1 概述
玻璃幕墻的透光性好[1-2]，幕墻型太陽能光熱構(gòu)件有著巨大的應(yīng)用前景。太陽能光熱幕墻除了具有常規(guī)幕墻的功能以外，還能夠?qū)⒔邮盏降?a href=/topic/1206.html target=_blank>太陽能轉(zhuǎn)化為建筑所需的熱能。應(yīng)用太陽能光熱幕墻的建筑外立面無需再設(shè)外保溫層。夏季，太陽能光熱幕墻吸收了部分太陽能，對(duì)建筑起到一定程度的降溫作用。因此，太陽能光熱幕墻可有效降低建筑用于取暖、制冷的能源消耗。
目前，普通玻璃幕墻采用標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，施工時(shí)，按照施工工藝將構(gòu)件安裝到建筑結(jié)構(gòu)上即可。其具有如下特點(diǎn)：質(zhì)量穩(wěn)定可靠，可滿足不同的使用需求；拆卸方便，易于更換，便于維護(hù)；制作技術(shù)成熟[3]。太陽能光熱幕墻采用標(biāo)準(zhǔn)化幕墻型太陽能光熱構(gòu)件產(chǎn)品，達(dá)到與普通玻璃幕墻兼容的目的，既實(shí)現(xiàn)與普通玻璃幕墻一樣滿足建筑的采光需求，又具有充分利用太陽能的功能。
2 水介質(zhì)幕墻型太陽能光熱構(gòu)件的結(jié)構(gòu)
水介質(zhì)幕墻型太陽能光熱構(gòu)件的結(jié)構(gòu)見圖1。光熱構(gòu)件外表面采用常規(guī)幕墻玻璃，以期使得光熱構(gòu)件和普通幕墻構(gòu)件兼容，幕墻玻璃通過結(jié)構(gòu)密封膠粘接固定在邊框上面，吸熱板芯外表面噴涂太陽能選擇性吸收涂層。陽光透過玻璃蓋板輻射到吸熱板芯上，選擇性吸收涂層可將太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，使吸熱板芯溫度升高。吸熱板芯吸熱面后是熱交換管道，管道里充滿水介質(zhì)，通過吸熱板芯與水的熱交換使水溫度升高，當(dāng)水流動(dòng)時(shí)將熱能帶走，充分利用了輻射到建筑上的太陽能。光熱構(gòu)件的吸熱板芯背后還設(shè)置有保溫背板。玻璃蓋板、鋁合金邊框以及保溫背板形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，提高了光熱構(gòu)件的得熱量。水介質(zhì)進(jìn)出熱交換管道的接口從光熱構(gòu)件的背板伸出。
光熱構(gòu)件的玻璃蓋板采用4mm厚優(yōu)質(zhì)鋼化玻璃，透光率高達(dá)87％以上，抗冰雹、抗老化。吸熱板芯外表面為鍍黑鉻涂層，吸收率為93％～95％，發(fā)射率為9％～l0％。光熱構(gòu)件的關(guān)鍵部件——吸熱板芯選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐曬、抗壓、抗外力沖擊、抗冷熱沖擊能力強(qiáng)、故障率低的銅管集熱器，采用國(guó)際先進(jìn)的超聲波焊接技術(shù)焊接而成，具有成型質(zhì)量好、熱阻小，使用壽命可達(dá)30a以上等優(yōu)點(diǎn)。吸熱板芯制作完成后要進(jìn)行0.9MPa的壓力試驗(yàn)，確保光熱構(gòu)件質(zhì)量穩(wěn)定可靠。背板保溫采用聚氨酯發(fā)泡和高溫玻璃絲棉相結(jié)合制作。整個(gè)光熱構(gòu)件采用工廠預(yù)制工藝，形成幕墻型的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件產(chǎn)品。
鋁合金框架橫向及縱向尺寸均依據(jù)模塊化的光熱構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證模塊化產(chǎn)品與框架的整體性。根據(jù)安裝立面形式的不同，能夠滿足光熱構(gòu)件幕墻安裝和普通玻璃幕墻安裝等不同形式的安裝需求。
水介質(zhì)幕墻型太陽能光熱構(gòu)件的安裝見圖2。當(dāng)光熱構(gòu)件進(jìn)行多塊拼接時(shí)，通過標(biāo)準(zhǔn)的連接件將光熱構(gòu)件連接到一起，光熱構(gòu)件之間距離為10mm，光熱構(gòu)件的玻璃蓋板之間通過結(jié)構(gòu)密封膠進(jìn)行密封，從而形成外立面幕墻玻璃的外觀形式。各光熱構(gòu)件的水介質(zhì)熱交換管道可以進(jìn)行水平或垂直連接。
4 工程實(shí)例
4.1 應(yīng)用幕墻型太陽能光熱構(gòu)件的供熱系統(tǒng)
①供熱系統(tǒng)組成
太陽能供熱在應(yīng)用上受季節(jié)性及晝夜性的影響，存在著冬季熱量不足、貢獻(xiàn)率低的問題。此外，連續(xù)雨雪天氣時(shí)，太陽能也無法滿足需求。在冬季，空氣源熱泵作為太陽能集熱系統(tǒng)的補(bǔ)充，對(duì)儲(chǔ)熱水箱進(jìn)行熱量的儲(chǔ)備和緩沖，滿足建筑物的供暖和生活熱水需求。在夏季，太陽能集熱系統(tǒng)提供生活熱水，空氣源熱泵提供空調(diào)系統(tǒng)冷水。
本文研究的應(yīng)用幕墻型太陽能光熱構(gòu)件的供熱系統(tǒng)見圖3，由太陽能集熱系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)以及智能控制系統(tǒng)等組成。太陽能集熱系統(tǒng)由太陽能光熱構(gòu)件幕墻、循環(huán)水泵及儲(chǔ)熱水箱等組成，其作用是通過光熱構(gòu)件最大限度地吸收太陽能，并通過儲(chǔ)熱水箱進(jìn)行熱量的儲(chǔ)備及緩沖。儲(chǔ)熱水箱為雙層夾套式水箱，水箱中間夾套部分的熱水作為供暖熱媒，向建筑物供熱，滿足室內(nèi)的供暖需求。儲(chǔ)熱水箱內(nèi)部承壓水箱內(nèi)的水通過壓力供應(yīng)至生活用熱水末端，滿足日常生活熱水需求。電加熱系統(tǒng)作為極端情況下的熱源備用。智能控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)供熱系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，完成溫度檢測(cè)、水泵的智能控制。
太陽能集熱系統(tǒng)采用溫差循環(huán)的控制方式，假設(shè)太陽能集熱系統(tǒng)檢測(cè)點(diǎn)溫度為q1，供暖儲(chǔ)熱水箱水溫為q2，當(dāng)q1>q2時(shí)，太陽能循環(huán)水泵啟動(dòng)，循環(huán)加熱儲(chǔ)熱水箱中的水，不斷將太陽能儲(chǔ)存至儲(chǔ)熱水箱中；隨著儲(chǔ)熱水箱中的水不斷循環(huán)，光熱構(gòu)件的溫度逐步下降，當(dāng)q1≤q2時(shí)，太陽能循環(huán)水泵停止運(yùn)行。當(dāng)儲(chǔ)熱水箱溫度q2>70℃時(shí)，太陽能循環(huán)水泵不受光熱構(gòu)件和水箱溫差控制，停止運(yùn)行，對(duì)太陽能集熱系統(tǒng)起到過熱保護(hù)的作用。在供暖期，閥門F4關(guān)閉，其他閥門打開，太陽能集熱系統(tǒng)與空氣源熱泵串聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)太陽能不足、儲(chǔ)熱水箱水溫低時(shí)，空氣源熱泵啟動(dòng)。在非供暖期，太陽能過剩而需要室內(nèi)制冷的情況下，關(guān)閉閥門F2、F3，打開閥門F4，空氣源熱泵與太陽能集熱系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。
試驗(yàn)系統(tǒng)供暖房間為北京市懷柔區(qū)某辦公室(長(zhǎng)×寬為8.3m×6.7m)，建筑南立面為太陽能光熱構(gòu)件幕墻，幕墻面積是32.0m2(8.0m×4.0m)，由16塊光熱構(gòu)件組裝而成，見圖4。
②供熱系統(tǒng)的主要設(shè)備與試驗(yàn)儀器
供熱系統(tǒng)的主要設(shè)備與試驗(yàn)儀器見表1。
③相關(guān)計(jì)算公式
太陽能集熱系統(tǒng)與熱泵的有效得熱量計(jì)算公式
式中Q——有效得熱量，kJ
c——循環(huán)工質(zhì)的比定壓熱容，kJ／(kg·K)
r——循環(huán)工質(zhì)的密度，kg／m3
qV——循環(huán)工質(zhì)的流量，m3／s
Dq——供回水的溫差，℃
t——時(shí)間，s，可由智能熱量表測(cè)試計(jì)算得出熱泵機(jī)組冬季或夏季的制熱或制冷工況COP計(jì)算公式為：
式中ICOP——COP值
Qb——制熱量或制冷量，kJ
Qh——機(jī)組耗電量，kJ
4.2 測(cè)試結(jié)果與分析
①太陽能集熱系統(tǒng)單獨(dú)供熱
2011年1月5—10日測(cè)試期間室外平均溫度為-6.2℃，測(cè)得的太陽能得熱情況見表2。
試驗(yàn)辦公室使用時(shí)間為8：00—21：00，21：00以后關(guān)閉供熱系統(tǒng)末端。太陽能集熱系統(tǒng)單獨(dú)供熱條件下，1月8日儲(chǔ)熱水箱和辦公室的測(cè)試溫度見圖5。僅憑太陽能供暖，1月8日室外最低溫度為-13℃，儲(chǔ)熱水箱的水溫從14.3℃上升到40.2℃，室內(nèi)溫度從10℃上升到22℃，然后又逐步下降到15℃左右，太陽能集熱系統(tǒng)單獨(dú)供熱提供的熱量可以勉強(qiáng)滿足建筑供暖需求。
冬季太陽能光熱構(gòu)件幕墻的得熱量較低，因此空氣源熱泵作為補(bǔ)充熱源協(xié)同供暖。整個(gè)供熱系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，太陽能集熱系統(tǒng)和空氣源熱泵共同運(yùn)行，可以把儲(chǔ)熱水箱中的水溫提高到40℃以上，經(jīng)過一天的運(yùn)行，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在聯(lián)合供暖條件下，2011年1月19日儲(chǔ)熱水箱和辦公室的測(cè)試溫度見圖6。室外溫度最低達(dá)到-15℃，辦公室使用時(shí)間為8：00—21：00，21：00以后關(guān)閉供熱系統(tǒng)末端，此后室溫由晚上的20℃左右降至早晨的l4℃左右。太陽能集熱系統(tǒng)與空氣源熱泵同時(shí)處于工作狀態(tài)，空氣源熱泵在早晨太陽能不足的時(shí)候工作，可以把儲(chǔ)熱水箱的水溫維持在35～40℃。在晴好天氣情況下，太陽能集熱系統(tǒng)可以把儲(chǔ)熱水箱的水溫提升到50℃，室內(nèi)溫度可以很快升至20℃，然后空氣源熱泵停止工作，太陽能集熱系統(tǒng)可以保證室溫在20℃以上，房間的舒適性較好。
③聯(lián)合供熱能耗分析
供熱系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，累計(jì)測(cè)試3天，數(shù)據(jù)見表3。由表3可知，太陽能集熱系統(tǒng)平均得熱l37.6MJ／d，空氣源熱泵提供熱量189.9MJ／d，共提供熱量327.5 MJ／d，太陽能集熱系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中的貢獻(xiàn)率為42.0％，空氣源熱泵的貢獻(xiàn)率為58.0％。辦公室每天使用13h，平均能耗125.9W／m2。由于試驗(yàn)條件限制，該辦公室屬小型建筑，因此單位面積能耗較大。熱泵消耗電能120.2MJ／d(33.4kW·h／d)，計(jì)算得出熱泵平均COP值為1.6。此外，太陽能循環(huán)水泵、供暖水泵、風(fēng)機(jī)盤管等平均耗電9.4kW·h／d，因此整個(gè)供熱系統(tǒng)消耗電能154.1MJ／d(42.8kW·h／d)，產(chǎn)生熱能327.5MJ／d，節(jié)能173.4MJ／d。擴(kuò)展到整個(gè)供暖期(120d)，該供熱系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)能39300MJ，節(jié)能20808MJ，按照標(biāo)準(zhǔn)煤熱值為29.3MJ／kg計(jì)算，約節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤710kg。此外，該系統(tǒng)在非供暖期還可以提供足夠的生活熱水。該系統(tǒng)零污染，因此，具有較好的節(jié)能與環(huán)保效益。
④聯(lián)合供熱經(jīng)濟(jì)性分析
該聯(lián)合供熱系統(tǒng)的造價(jià)為59430元，詳見表4，最小使用期限為20a。該系統(tǒng)每個(gè)供暖期提供熱量39300MJ，如果單純采用空氣源熱泵系統(tǒng)，則提供同等熱量需要電能6823kW·h，經(jīng)測(cè)試得知每個(gè)供暖期實(shí)際消耗電能5136kW·h。因此，應(yīng)用太陽能光熱構(gòu)件幕墻集熱系統(tǒng)后，節(jié)約了電能1687kW·h，電價(jià)按0.8元／(kW·h)計(jì)算，則節(jié)約了1349.6元。若只采用空氣源熱泵系統(tǒng)，則需要使用普通玻璃幕墻，普通玻璃幕墻的綜合單價(jià)約為1200元／m2，總造價(jià)為38400元。保守考慮，忽略只采用空氣源熱泵系統(tǒng)條件下，空氣源熱泵、熱泵循環(huán)泵、風(fēng)機(jī)盤管的造價(jià)變化，則該聯(lián)合供暖系統(tǒng)比單純采用空氣源熱泵系統(tǒng)增加的造價(jià)僅為表4中的第4～8項(xiàng)，同時(shí)扣除普通玻璃幕墻的造價(jià)38400元，得到增加的造價(jià)為5130元，增加的造價(jià)投資回收期約為3.8a。雖然該聯(lián)合供熱系統(tǒng)在造價(jià)方面有所增加，但是環(huán)保節(jié)能，在非供暖期還可以提供生活用熱水，夏季熱泵還可以供冷，最大限度地利用了太陽能。此外，太陽能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)也是政府積極扶持的產(chǎn)業(yè)，是推進(jìn)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有效途徑。
5 結(jié)論
太陽能光熱構(gòu)件幕墻替代玻璃幕墻，在滿足玻璃幕墻裝飾功能的情況下，還有效利用了太陽能。幕墻型太陽能光熱構(gòu)件供熱系統(tǒng)示范工程為建筑面積55.6m2的房間供暖，該系統(tǒng)采用了32m2的光熱構(gòu)件，太陽能集熱系統(tǒng)得熱效率達(dá)到26.7％。在最冷天氣時(shí)，日消耗能源154.1MJ／d，可產(chǎn)生熱量327.5MJ／d，其中太陽能提供熱量137.6MJ／d，空氣源熱泵提供熱量189.9MJ／d，熱泵COP值為1.6。該供熱系統(tǒng)在使用較少電能的情況下，即能滿足供熱需求，整個(gè)系統(tǒng)具有較好的節(jié)能環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。因此，幕墻型太陽能光熱構(gòu)件在供熱系統(tǒng)的應(yīng)用有必要在實(shí)際工程中進(jìn)行推廣。
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本文作者：趙丹 趙國(guó)華 邢永杰 趙巖 葉建東
作者單位：北京市工程咨詢公司
北京九陽實(shí)業(yè)公司
北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)
北京源深節(jié)能技術(shù)有限責(zé)任公司
北京市可持續(xù)發(fā)展促進(jìn)會(huì)
