中新天津生态城居住建筑太阳能热水系统浅析

中新天津生态城居住建筑太阳能热水系统浅析

1生态宜居新城天津生态城市是国家发展的重要战略区域。它是世界上最大的生态城市，位于中国与新加坡政府合作发展的中心。总面积约31公里2米，规划人口35万人。绿色、低碳、环保是生态城的特点,同时也是生态城设计的基本原则,本文主要探讨其中居住建筑的太阳能热水系统设计。2根据水质要求,可采取的计算公式《中新天津生态城绿色建筑设计导则》相关要求:住宅应采用太阳能热水系统,多层住宅满足全部热水需求,高层住宅满足60%住户的热水需求。笔者参与设计的05-10-03地块的住宅因考虑将来竞争绿色建筑设计银奖,所以根据绿色建筑评价标准,可再生能源利用率PRE(PercentageofRenewableEntergy)的比例应不小于10%。PRE计算公式如下:PRE=∑Rj/∑Ei(1)式中Rj——可再生能源全年净使用量,指采用不同的可再生能源技术时,全年累计产生的净使用量所折算的标准煤耗量,kW·h;Ei——建筑物全年累计消耗的总能量,一般指为满足建筑物空调、生活热水和照明系统(采用可再生能源发电时)消耗能量所折算的标准煤耗量,kW·h。05-10-03地块住宅部分可再生能源使用只考虑太阳能,因此为保证PRE达标,全部用户设置太阳能热水系统。天津地区年太阳能幅射量5770MJ/m2(当地纬度倾角),年日照时数2600h,属太阳能资源较丰富的Ⅱ类地区。用水定额:天津地区住宅最高日生活用水定额规定为85～120L/(人·d)。这一标准虽然低于国家标准,但经多年使用,证明可满足当地居民正常用水需求。本工程确定生活用水定额q0=120L/(人·d)。60℃热水定额qr按照洗浴用水所占比例b1(约60%)及热水量占洗浴用水比例b2(55%～63%),可得qr=120×60%×59%=42.5[L/(人·d)]。住宅每户按2.8人计,则每户最高日生活热水用量为42.5×2.8=119[L/(人·d)]取120L/(户·d)。3太阳能热水系统的介绍3.1太阳能热水系统居住建筑的太阳能热水系统分为分散式、集中式和半集中式(或集中-分散式)。分散式就是各用户独立设置集热器、储水箱及管道,单独供应太阳能热水的系统方式。分散式系统可以是集热器与储水箱一体化的屋面式;也可以是集热器与储水箱分离的阳台壁挂式,集热器与储水箱之间一般采用自然循环,循环介质为水或传热工质。其优点是:①各户独立,使用时互不干扰,维护管理较方便;②方便计量,冷水由自来水表计量,辅助电加热各户可以电表自行计费;③系统简单,使用效果容易控制。缺点是:①造价高,热效率低(尤其是阳台壁挂式);②影响建筑立面;③系统管道较多,特别是屋面式,各户一般均有2根供水管道,需额外设置管道井,影响建筑平面布置。分散式太阳能热水系统适用于多层居住建筑。集中式是各户合用一套太阳能集热器、储水箱及管道,集中制热及储热、集中供水的系统方式。太阳能集热器一般设置在建筑屋面,并联或串联安装,储热或供热水箱可以灵活安放在屋顶或建筑其他位置。由集热器产生的热水,经储水箱再通过供水干管重力或压力输送至各用水点。集中式系统的集热器与储水箱之间多采用机械循环,供水可以是循环介质为热水的直接供水系统或介质为传热工质的间接供水系统。集中式系统优缺点同样突出,优点是:①造价低,热效率相对较高;②可以与建筑屋面较好地结合,建筑一体化程度高;③系统管道少,相对集中,设计容易处理。缺点是:①管理不方便,集热、储热及供水部分属公共设施,需专人负责维护;②计量不便。各户热水计量存在温度差异的现象,电辅助加热费用如分摊也容易引起用户的纠纷等。集中式系统多用于中、高层居住建筑。为解决集中式系统的管理、计量等问题,近年来出现了一种半集中式,也叫集中-分散式太阳能热水系统。它是在集中设置集热器和储热水箱的基础上,各户单独设置一个小储水罐,将集中制备的太阳能热水作为热媒水送至各户储水罐内,再由各用户自行进行冷水换热或电加热后供水。这种系统不受楼层限制、完全实现太阳能热能的资源共享,也解决了计量与电辅助加热问题,但缺点是管路复杂,热损失较大。3.2集热器选择集热器主要有平板式和玻璃真空管式。综合比较,中新生态城05-10-03地块太阳能热水系统设计采用了玻璃真空管集热器。4设计方案的确定4.1热水系统设计及计算生态城05-10-03地块多为18层以上的高层住宅,各幢住宅间存在着日照遮挡现象,另外,由于这些住宅都是坡屋顶,对于集中式太阳能热水系统而言,可安放集热器的只能是朝南的屋面。因此初步判断,如果全部采用阳台壁挂的分散式系统,会存在低层用户因楼间遮挡而无法保证集热器日照时间不少于4h的要求(《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》规定)。全部采用集中式系统则会出现因屋面有效面积不够,导致集热器安装空间不足的问题。实际设计中,先根据有效屋面面积(约等于可安装集热器面积),来确定集中太阳能热水系统的供水层数。这里以18层住宅举例如下:南侧屋顶最大容许安装面积A0=40m2。直接供水系统:A0≈Ajz=qrmCρr(tr-tl)f/[Jtηj(1-η1)](2)式中Ajz——直接加热集热器总面积,m2;qr——设计日用水量,本工程取qr=42.5L/d;m——用水单位数;C——水的比热,取C=4.187kJ/(kg·℃);ρr——热水密度,取ρr=0.98kg/L;tr——热水温度,取tr=60℃;tl——冷水温度,取tl=5℃(天津地区);Jt——年平均日太阳辐照量,Jt=15800kJ/(m2·d)(天津地区);f——太阳能保证率,f=60%(《中新天津生态城绿色建筑设计导则》规定f=50%～60%);ηj——集热器年平均集热效率,取ηj=45%;η1——热损失,取η1=25%。由式(2)计算可得:m≈38人。按每户2.8人计,则18层住宅集中式太阳能热水系统可以供4层12户居民用水。另经核算,5层以上用户如采用阳台壁挂式太阳能热水系统,集热器日照时间均能达到≥4h的要求。间接供水系统:Ajj=Ajz[1+FRULAjz/(KF)](3)式中Ajj——间接加热集热器总面积,m2;FRUL——集热器热损失系数,真空管取5.4kJ/(m2·℃·h);K——水加热器传热系数,加热水箱取K≈2500kJ/(m2·℃·h);F——水加热器加热面积,计算确定F=3.5m2。计算可得Ajj=40×[1+5.4×40/(2500×3.5)]≈41(m2),可见对于本项目,间接供水系统的集热器总面积与直接供水系统集热器总面积很接近,均能满足在现有屋面安装。4.2机械循环的间接供水方式根据集热器面积计算及日照时间的核对,另外考虑到供水安全性,以及计量、管理的方便,对于中新生态城05-10-03地块,住宅太阳能热水系统确定采用为集中-分散式与分散式相结合的系统形式:即底部4～6层采用集中-分散式太阳能热水系统,集热器设置于屋顶南侧坡屋面,屋面坡度45°,满足集热器安装角度的要求,供水采用机械循环的间接供水方式,屋顶设储热水箱、循环泵,各户单设100L小储水罐进行二次换热及电加热,系统原理见图1。屋顶储热水箱容积:Vr=qrjdAjj(4)式中qrjd——集热器单位采光面积平均日产水量,间接供水系统qrjd取30～70L/(m2·d),当储热水箱的热水作为热媒时,可取低值qrjd=30L/(m2·d)。则Vr=30×40=1.2(m3)。其余各层采用阳台壁挂分散式太阳能系统:集热器安放在南侧阳台栏板上,户内设置一个具有电辅助加热功能的承压储热水罐,系统原理见图2。根据式(2),分散式太阳能集热器面积A0=120×4.187×0.98×55×60%/[15800×45%×(1-25%)]≈3(m2)。上述A0值为集热器有效面积,根据集热器阳台安装角度(75°)、太阳高度角(取天津地区冬季平均太阳高度角38.25°),可得出集热器与日照平均夹角为θ=180°-38.25°-75°=66.75°。分散式太阳能集热器实际面积A=A0/cos(90-θ)=3/cos23.25°≈3.3(m2)。5运营控制5.1集热循环泵启停原理见图1,集中-分散式系统的太阳能集热部分与供水部分分别控制,控制部分由温度控制器、水位控制器及各种传感器组成。集热器与储热水箱之间采用温差循环,当传热工质(本工程采用防冻液与纯净水以一定比例混合而成)与储热水箱内热水温差大于设定温度t1(设为7℃)时,集热循环泵启动,小于设定温度t2(设为3℃)时,集热循环泵关闭。储热水箱至各用户储水罐之间的热媒水也采用温差循环,当储热水箱热水与热媒供水干管远端温差大于设定温度t1(设为7℃)时,热水循环泵启动,小于设定温度t2(设为3℃)时,热水循环泵关闭。为防止用户储水罐内热量流失,在用户储水罐热媒管上设置电磁阀,当储水罐内水温≥热媒水温度,电磁阀关闭,<热媒水温度时,电磁阀开启进行热交换。如用户储水罐水温低于供水设定温度,自动启动电辅助加热系统。集热部分为非承压运行,用户换热部分为承压运行。集热系统还可以通过温度控制集热循环泵的启停,来解决循环介质的防冻问题。低于设定温度(设为4℃)时,启动循环泵进行介质的循环防冻,高于设定温度(设为10℃),则关闭循环泵。5.2循环系统的简介原理详见图2,分散式系统为双循环闭式供水系统。集热器中的传热工质受热后通过循环管路进入储水罐与冷水进行热交换,冷水自上而下,热水自下而上,通过这种自然循环,储水罐内的水温逐渐升高后供用户使用。为防止温度升高,压力过大,系统还设置了安全阀或膨胀罐的泄压装置。6对集热器的要求按上述方案统计计算,05-10-03地块太阳能热水单位能耗为13.38kW·h/(a·m2),采暖单位能耗为64.06kW·h/(a·m2),照明单位能耗为7.3kW·h/(a·m2),生活热水总能耗为20.97kW·h/(a·m2),则PRE=13.38/(64.06+7.3+20.97)≈14.5%。可以看出,全部住宅均设置太阳能热水系统后,PRE=14.5%,满足了绿色建筑PRE>10%的要求。不过对于住宅太阳能热水,无论是采用分散式还是集中-分散式系统,都存在着一定的缺陷。为提高热水产水量,满足PRE及太阳能保证率,分散式系统不得不加大单户的集热器有效面积。同时因受安装角度限制,对于阳台壁挂式,集热器实际面积会更大。前面计算已经得出分散式系统的集热器面积多达3m2,而一般正常规格的分散式系统的集热器面积只有不到2m2,这意味着一方面会增加成本,另一方面,集热器面积过大,超出阳台面积范围,就只能转往建筑侧墙上安装,又会对建筑外立面造成影响。还有,在实际管道布置中,分散式系统的储水罐放在阳台,距离卫生间、厨房等用水点距离远,热水支管较长造成无效冷水浪费的问题也待解决,详见图3。而集中-分散式系统中,考虑到集热系统的安全性所以采用传热工质进行一次循环换热,考虑到用户计量、收费、管理又进行户内热水的二次循环换热,因此管路及控制系统复杂,造价比单纯的集中式系统要高一些。另外,天津地区住宅内的供水干管均设置在公共部位的管道井,从管道井至户内用水点的支管均埋设在楼板垫层内。太阳能热媒水管道