太陽能供熱空調(diào)系統(tǒng)在超低能耗建筑中的設(shè)計(jì)分析
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王敏，何濤，徐偉，李博佳，張昕宇
（1．清華大學(xué)，北京100084;2．中國建筑科學(xué)研究院，北京1000131
[摘要]超低能耗建筑的發(fā)展和建筑用能特性的變化為供熱空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新挑戰(zhàn)，也為以可再生能源為主的供熱空調(diào)系統(tǒng)提供了新的發(fā)展機(jī)遇。本文以某超低能耗建筑為例，對供熱空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析和探討，說明超低能耗建筑的供熱空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮多種能源形式，提高能源系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)可再生能源的最大化利用。此外，使用可再生能源的供熱空調(diào)系統(tǒng)更為復(fù)雜，需要進(jìn)行科學(xué)細(xì)致的計(jì)算分析和設(shè)計(jì)，在實(shí)際運(yùn)營過程中，要持續(xù)、細(xì)致地進(jìn)行調(diào)試與優(yōu)化。
[關(guān)鍵詞]供熱空調(diào)系統(tǒng)；超低能耗建筑；太陽能；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；性能系數(shù)
O 引言
根據(jù)國際能源署的研究成果，全球范圍內(nèi)建筑運(yùn)行能耗約占全社會(huì)終端能耗總量的30%。建筑能耗的增長受到世界各國的高度重視，發(fā)達(dá)國家制訂了節(jié)能法規(guī)，還專門針對建筑節(jié)能制定了一系列法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，并不斷修訂，推進(jìn)建筑節(jié)能的發(fā)展。經(jīng)過多年的技術(shù)研究和示范建筑驗(yàn)證，美國、英國、法國、德國等發(fā)達(dá)國家發(fā)展“零能耗建筑”的技術(shù)路徑日趨清晰，并提出了相應(yīng)的發(fā)展目標(biāo)和規(guī)劃。國際上主要國家有關(guān)本國超低能耗建筑的發(fā)展目標(biāo)及政策，如表1所示。
隨著我國對建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的不斷重視，建筑能耗限值指標(biāo)也在不斷降低。但我國建筑體量通常較大、基礎(chǔ)研究尚不充分、產(chǎn)業(yè)支撐稍有欠缺，因此主要在被動(dòng)式建筑超低能耗領(lǐng)域開展了研究和示范，通過示范建筑積累經(jīng)驗(yàn)，逐步邁向更低能耗建筑，直至“零能耗建筑”。
目前，國內(nèi)外發(fā)展被動(dòng)式超低能耗建筑已成為新的趨勢。實(shí)現(xiàn)超低能耗、零能耗建筑的技術(shù)路徑主要包括：準(zhǔn)確的建筑負(fù)荷及能耗預(yù)測；被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)降低負(fù)荷；高性能建筑能源系統(tǒng)；可再生能源最大化利用；建筑能耗監(jiān)控、調(diào)試、運(yùn)行策略。在建筑用能系統(tǒng)中，供熱空調(diào)系統(tǒng)在建筑能耗中所占比例較大，是主要的節(jié)能控制對象。在超低能耗建筑的供熱空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，提高能源利用效率，最大化利用可再生能源，是實(shí)現(xiàn)超低能耗、零能耗的重要技術(shù)手段。
2太陽能為主的供熱空調(diào)技術(shù)
可再生能源在建筑供熱空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，通常包括太陽能光熱、光伏、風(fēng)力發(fā)電以及地源熱泵等技術(shù)。目前，太陽能作為開發(fā)研究最多、應(yīng)用最廣的可再生能源，在可再生能源為主的建筑供熱空調(diào)系統(tǒng)中占有重要地位。
太陽能為主的供熱空調(diào)技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，在技術(shù)的成熟度和實(shí)際工程的應(yīng)用效果方面都有了很大的進(jìn)步，也有成功應(yīng)用的案例。例如第29屆奧運(yùn)會(huì)青島基地后勤保障中心太陽能空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2007年建成，吸收式冷水機(jī)組制冷量為264 kW，采用638H12的平板型太陽能集熱器。2013年7月，國家太陽能熱水器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（北京）辦公樓太陽能空調(diào)系統(tǒng)建成，如圖1所示。該系統(tǒng)采用U形管式真空管型太陽能集熱器，輪廓采光面積為457rri2，安裝傾角為25。，由一臺(tái)176 kW溴化鋰吸收式冷水機(jī)組制冷。實(shí)測結(jié)果顯示，該系統(tǒng)夏季太陽能保證率為83%，冬季太陽能保證率為72%。
然而，受太陽能能量密度低、不穩(wěn)定，以及經(jīng)濟(jì)性欠佳等諸多因素制約，太陽能供熱空調(diào)未得到大范圍推廣應(yīng)用。
隨著被動(dòng)式超低能耗建筑技術(shù)的發(fā)展，建筑用能特性和常規(guī)建筑相比發(fā)生了較大變化。為實(shí)現(xiàn)零能耗、近零能耗，其通常具有以下特點(diǎn)：良好的保溫結(jié)構(gòu)和蓄熱性能，高效的照明、電器、辦公設(shè)備，熱回收，可再生能源利用等。以上這些特點(diǎn)，為太陽能為主的供熱空調(diào)系統(tǒng)在超低能耗建筑中的應(yīng)用帶來了良好的條件。其中超低能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)良好的保溫性能，降低了建筑冷熱負(fù)荷，使得太陽能供熱空調(diào)系統(tǒng)的規(guī)模得以減小，從而改善了其經(jīng)濟(jì)性。而良好的蓄熱特性，也使得太陽能供熱空調(diào)系統(tǒng)在太陽輻照變化時(shí)有著更好的可靠性。
為實(shí)現(xiàn)最大化利用可再生能源，提高能源系統(tǒng)效率，克服太陽能不均勻性與不穩(wěn)定性，應(yīng)用于被動(dòng)式超低能耗建筑的太陽能供熱空調(diào)系統(tǒng)需要針對建筑特點(diǎn)，進(jìn)行科學(xué)細(xì)致的計(jì)算分析、設(shè)計(jì)，綜合利用多種能源形式，保證供熱空調(diào)效果的同時(shí)，提高建筑能源系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)可再生能源利用的最大化以及經(jīng)濟(jì)性的改善。
本文以某超低能耗建筑中的太陽能供熱空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐為例，對太陽能為主的供熱空調(diào)系統(tǒng)在超低能耗示范建筑中應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析和討論。
3 設(shè)計(jì)方法與案例分析
3.1建筑概況
該超低能耗示范樓項(xiàng)目總建筑面積為4 025m2，地上4層，建筑高度為17. 30 m。首層為門廳、會(huì)議室、監(jiān)控室和辦公室等；二層為會(huì)議室和辦公室等；三層為辦公室等。四層為展示型會(huì)議室和辦公室等。
該示范建筑以近零能耗為目標(biāo)，達(dá)到建筑能效評價(jià)標(biāo)識(shí)最高等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并以中國綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)三星級(jí)，LEED綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)金級(jí)為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造。在設(shè)計(jì)中秉承“被動(dòng)優(yōu)先，主動(dòng)優(yōu)化，經(jīng)濟(jì)實(shí)用”的原則，在建筑設(shè)計(jì)中采用了真空絕熱保溫、可調(diào)節(jié)中置遮陽、Low-e真空玻璃等多種被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)，大幅降低了建筑供熱供冷需求，為太陽能為主的供熱空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。
3.2 建筑能耗模擬計(jì)算
準(zhǔn)確的建筑負(fù)荷及能耗預(yù)測，可以為超低能耗建筑供熱空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并作為優(yōu)化供熱空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。常規(guī)的建筑能耗計(jì)算多采用穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算方法，分析建筑物能耗。而超低能耗建筑的用能特性和常規(guī)建筑相比發(fā)生了較大變化，使得基于穩(wěn)態(tài)簡化算法計(jì)算得到的建筑能耗誤差偏大。與此同時(shí)，可再生能源的不穩(wěn)定性，也使得建筑能源系統(tǒng)的供能特性變得更為復(fù)雜，建筑供冷供熱需求和可再生能源供能特性并不能保持很好的一致性，如圖3所示為某建筑全年耗熱量和太陽能供熱量關(guān)系。
因此需要對建筑以及建筑的供熱空調(diào)系統(tǒng)建立模型，對建筑的供熱供冷需求和系統(tǒng)供能特性進(jìn)行逐時(shí)的動(dòng)態(tài)計(jì)算，得到更精準(zhǔn)的建筑能耗數(shù)據(jù)，為被動(dòng)式超低能耗建筑的太陽能供熱空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制策略的優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)可再生能源利用的最大化。
通過建筑能耗模擬計(jì)算及優(yōu)化，建筑夏季空調(diào)負(fù)荷計(jì)算值為38 W／m2，冬季供暖負(fù)荷計(jì)算值為15W/m2。
3.3供熱空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)階段確定的全年供熱、空調(diào)、照明總能耗小于25 kW - h/( m2 -a)的目標(biāo)，建筑供熱空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中綜合考慮了多種能源形式，最終確定了以太陽能為主，結(jié)合多種能源形式，最大化利用可再生能源的設(shè)計(jì)思路，并對太陽能供熱空調(diào)系統(tǒng)+燃?xì)忮仩t輔助、太陽能供熱空調(diào)+常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)輔助、太陽能+地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)分析。
通過技術(shù)分析，如采用太陽能供熱空調(diào)系統(tǒng)+燃?xì)忮仩t輔助的系統(tǒng)形式，為克服太陽能不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，需要較大面積的太陽能集熱器，超出了建筑屋頂可布置集熱器的面積。同時(shí)，當(dāng)太陽輻照量不足時(shí)，需要利用燃?xì)忮仩t加熱水驅(qū)動(dòng)吸收式空調(diào)機(jī)組，由于吸收式空調(diào)機(jī)組的COP較低，考慮到鍋爐效率，此時(shí)系統(tǒng)的一次能源利用率較低。
如采用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行輔助，可提高太陽輻照不足、吸收式空調(diào)機(jī)組無法啟動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)COP，提高系統(tǒng)的一次能源利用率。而地源熱泵系統(tǒng)作為可再生能源利用技術(shù)之一，較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)更高效．更節(jié)能，符合超低能耗建筑最大化利用可再生能源的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
因此本系統(tǒng)最終選擇太陽能+地源熱泵的供熱空調(diào)方案。夏季以太陽能驅(qū)動(dòng)吸收式空調(diào)機(jī)組滿足夏季空調(diào)基礎(chǔ)負(fù)荷，不能滿足的部分由地源熱泵系統(tǒng)滿足。冬季優(yōu)先利用太陽能滿足冬季供暖負(fù)荷，當(dāng)太陽輻照量不足時(shí)由地源熱泵系統(tǒng)補(bǔ)充，不再采用市政供暖。系統(tǒng)原理圖如圖5所示。
3,4主要設(shè)備選型
1)太陽能集熱系統(tǒng)
該超低能耗示范建筑采用太陽能為主的供熱空調(diào)系統(tǒng)，吸收式制冷機(jī)組的工作溫度高于供暖系統(tǒng)溫度，因此需要集熱器在進(jìn)口溫度較高時(shí)仍能保持相對較好的集熱效率。為充分利用太陽能并對不同集熱器效果進(jìn)行對比，太陽能集熱系統(tǒng)包括真空管型太陽能集熱器和槽式集熱器兩個(gè)系統(tǒng)。
在真空管型太陽能集熱器中，U形管式真空管型太陽集熱器集熱效率高，冬季運(yùn)行效果好，具有承壓運(yùn)行，更換方便，易于維護(hù)，運(yùn)行成本低等特點(diǎn)。且U形管內(nèi)徑較小，其內(nèi)部傳熱工質(zhì)容量也較全玻璃真空集熱管小，冬季需要的防凍液更少，本項(xiàng)目選用山東力諾瑞特公司生產(chǎn)的中溫真空管型太陽能集熱器。經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，在建筑屋頂共布置140塊，總面積320.6 m2。
聚光型集熱系統(tǒng)較為復(fù)雜，在建筑中應(yīng)用較少。為驗(yàn)證聚光型集熱器在建筑中的應(yīng)用效果，該超低能耗示范建筑的太陽能集熱系統(tǒng)除常規(guī)的真空管型太陽能集熱器外，還安裝了一套槽式太陽能集熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)共設(shè)置2組槽式集熱器，單組集熱器外形尺寸為6 100 mm×250 mm x2 800 mm，總采光面積30m2。集熱器安裝在平屋面上，朝向正南放置。在追蹤控制系統(tǒng)的作用下，集熱器可實(shí)現(xiàn)全年跟蹤太陽，以確保最大的集熱效率。最終集熱器布置如圖6所示。
2)空調(diào)機(jī)組
本項(xiàng)目的吸收式制冷機(jī)組采用日本YAZAKI公司贊助的低溫?zé)嵩次帐街评錂C(jī)組，經(jīng)過實(shí)際工程驗(yàn)證，該設(shè)備在70℃時(shí)即可開機(jī)制冷，在88℃時(shí)制冷效率可以達(dá)到0.7左右，與其他吸收式制冷機(jī)組相比，具有輸入熱源溫度低，制冷效率高，體積小等特點(diǎn)。其性能參數(shù)如表2所示。此外，該系統(tǒng)還選用了2臺(tái)制冷量分別為50 kW、99.5 kW的地源熱泵機(jī)組，并在建筑周圍布置70口地埋管。
3.5控制策略
1)太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行控制及過熱保護(hù)
當(dāng)槽式集熱器溫度大于1 10℃或真空管集熱器進(jìn)出口溫差大于5℃時(shí)，集熱系統(tǒng)循環(huán)泵啟動(dòng)，開始集熱。當(dāng)真空管集熱器出口溫度大于過熱保護(hù)設(shè)定溫度時(shí)，開啟空氣冷卻器對集熱循環(huán)內(nèi)工質(zhì)進(jìn)行降溫。
2)冬季供暖工況
若蓄熱水箱溫度高于冬季供熱溫度，則由太陽能直接供熱。
若蓄熱水箱溫度低于冬季供熱溫度，則啟動(dòng)地源熱泵機(jī)組及地埋管循環(huán)泵，由地源熱泵系統(tǒng)供暖。
3)夏季空調(diào)工況
若蓄熱水箱溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，優(yōu)先由蓄熱水箱內(nèi)的熱水驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)組制冷滿足供冷需求，當(dāng)吸收式制冷機(jī)組制冷量不能滿足冷負(fù)荷需求時(shí)，啟動(dòng)地源熱泵機(jī)組及地埋管循環(huán)泵，此時(shí)吸收式制冷機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，電驅(qū)動(dòng)熱泵機(jī)組負(fù)責(zé)滿足剩余的冷負(fù)荷。
若蓄熱水箱的溫度低于設(shè)定溫度，啟動(dòng)地源熱泵機(jī)組及地埋管循環(huán)泵滿足供冷需求。
4)秋季蓄熱工況
當(dāng)真空管集熱器出口溫度高于地埋管出口溫度且不超過地埋管最高溫度時(shí)，地源側(cè)循環(huán)泵啟動(dòng)，利用太陽能將熱量續(xù)存至地埋管。
3.6太陽能保證率
1)冬季太陽能設(shè)計(jì)保證率
集熱器生產(chǎn)廠家提供的集熱器瞬時(shí)效率曲線（基于總面積、集熱器入口溫度）為：叼。=0. 634 -1. 108Ti+。根據(jù)建筑所在地的氣象數(shù)據(jù)以及太陽能集熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行工況可以計(jì)算得到集熱器在冬季的平均效率n。。為55qe。經(jīng)代人數(shù)值計(jì)算，冬季太陽能保證率為72 010。
2)夏季太陽能設(shè)計(jì)保證率
根據(jù)建筑所在地的氣象數(shù)據(jù)、廠家提供的集熱器瞬時(shí)效率曲線，且吸收式空調(diào)機(jī)組效率按0.7計(jì)算，夏季設(shè)計(jì)太陽能保證率為69%。
3.7 實(shí)際運(yùn)行效果
基于2015年6月試運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，如表3所示。從表中可以看出，該超低能耗建筑供熱空調(diào)系統(tǒng)的吸收式制冷機(jī)組夏季工作時(shí)熱媒水進(jìn)口平均溫度為77.6℃，制冷量為30. 54 kW左右，平均COP約0.58。根據(jù)該機(jī)組的性能曲線，在該熱媒水進(jìn)口平均溫度下機(jī)組的COP為0.61。實(shí)測COP與該工況下機(jī)組設(shè)計(jì)值相差約4.5%，取得了較好的一致性。
目前，項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)對該供熱空調(diào)系統(tǒng)的全年運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，并依據(jù)監(jiān)測結(jié)果對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。
4 總結(jié)
超低能耗建筑的發(fā)展，建筑用能特性的變化，為供熱空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)，也為可再生能源為主的供熱空調(diào)系統(tǒng)提供了新的發(fā)展機(jī)遇。本文以某超低能耗建筑為例，對太陽能為主的供熱空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了分析和探討，得到主要結(jié)論如下：
1)超低能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)良好的保溫性能和蓄熱特性，大幅降低了建筑供熱供冷需求，為太陽能為主的供熱空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。
2)在超低能耗建筑的供熱空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)綜合考慮多種能源形式，通過技術(shù)分析比較，提高能源系統(tǒng)效率，降低建筑能耗，實(shí)現(xiàn)最大化利用可再生能源。
3)結(jié)合可再生能源的供熱空調(diào)系統(tǒng)更為復(fù)雜，需要進(jìn)行科學(xué)細(xì)致的計(jì)算分析和設(shè)計(jì)。在實(shí)際運(yùn)營過程中，也要持續(xù)、細(xì)致地進(jìn)行調(diào)試與優(yōu)化。
