洞，并相應(yīng)進(jìn)行了建筑構(gòu)造做法處理。夾層內(nèi)置儲(chǔ)水箱，并不外露，使得外觀更美觀。樓梯間可通往夾層。夾層與屋面、夾層與其余樓層之間預(yù)留孔洞和管井。為了增加管井的使用效率，方便維修，將各房間的太陽(yáng)能熱水立管與冷水管整體考慮，共同置于樓梯間的管道井內(nèi)。并設(shè)置可上人樓梯用于維修與維護(hù)。

表4 輔助能源使用空氣源熱泵和電熱水器的對(duì)比研究數(shù)據(jù)(2種能源系統(tǒng)使用期內(nèi)成本計(jì)算30650L/d熱水器的比較)

3 結(jié)束語(yǔ)

從上文分析可知，在廣西北區(qū)相同設(shè)計(jì)條件下的多種可再生能源熱水系統(tǒng)從燃料消耗、系統(tǒng)占地面積、初始投資、污染性、噪音影響、設(shè)備維護(hù)、運(yùn)行費(fèi)用等多方面進(jìn)行測(cè)算對(duì)此之后，可知設(shè)計(jì)選擇太陽(yáng)能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)比其他幾種可再生能源熱水系統(tǒng)擁有的優(yōu)點(diǎn)：

(1)初始投資適中，年運(yùn)行費(fèi)用較低，投資總額度小，回報(bào)率較高。

(2)年燃料消耗低，二氧化碳排放量較之其他幾種更少，從節(jié)能、環(huán)保上占據(jù)更多優(yōu)勢(shì)。

(3)設(shè)備布置靈活，占地面積小，在經(jīng)過一體化設(shè)計(jì)后，可與建筑外觀緊密結(jié)合，不影響建筑風(fēng)貌。

(4)對(duì)周邊環(huán)境無(wú)污染，無(wú)噪音。

(5)后期維修、維護(hù)直觀、方便。

今后該地區(qū)在進(jìn)行熱水系統(tǒng)選擇時(shí)，都可以參照本研究結(jié)論去進(jìn)行選擇，優(yōu)先考慮太陽(yáng)能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，這種相對(duì)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的熱水系統(tǒng)。