1 引言
我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，同時(shí)伴隨著能源消耗急劇增長(zhǎng)，環(huán)境污染加劇。環(huán)境保護(hù)成為當(dāng)下民眾關(guān)注重點(diǎn)。但是經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開(kāi)能源的支持，開(kāi)發(fā)和使用新能源及綠色能源是今后發(fā)展的趨勢(shì)，在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中如何采取節(jié)能措施和利用可再生能源成為工程設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)重要任務(wù)。
2 太陽(yáng)能利用
2.1太陽(yáng)能資源
可再生能源開(kāi)發(fā)利用中，太陽(yáng)能是人類(lèi)迄今為止所認(rèn)識(shí)的最清潔的可再生能源，太陽(yáng)能一直是大家廣泛關(guān)注的重點(diǎn)，受太陽(yáng)能熱水利用的啟發(fā)，越來(lái)越多的人在考慮如何將太陽(yáng)能用于建筑供暖系統(tǒng)中。
我國(guó)是世界上太陽(yáng)能資源最豐富的大國(guó)之一，擁有得天獨(dú)厚的自然資源。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》，我國(guó)的太陽(yáng)能資源分為四類(lèi)地區(qū)，第一類(lèi)，太陽(yáng)輻照量大于6700MJ/m2年的資源豐富區(qū)。二類(lèi)：太陽(yáng)輻照量在5400MJ/m2~6700MJ/m2年的資源較豐富區(qū)。三類(lèi)：太陽(yáng)輻照量在4200MJ/m2~5400MJ/m2年的資源一般區(qū)。四類(lèi)：太陽(yáng)輻照量在小于4200MJ/m2年的資源貧乏區(qū)。山東濟(jì)南地處山東屬于三類(lèi)地區(qū)，太陽(yáng)輻照量為5276MJ/m2年，太陽(yáng)能資源為一般情況。太陽(yáng)能作為建筑供暖是否合適需綜合考慮。
2.2太陽(yáng)能供暖
太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)與常規(guī)能源供暖系統(tǒng)的主要區(qū)別，在于它是以太陽(yáng)能集熱器
作為能源，部分替代以煤、石油、天然氣、電力等作為能源的鍋爐。太陽(yáng)能集熱器獲取太陽(yáng)輻射能而轉(zhuǎn)化的熱量，通過(guò)散熱系統(tǒng)送至室內(nèi)進(jìn)行采暖；過(guò)剩熱量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)熱水箱中內(nèi)；當(dāng)太陽(yáng)能集熱器收集的熱量小于供暖負(fù)荷時(shí)，由儲(chǔ)存的熱量來(lái)補(bǔ)充；若儲(chǔ)存的熱量不足時(shí)，由備用的輔助熱源提供。
2.3太陽(yáng)能供暖特點(diǎn)
太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)與常規(guī)能源供暖系統(tǒng)相比，有如下幾個(gè)特點(diǎn)：
2.3.1系統(tǒng)運(yùn)行溫度低 太陽(yáng)能集熱器效率隨運(yùn)行溫度升高而降低，要降低集熱器和供暖系統(tǒng)溫度。
2.3.2推薦地盤(pán)管供暖，運(yùn)行溫度35℃～45℃。風(fēng)機(jī)盤(pán)管和暖氣運(yùn)行溫度為55℃～65℃。
2.3.3有儲(chǔ)存熱量的設(shè)備 太陽(yáng)輻射受氣候和時(shí)間的支配，太陽(yáng)能不能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源。
系統(tǒng)必須有儲(chǔ)存熱量的設(shè)備；如儲(chǔ)熱水箱等。
2.3.4與輔助熱源配套使用 氣候變化或陰雨天等沒(méi)有日照時(shí)，太陽(yáng)能不能成為獨(dú)立的能源。
輔助熱源可采用電力、燃?xì)狻⑷加秃蜕镔|(zhì)能等。
2.3.5適合在節(jié)能建筑中應(yīng)用 建筑物供暖的需求且達(dá)到一定的太陽(yáng)能保證率，需要足夠多的太陽(yáng)能集熱器。
2.3.6保溫水平低，門(mén)窗氣密性差的建筑不適合使用太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)。
3 工程模擬
3.1工程概況
濟(jì)南市某別墅，建筑面積300m2，地下一層，地上2層，由于城市集中供熱尚未覆蓋此區(qū)域，故供暖系統(tǒng)熱源擬采用燃?xì)忮仩t+太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)，供暖末端采用低溫地板輻射供暖系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能輔助燃?xì)鉅t供暖及供熱水系統(tǒng)的集成，以適應(yīng)當(dāng)前的低碳經(jīng)濟(jì)政策和推廣太陽(yáng)能的綜合開(kāi)發(fā)利用。
圖1 工程概況
圖2 太陽(yáng)能建筑相結(jié)合
3.2設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)
3.2.1 日照情況
濟(jì)南市當(dāng)?shù)鼐暥葹楸本?6°41′，平均日照時(shí)數(shù)為2272.1小時(shí)，年平均日太陽(yáng)能輻照量為17447kJ/ m2，太陽(yáng)能保證率為30％。
3.2.2 供暖參數(shù)
計(jì)算采暖期平均環(huán)境溫度1.8℃供暖室外計(jì)算溫度-5.3℃室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度：18℃；設(shè)計(jì)供/回水溫度45℃/35℃。
3.2.3 生活熱水參數(shù)
冷水溫度15℃。設(shè)計(jì)熱水供水溫度60 ℃
3.2.4 系統(tǒng)熱負(fù)荷
3.2.4.1供暖熱負(fù)荷：3.2.4.1.1太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的供暖熱負(fù)荷：31269kJ/h3.2.4.1.2燃?xì)忮仩t負(fù)擔(dān)的供暖熱負(fù)荷：45360kJ/h3.2.4.2熱水熱負(fù)荷：3925kJ/h系統(tǒng)設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷負(fù)荷為49285kJ/h
4 系統(tǒng)原理及控制方法
4.1系統(tǒng)形式：間接式太陽(yáng)能加燃?xì)忮仩t輔助加熱供熱采暖系統(tǒng)。末端供暖系統(tǒng)類(lèi)型：低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)。
4.2 系統(tǒng)原理：4.2.1集熱循環(huán)：太陽(yáng)能集熱器中加熱液態(tài)傳熱工質(zhì)，再通過(guò)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)換熱器由該種傳熱工質(zhì)與儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的水進(jìn)行換熱。4.2.2供暖循環(huán)：利用循環(huán)泵將熱水送至低溫地板輻射供暖系統(tǒng)中的分水器，分水器將熱水送至各個(gè)房間進(jìn)行供暖，放熱后的水再進(jìn)入集水器，回到儲(chǔ)熱水箱，再換熱；4.2.3生活熱水：直接利用。4.2.4當(dāng)太陽(yáng)能不能提供系統(tǒng)的全部能量時(shí)，燃?xì)忮仩t啟動(dòng)加熱供水。
4.3 控制方法
水箱水溫設(shè)定溫度60℃。4.3.1集熱系統(tǒng)高溫保護(hù)及溫差循環(huán)控制：當(dāng)T1-T2大于等于8℃且水箱內(nèi)溫度≤75℃時(shí)，集熱循環(huán)泵P1啟動(dòng)溫差循環(huán)；當(dāng)T1-T2小于等于3℃或水箱內(nèi)溫度＞75℃時(shí)，集熱循環(huán)泵P1關(guān)閉。4.3.2燃?xì)鉅t啟?？刂疲寒?dāng)水箱水位大于等于防干燒設(shè)定水位且水箱溫度T3小于55℃時(shí)，燃?xì)鉅t及循環(huán)泵P3開(kāi)啟；當(dāng)水箱水位小于等于水箱防干燒設(shè)定水位或T3大于60℃時(shí)，燃?xì)鉅t及循環(huán)泵P3關(guān)閉。4.3.3水箱補(bǔ)水控制：當(dāng)水箱水位小于補(bǔ)水水位時(shí)，補(bǔ)水電磁閥2開(kāi)啟；當(dāng)水箱水位大于等于水箱補(bǔ)水水位時(shí)，補(bǔ)水電磁閥2關(guān)閉。4.3.4生活熱水控制：當(dāng)管道溫度T4小于55℃時(shí)，電磁閥3開(kāi)啟；當(dāng)管道溫度T4大于60℃時(shí)，電磁閥3關(guān)閉。增壓泵P2采用變頻控制，維持水泵出口壓力恒定。4.3.5防凍控制：當(dāng)溫度T5小于等于5℃時(shí)，循環(huán)泵P1啟動(dòng)；當(dāng)T5大于等于10℃時(shí)，循環(huán)泵P1關(guān)閉。當(dāng)溫度T5小于等于4℃時(shí)，電伴熱啟動(dòng)；當(dāng)T5大于等于9℃時(shí)，電伴熱關(guān)閉。
圖3 控制原理圖
6 經(jīng)濟(jì)性分析
6.1本方案：燃?xì)鉅t成本10000元 水箱：3000元 集熱器成本:20*1500=30000元 循環(huán)泵3000元 安裝費(fèi)用2000元 日燃?xì)赓M(fèi)用1.37m3/h(燃?xì)鉄嶂?*24h*2.7元=88.78元/d
供暖季燃?xì)赓M(fèi)用88.78元/d*120d=10654元
按修正系數(shù)后燃?xì)赓M(fèi)用10654*0.7（太陽(yáng)能不保證率）*0.7（使用時(shí)間）=5219元 供暖季，泵運(yùn)行費(fèi)用：1*24*0.55*120*0.7*0.7=776元6.2 集中供熱：供暖季供熱費(fèi)用26.7*300=8010元
燃?xì)鉄崴鳎ü┥顭崴?000元
按5年考慮總費(fèi)用： 5年集中供熱:5*8010+6000=46050元5年本方案：10000+30000+3000+2000+5219*5+776=71871 元經(jīng)計(jì)算需要18年才能回收。
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