西藏某火車站太陽能供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

XX火車站太陽能供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本工程屬于交通類公共建筑，總建筑面積19504m2，地上共2層，建筑總高度21.4m。其中地上一層分別為：旅客進(jìn)站大廳、候車廳、售票大廳、出站大廳、貴賓候車廳、行包托取廳、辦公用房等房間，除大堂外，房間層高為4.5m；地上二層分別為：綜合商業(yè)、餐廳、辦公用房、行包庫等房間，層高4.5m。地下一層主要房間能為：機(jī)電用房、平戰(zhàn)結(jié)合的人防工程等。本工程為低層公共建筑，考慮到本建筑所處在的特殊地理位置以及其能源現(xiàn)狀特點(diǎn)，同時(shí)也為了實(shí)現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能的總體目標(biāo)，本工程建筑熱工設(shè)計(jì)按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求進(jìn)行。一些主要的建筑熱工參數(shù)如下：外立面玻璃：Low-E玻璃，傳熱系數(shù)為2.5W/（m2?K），外墻傳熱系數(shù)0.50W/（m2?K），屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.65W/（m2?K），架空樓板傳熱系數(shù):0.50W/（m2?K）。良好的建筑熱工設(shè)計(jì)為本工程采暖系統(tǒng)充分利用太陽能創(chuàng)造了一個(gè)較好的條件。采暖設(shè)計(jì)參數(shù)與熱負(fù)荷冬季采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇根據(jù)《暖通規(guī)范》的規(guī)定，民用建筑的主要房間的采暖設(shè)計(jì)溫度為16～24℃。在本工程中，對一些房間的采暖設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，主要考慮到以下主要因素：1.室外空氣非常干燥，相對濕度只有28%。由于本建筑實(shí)際使用過程中，外門等經(jīng)常處于開啟狀態(tài)，自然通風(fēng)情況較好，自然通風(fēng)量較大。如果維持較高的設(shè)計(jì)室溫，當(dāng)室內(nèi)人數(shù)較少時(shí)，室內(nèi)相對濕度非常低，人員的舒適性受到一定的影響（從當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況調(diào)研也反映出同樣的問題）。2.本建筑的一些主要房間——如：入口大廳、購票大廳、候車大廳等等，都是人員的臨時(shí)停留場所，從實(shí)際使用需求來說，冬季采暖設(shè)計(jì)溫度也可以適當(dāng)降低。3.本工程考慮以地板輻射采暖為主的方式，人員的“體感溫度”必然高于室溫。根據(jù)《北京市低溫地板輻射采暖應(yīng)用規(guī)程》規(guī)定，計(jì)算室溫可以比規(guī)定值低2℃。因此，本工程結(jié)合上述主要原因和實(shí)際情況，選取的主要房間室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)計(jì)算溫度（空氣溫度）和實(shí)際計(jì)算的體感溫度如表1所示：采暖負(fù)荷計(jì)算結(jié)果根據(jù)建筑熱工和上述采暖設(shè)計(jì)參數(shù)，對本工程在典型設(shè)計(jì)日條件下的采暖負(fù)荷進(jìn)行逐時(shí)計(jì)算，結(jié)果如表2所示。室內(nèi)采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)本工程采用以地板輻射采暖為主的方式，除了前述的舒適性等原因外，還考慮到這是充分利用“低位”熱源的方式。為了有效利用低溫?zé)崴诒竟こ虠l件下，按照地板輻射埋管最小間距不小于150mm的要求，同時(shí)考慮有效布管面積為房間面積的80%。對各房間的供水溫度進(jìn)行計(jì)算后得出，除極個(gè)別房間要求水溫為45℃～50℃外，建筑內(nèi)幾乎全部房間所要求的采暖熱水供水溫度均不超過40℃。因此，本樓采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)供/回水溫度確定為41/36℃。對于極個(gè)別房間，設(shè)計(jì)人認(rèn)為如果因此而提高全樓的供水溫度，對于太陽能集熱系統(tǒng)的要求將大幅度提高，顯然是“得不償失”的。通過其他輔助采暖措施來保持這些房間的室溫（如設(shè)置局部采暖方式）更為合理。在確定采暖系統(tǒng)的供/回水溫度之后，反過來重新計(jì)算和確定不同房間的實(shí)際管道間距。這種方式帶來的最大優(yōu)點(diǎn)在于：在保證各房間達(dá)到使用要求的前提下，盡可能降低了地板采暖供水溫度，以利更好的符合充分利用太陽能的設(shè)計(jì)原則。太陽能供熱系統(tǒng)要求與條件能源、環(huán)保的要求1XX是一片凈土，過多的使用人工能源，將對環(huán)境造成一定的影響。2建筑節(jié)能是目前國家能源戰(zhàn)略的一個(gè)關(guān)鍵措施之一，充分利用可再生能源，減少人工能源的消耗，對于我國具有非常重要的戰(zhàn)略意義。3XX地區(qū)能源短缺，所有能源都需要通過外界輸送，一旦輸送過程中發(fā)生不及時(shí)的情況，將對本建筑的正常使用帶來嚴(yán)重影響。有利條件在西藏地區(qū)，由于云對太陽輻射的雙重影響的結(jié)果，在某些特定條件下可在地面上測的太陽總輻射通量密度，有時(shí)甚至超過太陽常數(shù)（1367.7W/m2）。XX屬于高日照率、高大氣透明度、高日照輻射強(qiáng)度地區(qū)。XX的冬季日照率為77%，冬季太陽總輻射平均通量密度約197W/m2（北京僅為110W/m2）。以一月份水平面總?cè)丈湓缕骄蛰椪樟繛槔?，XX為16.556MJ/(m2?d),在全國42個(gè)城市中名列第一。XX復(fù)合大氣透明度系數(shù)P2為0.8以上，氣溶膠質(zhì)粒大氣透明度系數(shù)Pd為0.92以上，水汽分子大氣透明度系數(shù)Pw為0.96以上[2]。XX冬季典型設(shè)計(jì)日的太陽總輻射強(qiáng)度：21740kJ/（m2?d）。太陽能集熱器產(chǎn)品情況——分類、特點(diǎn)太陽集熱器按其是否聚光這一最基本的特征來劃分，可以分為聚光太陽集熱器和非聚光太陽集熱器兩類。聚光太陽集熱器的集熱器面積大于吸收太陽輻射能的吸熱面積。它能將收集到的太陽輻射能匯聚在面積較小的吸熱面上，可獲得較高的溫度。但它只能利用太陽的直接輻射，且需要跟蹤太陽。聚光集熱器主要有聚光器、吸收器和跟蹤系統(tǒng)三大部分組成。非聚光太陽集熱器的集熱器面積與吸收太陽輻射能的吸熱面積相等。它能夠吸收利用太陽的直接輻射和間接輻射能，不需要跟蹤裝置，結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便。由于它不具有聚光功能，因此吸熱面上的熱流密度較低，一般用在工作溫度在100℃以下的低溫?zé)崂孟到y(tǒng)中。非聚光太陽集熱器是目前建筑太陽能熱利用中使用最普遍、數(shù)量也最多的集熱器，其發(fā)展歷程大致可分為悶曬型太陽熱水器、平板型太陽集熱器、真空管型太陽集熱器三個(gè)階段。悶曬型太陽熱水器階段悶曬型太陽熱水器把集熱器和儲熱裝置（水箱）合為一體，是一種既集熱又儲水的太陽熱水裝置。它通常是一個(gè)表面涂成黑色的儲水容器，黑色表面吸收太陽輻射能，將里面儲存的水加熱。它的結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，造價(jià)低廉，經(jīng)濟(jì)適用，但熱效率低。平板型太陽集熱器階段20世紀(jì)70年代開始，隨著世界性的能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，許多國家在太陽能利用技術(shù)的研究和開發(fā)上投入不少的人力和物力，平板集熱器不斷得到完善和發(fā)展。板芯材料和結(jié)構(gòu)從最早的板管式、扁盒式到鋁翼式，再到銅鋁復(fù)合式、全銅式；表面吸收涂層從非選擇性涂層黑板漆，發(fā)展到各種選擇性涂層，如鋁陽極氧化、鍍黑鎳、鍍黑鉻等；透明蓋板從普通玻璃發(fā)展到鋼化玻璃，從玻璃鋼到高分子透明材料。目前，國內(nèi)外使用的平板型太陽集熱器主要是全銅板芯和銅鋁板芯的平板集熱器。真空管型太陽集熱器階段為了進(jìn)一步減少平板集熱器的熱損失，提高集熱溫度，人們又開發(fā)成功了多種真空太陽能集熱管。其吸熱體被封閉在高真空的玻璃真空管內(nèi)，從而大大提高了其熱性能。一般平板太陽集熱器的熱損系數(shù)為4-6W/(㎡?℃)，產(chǎn)熱水溫度低于70℃；而真空管型集熱器的熱損系數(shù)小于1W/(㎡?℃)，熱水溫度可達(dá)到100℃。將若干支真空太陽集熱管組裝在一起，就構(gòu)成了真空管太陽集熱器。為了增加太陽光的采光量，有的真空管太陽集熱器還在其背部加裝了反光板。全玻璃真空管集熱器和熱水器已經(jīng)成為我國太陽能熱水器行業(yè)的主流產(chǎn)品。近年來，又推出了內(nèi)置U形金屬流道的U形管真空管集熱器和內(nèi)置熱管的真空管集熱器，從而豐富了全玻璃真空管集熱器的種類，解決了全玻璃真空管集熱器存在的玻璃管破碎漏水和不能承受太高工作壓力的問題。太陽能供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)1集熱器設(shè)置集熱器通常布置在建筑的屋面上。根據(jù)本工程的具體情況共分為四個(gè)區(qū)域布置集熱器。從平面上看，分別在I、II、III區(qū)的屋頂；從高度上看，主要有低區(qū)（I、III區(qū)屋頂）和高區(qū)（I、II、III區(qū)屋頂）兩個(gè)位置。集熱器的朝向是決定集熱器集熱能力大小的一個(gè)重要因素。但由于公共建筑對外立面等的相關(guān)要求，完全做到理想的角度有時(shí)是不現(xiàn)實(shí)的。根據(jù)本工程的實(shí)際情況來看，大部分集熱器只能按照18度角度布置才能滿足建筑立面的需求。在可提供的安裝集熱器的屋面面積確定的條件下，如何通過最合理的布置集熱器使得整個(gè)集熱系統(tǒng)的集熱量最大，是一個(gè)值得認(rèn)真研究的問題，除了與安裝角度有關(guān)外，它還與集熱器本身的尺寸、大小有關(guān)。由于不同的產(chǎn)品尺寸和性能的不一樣，為了設(shè)計(jì)的通用性，本工程沒有直接給出限定的安裝角度，而是根據(jù)不同的區(qū)域要求，給出不同的屋頂面積和集熱器頂部限高，同時(shí)給出了系統(tǒng)要求的集熱量。這樣，不同廠家都可以參加投標(biāo)，只要經(jīng)審核滿足要求即可。2集熱量和集熱面積同時(shí)為了保證本工程的需求，在調(diào)查了解了各種現(xiàn)有較好的集熱器的效率，同時(shí)按照18度考慮安裝角度的影響之后，本設(shè)計(jì)按照30%的集熱效率來設(shè)計(jì)。因此，對于典型設(shè)計(jì)日，太陽能集熱器的集熱量按照5465kJ/(m2?d)計(jì)算。在陰天或多云情況下，經(jīng)過咨詢，決定按照10%的集熱能力考慮——即：陰天的集熱量為547kJ/(m2?d)。根據(jù)氣象參數(shù)，計(jì)算出冬季XX典型設(shè)計(jì)日各時(shí)刻集熱量見如表3。根據(jù)全天集熱量和集熱能力的要求，經(jīng)計(jì)算，所需要的集熱器面積為9700m2，屋頂實(shí)際可布置的集熱器面積為6720m2。典型設(shè)計(jì)日采暖負(fù)荷（表2）與實(shí)際集熱量（表3）的關(guān)系如圖2所示。從圖2中可以看出，如果關(guān)系式：A≥B+C成立，那么本工程就可以在典型設(shè)計(jì)日完全依靠太陽能進(jìn)行暖，但是，從對集熱器面積的計(jì)算要求來圖2看，全天太陽能的集熱能力只有10203kWh/d，顯然，還需要其它熱源才能滿足使用要求。3集熱系統(tǒng)為了使得工程的招投標(biāo)工作能夠順利進(jìn)行，在設(shè)計(jì)中必須考慮到產(chǎn)品的通用性問題。從上面的介紹中可以看出，不同型式的太陽能集熱器在功能上是不一致的。例如：由于二次換熱原因，采用乙二醇水溶液的集熱系統(tǒng)（閉式系統(tǒng)）在集熱效率以及出水溫度方面相對不利，但正是這一原因，它具有較好的冬季防凍功能，這樣在夜間可以不用放空集熱系統(tǒng)；采用普通水的集熱系統(tǒng)（開式系統(tǒng)）特點(diǎn)則正好相反。由于這兩種系統(tǒng)目前在工程中都有所應(yīng)用，對于本工程來說，在設(shè)計(jì)階段評價(jià)其優(yōu)劣還不具備充分的條件。因此，本設(shè)計(jì)首先要考慮的是：在無法確定最終訂貨設(shè)備廠家（由于此產(chǎn)品的特殊性，訂貨的廠家與設(shè)備的特性是密切聯(lián)系在一起的）的情況下，從安全的角度出發(fā)，暫時(shí)按照開式系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此系統(tǒng)中必須考慮夜間的“放空”問題以防止凍結(jié)。如果甲方最終選擇閉式系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)留有對系統(tǒng)進(jìn)行必要的調(diào)整的余地。在開式系統(tǒng)中，必須考慮到不同的集熱器安裝高度問題。如果安裝高度相差較大的的集熱器設(shè)置于同一個(gè)系統(tǒng)之中，在水力平衡、運(yùn)行控制方面都可能出現(xiàn)問題。因此，本設(shè)計(jì)分為了高區(qū)和低區(qū)兩個(gè)大的集熱系統(tǒng)。4設(shè)計(jì)集熱水溫度對集熱水溫度的要求與室內(nèi)供暖溫度的需求是密不可分的，從使用意義上說，室內(nèi)供暖水溫是確定集熱水溫的決定性因素，因?yàn)椴荒軡M足使用要求的“節(jié)能”是沒有意義的。但是，從太陽能利用的特點(diǎn)來看，要維持“大流量”條件下的“高溫”集熱水是困難的甚至無法做到的。因此，我們可以認(rèn)為，太陽能作為供暖使用時(shí)，其提供的是相對“低位”的熱源。如何利用好這個(gè)“低位”熱源，是提高太陽能利用率的關(guān)鍵。從采暖系統(tǒng)來看，低溫的集熱水實(shí)際上是要求室內(nèi)采暖供水溫度盡可能降低，顯然，地板輻射供暖系統(tǒng)具有這樣的特點(diǎn)。結(jié)合前述，本工程對集熱系統(tǒng)的水溫要求是：供水溫度：40℃，出水溫度50℃。蓄熱系統(tǒng)盡管太陽能是一個(gè)非常充足的能源，但其存在一個(gè)重要的特點(diǎn)：單位面積的能量密度隨時(shí)刻有很大的變化，這導(dǎo)致我們不是任何時(shí)候都能夠“按需索取”的。從采暖來看，通常采暖負(fù)荷出現(xiàn)的最高值在夜間，即使對于辦公樓這種典型的、主要在白天使用的建筑，我們也有理由認(rèn)為，需要的最大供暖能力應(yīng)該在上班時(shí)出現(xiàn)（非工作時(shí)間可以保持相對較低的室內(nèi)溫度），而太陽輻射的最大能量則出現(xiàn)在中午時(shí)刻。主動充分利用太陽輻射能進(jìn)行供暖的一個(gè)有效方法就是設(shè)置蓄熱系統(tǒng)。結(jié)合本工程實(shí)際情況來看，設(shè)計(jì)中對兩種蓄熱方式進(jìn)行了一定的方案比較。1利用土壤蓄熱通過在土壤中埋設(shè)塑料管道，將多余的熱量儲存在室外土壤之中，在需要時(shí)從中取出熱量進(jìn)行供熱。此方式的優(yōu)點(diǎn)是：可以將一部分夏季的熱量儲存于土壤之中，由于土壤是一個(gè)巨大的蓄熱體，可以根據(jù)要求提供很大的蓄熱量。但是，土壤蓄熱存在的問題也是比較明顯的：（1）目前尚無準(zhǔn)確的計(jì)算方法來詳細(xì)計(jì)算土壤的全年熱平衡，因此對于蓄熱溫度和取熱溫度等參數(shù)上存在一些不可預(yù)知因素；（2）對土壤體積的需求量較大，在本項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)起來有一定困難；（3）通過計(jì)算表明，如果利用土壤蓄熱，由于土壤在的熱損失而需要集熱器增加約30%以上的面積（與后面提到的水蓄熱相比），投資有較大的增加。2水蓄熱方案按照典型設(shè)計(jì)日全天熱平衡的思路——在白天，利用太陽能直接供熱，同時(shí)將白天多余的集熱量以熱水形式蓄存，用于不同時(shí)刻（如夜間）的供暖需要。由于集熱器面積有限，本工程采用部分負(fù)荷水蓄熱方案。經(jīng)計(jì)算：典型設(shè)計(jì)日白天供熱量：14763kWh，蓄熱量為：4560kWh，在考慮蓄熱水溫差為5℃和15%的蓄熱損失的條件下，計(jì)算要求的蓄熱水箱體積約為：1000m3。從投資和全年電費(fèi)來看，水蓄熱只有前述采用土壤蓄熱方式投資的60%左右，電費(fèi)的70%左右。并且該系統(tǒng)較為可靠，運(yùn)行管理相對方便。該系統(tǒng)的不足之處是需要占用一定的室內(nèi)建筑面積。3蓄熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)在本工程地下室建設(shè)混凝土蓄熱水箱，除了蓄熱所需要的容積外，該水箱還考慮到對于在夜間將開式集熱系統(tǒng)水全部放空至水箱所需要的容水量和一定的非存水高度，因此，水箱實(shí)際空間容積接近1500m3。取熱系統(tǒng)本設(shè)計(jì)采用板式換熱器作為換熱設(shè)備，其設(shè)計(jì)水溫參數(shù)為：一次水（集熱水）40/50℃，二次水（采暖水）41/36℃。如前所述，采用換熱方式顯然對于太陽能的利用還不是最充分的。如果考慮將集熱水直接作為室內(nèi)采暖熱水，實(shí)際上對集熱系統(tǒng)的要求可以更為降低，也會更有效的提高集熱效率。但是，設(shè)計(jì)人認(rèn)為：不論集熱系統(tǒng)是開式還是閉式系統(tǒng)，由于地板輻射采暖是一個(gè)閉式系統(tǒng)，將兩者分開，在運(yùn)行管理上會帶來更多的優(yōu)點(diǎn)。如果不分開：開式集熱系統(tǒng)顯然不適合于有“閉式”要求的室內(nèi)采暖系統(tǒng)；而閉式集熱系統(tǒng)的防凍液也不宜直接作為采暖熱媒。本工程集熱、蓄熱及取熱系統(tǒng)如圖3所示。設(shè)計(jì)總結(jié)太陽能是一個(gè)取之不盡、用之不絕、并且利用過程中不會造成環(huán)境污染的清潔能源，在我國目前的能源緊張和國家大力推行建設(shè)“節(jié)約型社會”、“四節(jié)一環(huán)保”的形勢下，積極推動太陽能的利用有著積極的意義。按照XX地區(qū)冬季日照率77%計(jì)算，如果對于一個(gè)采用全負(fù)荷蓄熱的、利用太陽能采暖的建筑而言，理論上可以節(jié)約70%以上的冬季采暖能耗，這是相當(dāng)可觀的。在利用過程中，要注意以下幾點(diǎn)：蓄熱系統(tǒng)對于采暖而言，太陽能的逐時(shí)分布情況與采暖負(fù)荷的逐時(shí)分布情況在性質(zhì)上幾乎是“相反”的（太陽能的最大值時(shí)刻正好是采暖負(fù)荷的最小值時(shí)刻）。因此通常來說，我們應(yīng)該考慮蓄熱措施?！暗臀弧蹦茉聪到y(tǒng)由于目前在流行的太陽能集熱器產(chǎn)品在集熱效率等方面等還處于較低的水平（大多數(shù)不超過40%），因此，目前我們所利用的太陽能仍然是以“低位”能源為出發(fā)點(diǎn)來考慮的，這就要求我們在利用過程中盡量考慮到這一特點(diǎn)才能有效的提高集熱效率和利用效率。從采暖來看，集熱水的相對低溫對于散熱器采暖存在一定的限制條件，但對于地板輻射采暖系統(tǒng)則是比較吻合的。因此建議將此二者相結(jié)合來考慮。輔助熱源太陽輻射強(qiáng)度與天氣情況等密切相關(guān)，并不是任何時(shí)候都能“隨心所欲”的利用太陽能。即使以XX77%的日照率來說，仍然有23%的時(shí)間不能充分利用太陽能，這時(shí)我們必須設(shè)置相應(yīng)的輔助熱源，才能保證建筑采暖的正常需求。在本設(shè)計(jì)中，輔助熱源容量按照以下兩者計(jì)算結(jié)果的較大值設(shè)置：