太阳能与建筑一体化技术及应用

太阳能与建筑一体化技术及应用北京市太阳能研究所有限公司国家新能源工程技术研究中心内容一、太阳能热水器应用概况二、城市建筑太阳能系统方案技术比较三、集中集热-分户供水系统特点四、与建筑一体化太阳能系统设计五、结论2006世界实际能耗14.5TW2050世界预测能耗30TW2100世界预测能耗46TW未开发水力0.5TW生物质能3TW地热能12TW可利用风力2TW全球总太阳能120,000TW（600TW）太阳能在未来能源中的主导地位利用太阳能的意义建筑能耗占家庭能耗很大部分建筑供热负荷是低温负荷，适宜用太阳能太阳能是新能源和可再生能源没有温室气体CO2的排放没有SO2、NOX和烟尘等污染物排放替代化石燃料，可节约资源当地使用，减少燃料供应的交通负担我国太阳热水器年节能减排量项目每平米环境效益年节能减排量节能量150kgce1620万吨SO23.96kg42.8万吨NO21.98kg21.4万吨烟尘3.06kg33.0万吨温室气体322kg3478万吨数据来源：中国太阳能热水器产业发展报告，2006~2007建筑中太阳能利用方式•太阳能提供生活热水•太阳能供暖•太阳能空调•太阳能通风•太阳能导光照明•太阳能炊事•太阳能发电•太阳能光电应用：路灯、庭院等、指示牌中国太阳能利用现状中国是太阳能资源较丰富国家，三分之二的国土面积日照时数在2200小时以上，陆地接受的太阳能相当于2.4万亿吨标准煤。中国是太阳能利用最广泛的国家，2008年太阳能热水器市场保有量1.35亿平方米，占世界总量的一半以上。中国太阳能人均水平位于世界第9位，有很大市场发展潜力。产品以户用全玻璃真空管太阳能热水器为主我国太阳热水器市场概况数据来源：中国太阳能热水器产业发展报告年份总产量(万m2)保有量(万m2)2003年120050002004年135062002005年150075002006年180090002007年2300108002008年3100125002009年420014500世界各国太阳能热水应用概况世界各国人均拥有的太阳热水器城市太阳能热水器现状太阳能与建筑结合必要性太阳能在城市规模应用的障碍•太阳能热水器技术水平、性能质量与建筑一体化要求有差距•应用技术的标准需完善，包括标准规范、技术手册、设计措施、标准图集和设计软件的完整技术支撑体系；•大规模工程实践不足，缺乏必要的基础设计参数；•建筑设计主体的各专业建筑设计院，基本上还无法介入太阳热水系统的设计。国内外城市太阳能市场差异•建筑差异性（低层独栋与中高层）•产品差异性（平板与全玻璃真空管）•国内外用水习惯差异（水质、承压）•系统维护成本差异（可靠性）•太阳能和建筑一体化的要求太阳能热水器在技术上的发展趋势（1）太阳能热水器将与建筑相结合•在外观上，合理摆放太阳能集热器，实现太阳能热水器与建筑的协调与统一；•在结构上，确保建筑物的承重、防水、抗风等功能不受影响；•在管路布局上，合理布置太阳能循环管路以及冷热水供应管路；•在系统运行上，要求系统可靠、稳定、安全，易于安装、检修、维护。（2）太阳能热水器将逐步完善功能这些功能包括：•具有防冻或抗冻功能——全年用热水系统；•集热器回路与生活用水回路分开——双循环系统；•采用顶水法取热水——承压水箱；•全天候运行——跟辅助能源配套。（3）太阳能热水器将成为耐用消费品•热水器主体——结构设计选用材料制造工艺•热水器另配件——认真调研严格选取（4）太阳能热水器将扩大应用范围•太阳能游泳池加热•太阳能采暖•太阳能空调——夏季制冷冬季采暖全年热水•太阳能海水淡化•太阳能工业加热适合与建筑结合的太阳能集热器•平板型太阳能集热器•热管式真空管太阳能集热器•直流式真空管太阳能集热器共同特点:最宜实现太阳能热水器与建筑相结合中高层太阳能热水系统分户集热-分户供水集中集热-分户供水集中集热-集中供水高层太阳能热水系统难点阳台热水器安装时出现阳光遮挡问题集中集热-集中储水系统热水计量和收费问题集中集热-集中储水系统热水和冷水压力平衡问题屋顶可安装太阳能集热器面积制约分户家用机系列优点：无需热水收费管理；系统产权明晰，系统日常护、故障维修方便。缺点：用户自行选择，厂家安装，影响屋面防水，破坏小区整体效果。低层用户用水点管线长，需要排空较多管内冷水，热损相对较大。管道多，布置困难，不适宜中高层建筑分户集热-分户供水优点：无需热水收费管理系统产权明晰，日常维护、故障维修方便缺点：出现各楼相互遮挡情况时，高楼的低层用户不适宜安装塔楼非朝阳面住户不适宜安装用水点离阳台较远，安装管线长，用水时需要排空较多管内冷水楼房相互遮挡问题案例遮挡建筑性质建筑高度（m）建筑间距/高度建筑长度（m）阳台热水器最低安装高度16层板楼17.41:1.7321.4726层板楼17.41:1.7961.61318层板楼511:1.7326.94（3层）418层板楼511:1.74966.18（3层）518层独栋塔楼511:12222（8层）618层多栋塔楼511:1.22219.9（7层）718层多栋塔楼511:1.52212（4层）注：1）楼间距按满足大寒日满窗日照2小时计算2）热水器最低安装高度按大寒日楼中央满足连续日照4小时计算3）资料来源：《住宅建筑太阳能热水系统整合设计》集中集热-集中供水特点：集热器集中设于屋顶或采光最好的位置，与各户实际日照条件无直接关系系统安装简洁、效率高，管线少、易安装热水共用，利用率高缺点：需要分摊辅助加热费用及水费，因此需要分户计量收费，给系统管理、维护带来困难采用电辅助加热，加热功率大，有时需要电力增容，大大增加系统初投资系统系统工作时间长，管道散热多，增加热水成本高层供水系统需解决冷热水压力平衡问题系统运行费用系统规模：20吨/天，太阳能保证率60%运行费用：1）维修费用，4000元/年，折合每吨热水约0.55元/吨2）水泵耗电，1500元/年，折合每吨热水约0.20元/吨3）辅助电加热所需电费，85000元/年，折合每吨热水约11.6元/吨4）自来水的水费，3.7元/吨。每吨水需摊销成本：集中集热-集中储水：16.05元/吨（必须进行计量收费）集中集热-分户储水：0.75元/吨（纳入楼宇基础公摊费用）集中集热、分户供水—无需计量系统特点：一次循环系统产权归物业管理部门管理，便于管理维修；二次户内热水系统产权归业主所有，使用者可直接面对厂家，避免物业管理部门与业主之间产生矛盾。太阳的热量免费提供给用户使用，用户仅需支付系统运转所需的少量费用。集中集热、分户供热系统优点•使用经济性集中采热、分户供热系统太阳能产生的热量是通过换热的方式提供给用户的，用户无须支付太阳能产生热量的费用,只是在太阳辐照不足时使用需支出少量电费，总体使用成本低廉。•管理便捷性本系统集热器及循环控制设备均设置于公共空间，便于物业统一管理和维护，能够更有效地保证系统长期正常运行，在设备使用寿命期限内持续发挥效力，避免了用户因维护成本高所造成的投资浪费。•公摊费用低因系统仅通过热媒换热向住户提供热量，故无需物业统一计量收费，系统运行费用低廉，用户易于承受。用户公摊费用低－仅需支付循环水泵的电耗。•建筑协调性（美观）真正满足“建筑一体化”的概念－集热器统一安装，可与建筑良好的结合。系统集热器集中设于屋顶采光最好的位置，与各户实际日照条件无直接关系，亦不需要每户均设南向阳台，因而建筑平面布局可以相对灵活。不多占用室内空间，也可少增加土建成本。集中集热、分户供热系统优点太阳能安装面积集中太阳能热水系统按每户平均安装太阳能集热器1.5~2平米计算，晴天可供应热水约80~120升。屋顶太阳能集热器最大安装面积一般为平屋顶面积（可安装部分）的40~50%。根据以上原则，屋顶安装面积一般满足高层建筑（如20层）户用热水所需太阳能系统安装要求。系统特点总结不需计量、不收费，管理方便；分户电辅助加热，避免“公摊”，不需电力增容；冷热水易于均衡－热水与冷水是同源同压供水；二次换热系统，无污染；承压水箱供水，用水舒适度高；集热器安装屋顶，不易遮挡，系统效率高；适应性强－多层及小高层均适用。太阳能工程系统介绍太阳能集热器水箱控制系统管路管件水泵辅助热源太阳能系统支架系统组成太阳能集热器选型热管集热器平板集热器全玻璃集热器集热器性能比较项目平板集热器全玻璃真空管热管真空管集热器可靠性•不适合全年使用•水垢隐患大•冻裂隐患大•不适合做大面积工程•密封胶圈隐患大，微承压，不宜在较大压力下使用•管内水垢隐患大，需定期排空清除•有冻裂的隐患•适合做大面积工程•承压性能好，全金属密封，承压0.6Mpa•管内无水垢隐患•抗冻性能优良•一支管破损，全系统正常运行热性能•集热性能受季节、环境影响较大，北方地区冬季热性能明显降低•水温高于55℃时，集热器热效率明显降低•热效率高，但热容过大，冬季运行集热器启动较慢•空晒上水炸管，严禁空晒上水•热效率高•热容小，启动快•冬季热性能较好•多云天气性能较好稳定性•安装较简单•耐候性差•使用寿命较短•安装较简单•需定期维护•使用寿命长•安装快捷•维护方便•使用寿命长经济性•造价较低•南方使用性价比较好•造价较经济•全年使用性价比较好•造价较高•系统全年使用性价比较好集热器面积的确定式中Ac——直接式系统集热器总面积，m2；Qw——日平均热水负荷，w；JT——系统使用期的当地在集热器平面上的平均日太阳能辐照量，J/m2；f——太阳能保证率，应根据系统使用期内的太阳辐照条件、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定，一般取值0.3~0.8，可参考表（5-5）选取；ηcd——系统使用期的平均集热效率，一般取值0.25~0.50，或根据集热器产品实测的效率方程计算；ηL——管道及贮水箱热损失率，一般取值0.2~0.3。)1(86400LcdTwcJfQA)1(hxhxCLRcINAUAUFAA•2、换热水箱换热水箱容积：80~120L内胆材料：搪瓷承压水箱（承压8MPa）保温材料：采用聚氨酯整体发泡，厚度≥45㎜；内置电加热：1.5KW水电隔离电加热热交换器：水箱内置换热器。安装位置：卫生间，阳台，或室外3、储热水箱：太阳能落水水箱容积的计算主要考虑因素：为避免频繁启动，需要考虑1-1.5小时左右的蓄热量。4、水泵水泵流量和扬程按规范选用，各配备两台循环泵，一用一备。5、辅助热源辅助热源采用电加热，分别在每个用户水箱中安装自限温控制电加热，能够实现加热、保温等功能。电加热采用1.5KW水电隔离式，保证用水安全可靠，电加热设置漏电保护，确保用电安全。6、控制系统：太阳能集热系统：温差循环控制；热水循环：定温控制其它控制功能：防过热；防冻7、管路管件本太阳能系统加热工艺热水，对水质有较高要求，一般可用镀锌钢管、不锈钢管和铜管。管路保温采用像塑，保温层厚度30mm，管路外皮为铝板，保温效果好，且美观耐用。8、支架室外支架（含太阳能集热器支架及管路支架等）均采用40*40热镀锌角钢。太阳能集热器支架按照设计焊接成形，并与建筑物合理地相互连接成一整体，确保安装的稳定牢固和安全性能。Companyname万平方米。共有住宅楼26栋，其中11层6栋，16层6栋，18层6栋，20层8栋，总户数2424户天津顶秀欣园项目奥运村幼儿园直流管太阳能系统结论太阳能与建筑结合是其技术发展趋势城市中高层建筑适宜安装太阳能热水系统，屋顶可安装面积一般可满足安装要求，水箱容积宜在90-120升范围内选取；楼距较小时，不宜选用阳台式太阳能热水器集中集热分户储水系统公摊运行费用低、系统可靠、管理方便，是一种优点显著便于推广系统。