太阳能供热空调系统在超低能耗建筑中的设计分析

王敏，何涛，徐伟，李博佳，张昕宇

（1．清华大学，北京100084;2．中国建筑科学研究院，北京1000131

 [摘要]超低能耗建筑的发展和建筑用能特性的变化为供热空调系统设计提出了新挑战，也为以可再生能源为主的供热空调系统提供了新的发展机遇。本文以某超低能耗建筑为例，对供热空调系统的设计方法和技术要点进行分析和探讨，说明超低能耗建筑的供热空调系统设计应综合考虑多种能源形式，提高能源系统效率，实现可再生能源的最大化利用。此外，使用可再生能源的供热空调系统更为复杂，需要进行科学细致的计算分析和设计，在实际运营过程中，要持续、细致地进行调试与优化。

 [关键词]供热空调系统；超低能耗建筑；太阳能；系统设计；性能系数

O  引言

根据国际能源署的研究成果，全球范围内建筑运行能耗约占全社会终端能耗总量的30%。建筑能耗的增长受到世界各国的高度重视，发达国家制订了节能法规，还专门针对建筑节能制定了一系列法规、标准，并不断修订，推进建筑节能的发展。经过多年的技术研究和示范建筑验证，美国、英国、法国、德国等发达国家发展“零能耗建筑”的技术路径日趋清晰，并提出了相应的发展目标和规划。国际上主要国家有关本国超低能耗建筑的发展目标及政策，如表1所示。

 随着我国对建筑节能标准的不断重视，建筑能耗限值指标也在不断降低。但我国建筑体量通常较大、基础研究尚不充分、产业支撑稍有欠缺，因此主要在被动式建筑超低能耗领域开展了研究和示范，通过示范建筑积累经验，逐步迈向更低能耗建筑，直至“零能耗建筑”。

 目前，国内外发展被动式超低能耗建筑已成为新的趋势。实现超低能耗、零能耗建筑的技术路径主要包括：准确的建筑负荷及能耗预测；被动式建筑设计降低负荷；高性能建筑能源系统；可再生能源最大化利用；建筑能耗监控、调试、运行策略。在建筑用能系统中，供热空调系统在建筑能耗中所占比例较大，是主要的节能控制对象。在超低能耗建筑的供热空调系统设计过程中，提高能源利用效率，最大化利用可再生能源，是实现超低能耗、零能耗的重要技术手段。

2太阳能为主的供热空调技术

 可再生能源在建筑供热空调系统中的应用，通常包括太阳能光热、光伏、风力发电以及地源热泵等技术。目前，太阳能作为开发研究最多、应用最广的可再生能源，在可再生能源为主的建筑供热空调系统中占有重要地位。

太阳能为主的供热空调技术经过多年的发展，在技术的成熟度和实际工程的应用效果方面都有了很大的进步，也有成功应用的案例。例如第29届奥运会青岛基地后勤保障中心太阳能空调系统，该系统于2007年建成，吸收式冷水机组制冷量为264 kW，采用638H12的平板型太阳能集热器。2013年7月，国家太阳能热水器质量监督检验中心（北京）办公楼太阳能空调系统建成，如图1所示。该系统采用U形管式真空管型太阳能集热器，轮廓采光面积为457rri2，安装倾角为25。，由一台176 kW溴化锂吸收式冷水机组制冷。实测结果显示，该系统夏季太阳能保证率为83%，冬季太阳能保证率为72%。

 然而，受太阳能能量密度低、不稳定，以及经济性欠佳等诸多因素制约，太阳能供热空调未得到大范围推广应用。

 随着被动式超低能耗建筑技术的发展，建筑用能特性和常规建筑相比发生了较大变化。为实现零能耗、近零能耗，其通常具有以下特点：良好的保温结构和蓄热性能，高效的照明、电器、办公设备，热回收，可再生能源利用等。以上这些特点，为太阳能为主的供热空调系统在超低能耗建筑中的应用带来了良好的条件。其中超低能耗建筑围护结构良好的保温性能，降低了建筑冷热负荷，使得太阳能供热空调系统的规模得以减小，从而改善了其经济性。而良好的蓄热特性，也使得太阳能供热空调系统在太阳辐照变化时有着更好的可靠性。

 为实现最大化利用可再生能源，提高能源系统效率，克服太阳能不均匀性与不稳定性，应用于被动式超低能耗建筑的太阳能供热空调系统需要针对建筑特点，进行科学细致的计算分析、设计，综合利用多种能源形式，保证供热空调效果的同时，提高建筑能源系统性能，实现可再生能源利用的最大化以及经济性的改善。

 本文以某超低能耗建筑中的太阳能供热空调系统的设计实践为例，对太阳能为主的供热空调系统在超低能耗示范建筑中应用的设计方法进行了分析和讨论。

3  设计方法与案例分析

3.1建筑概况

 该超低能耗示范楼项目总建筑面积为4 025m2，地上4层，建筑高度为17. 30 m。首层为门厅、会议室、监控室和办公室等；二层为会议室和办公室等；三层为办公室等。四层为展示型会议室和办公室等。

该示范建筑以近零能耗为目标，达到建筑能效评价标识最高等级标准，并以中国绿色建筑评价标准三星级，LEED绿色建筑评价标准金级为目标进行设计和建造。在设计中秉承“被动优先，主动优化，经济实用”的原则，在建筑设计中采用了真空绝热保温、可调节中置遮阳、Low-e真空玻璃等多种被动式节能技术，大幅降低了建筑供热供冷需求，为太阳能为主的供热空调系统的应用提供了良好的基础。

3.2  建筑能耗模拟计算

准确的建筑负荷及能耗预测，可以为超低能耗建筑供热空调系统的设计提供基础数据，并作为优化供热空调系统设计的依据。常规的建筑能耗计算多采用稳态传热的计算方法，分析建筑物能耗。而超低能耗建筑的用能特性和常规建筑相比发生了较大变化，使得基于稳态简化算法计算得到的建筑能耗误差偏大。与此同时，可再生能源的不稳定性，也使得建筑能源系统的供能特性变得更为复杂，建筑供冷供热需求和可再生能源供能特性并不能保持很好的一致性，如图3所示为某建筑全年耗热量和太阳能供热量关系。

 因此需要对建筑以及建筑的供热空调系统建立模型，对建筑的供热供冷需求和系统供能特性进行逐时的动态计算，得到更精准的建筑能耗数据，为被动式超低能耗建筑的太阳能供热空调系统设计及运行控制策略的优化提供基础数据，实现可再生能源利用的最大化。

 通过建筑能耗模拟计算及优化，建筑夏季空调负荷计算值为38 W／m2，冬季供暖负荷计算值为15W/m2。

3.3供热空调系统设计

为实现建筑设计阶段确定的全年供热、空调、照明总能耗小于25 kW - h/( m2 -a)的目标，建筑供热空调系统设计过程中综合考虑了多种能源形式，最终确定了以太阳能为主，结合多种能源形式，最大化利用可再生能源的设计思路，并对太阳能供热空调系统+燃气锅炉辅助、太阳能供热空调+常规空调系统辅助、太阳能+地源热泵供暖空调系统进行了技术分析。

 通过技术分析，如采用太阳能供热空调系统+燃气锅炉辅助的系统形式，为克服太阳能不稳定性的缺点，需要较大面积的太阳能集热器，超出了建筑屋顶可布置集热器的面积。同时，当太阳辐照量不足时，需要利用燃气锅炉加热水驱动吸收式空调机组，由于吸收式空调机组的COP较低，考虑到锅炉效率，此时系统的一次能源利用率较低。

 如采用常规空调系统进行辅助，可提高太阳辐照不足、吸收式空调机组无法启动时的系统COP，提高系统的一次能源利用率。而地源热泵系统作为可再生能源利用技术之一，较常规空调系统更高效．更节能，符合超低能耗建筑最大化利用可再生能源的设计目标。

因此本系统最终选择太阳能+地源热泵的供热空调方案。夏季以太阳能驱动吸收式空调机组满足夏季空调基础负荷，不能满足的部分由地源热泵系统满足。冬季优先利用太阳能满足冬季供暖负荷，当太阳辐照量不足时由地源热泵系统补充，不再采用市政供暖。系统原理图如图5所示。

3,4主要设备选型

 1)太阳能集热系统

 该超低能耗示范建筑采用太阳能为主的供热空调系统，吸收式制冷机组的工作温度高于供暖系统温度，因此需要集热器在进口温度较高时仍能保持相对较好的集热效率。为充分利用太阳能并对不同集热器效果进行对比，太阳能集热系统包括真空管型太阳能集热器和槽式集热器两个系统。

 在真空管型太阳能集热器中，U形管式真空管型太阳集热器集热效率高，冬季运行效果好，具有承压运行，更换方便，易于维护，运行成本低等特点。且U形管内径较小，其内部传热工质容量也较全玻璃真空集热管小，冬季需要的防冻液更少，本项目选用山东力诺瑞特公司生产的中温真空管型太阳能集热器。经过设计计算，在建筑屋顶共布置140块，总面积320.6 m2。

聚光型集热系统较为复杂，在建筑中应用较少。为验证聚光型集热器在建筑中的应用效果，该超低能耗示范建筑的太阳能集热系统除常规的真空管型太阳能集热器外，还安装了一套槽式太阳能集热系统。该系统共设置2组槽式集热器，单组集热器外形尺寸为6 100 mm×250 mm x2 800 mm，总采光面积30m2。集热器安装在平屋面上，朝向正南放置。在追踪控制系统的作用下，集热器可实现全年跟踪太阳，以确保最大的集热效率。最终集热器布置如图6所示。

  2)空调机组

  本项目的吸收式制冷机组采用日本YAZAKI公司赞助的低温热源吸收式制冷机组，经过实际工程验证，该设备在70℃时即可开机制冷，在88℃时制冷效率可以达到0.7左右，与其他吸收式制冷机组相比，具有输入热源温度低，制冷效率高，体积小等特点。其性能参数如表2所示。此外，该系统还选用了2台制冷量分别为50 kW、99.5 kW的地源热泵机组，并在建筑周围布置70口地埋管。

3.5控制策略

 1)太阳能集热循环系统运行控制及过热保护

 当槽式集热器温度大于1 10℃或真空管集热器进出口温差大于5℃时，集热系统循环泵启动，开始集热。当真空管集热器出口温度大于过热保护设定温度时，开启空气冷却器对集热循环内工质进行降温。

 2)冬季供暖工况

 若蓄热水箱温度高于冬季供热温度，则由太阳能直接供热。

 若蓄热水箱温度低于冬季供热温度，则启动地源热泵机组及地埋管循环泵，由地源热泵系统供暖。

 3)夏季空调工况

 若蓄热水箱温度高于设定温度时，优先由蓄热水箱内的热水驱动吸收式制冷机组制冷满足供冷需求，当吸收式制冷机组制冷量不能满足冷负荷需求时，启动地源热泵机组及地埋管循环泵，此时吸收式制冷机组满负荷运行，电驱动热泵机组负责满足剩余的冷负荷。

 若蓄热水箱的温度低于设定温度，启动地源热泵机组及地埋管循环泵满足供冷需求。

 4)秋季蓄热工况

 当真空管集热器出口温度高于地埋管出口温度且不超过地埋管最高温度时，地源侧循环泵启动，利用太阳能将热量续存至地埋管。

3.6太阳能保证率

 1)冬季太阳能设计保证率

 集热器生产厂家提供的集热器瞬时效率曲线（基于总面积、集热器入口温度）为：叼。=0. 634 -1. 108Ti+。根据建筑所在地的气象数据以及太阳能集热系统的设计运行工况可以计算得到集热器在冬季的平均效率n。。为55qe。经代人数值计算，冬季太阳能保证率为72 010。

 2)夏季太阳能设计保证率

 根据建筑所在地的气象数据、厂家提供的集热器瞬时效率曲线，且吸收式空调机组效率按0.7计算，夏季设计太阳能保证率为69%。

3.7  实际运行效果

基于2015年6月试运行统计数据分析，如表3所示。从表中可以看出，该超低能耗建筑供热空调系统的吸收式制冷机组夏季工作时热媒水进口平均温度为77.6℃，制冷量为30. 54  kW左右，平均COP约0.58。根据该机组的性能曲线，在该热媒水进口平均温度下机组的COP为0.61。实测COP与该工况下机组设计值相差约4.5%，取得了较好的一致性。

 目前，项目设计团队将继续对该供热空调系统的全年运行数据进行监测，并依据监测结果对系统运行进行进一步优化调整。

4  总结

 超低能耗建筑的发展，建筑用能特性的变化，为供热空调系统的设计提出了新的挑战，也为可再生能源为主的供热空调系统提供了新的发展机遇。本文以某超低能耗建筑为例，对太阳能为主的供热空调系统的设计方法和技术要点进行了分析和探讨，得到主要结论如下：

 1)超低能耗建筑围护结构良好的保温性能和蓄热特性，大幅降低了建筑供热供冷需求，为太阳能为主的供热空调系统的应用提供了良好的基础。

 2)在超低能耗建筑的供热空调系统设计过程中，应综合考虑多种能源形式，通过技术分析比较，提高能源系统效率，降低建筑能耗，实现最大化利用可再生能源。

 3)结合可再生能源的供热空调系统更为复杂，需要进行科学细致的计算分析和设计。在实际运营过程中，也要持续、细致地进行调试与优化。