1項目概況
為了響應(yīng)北京市教委、市發(fā)改委開展的“陽光校園”工程建設(shè)號召，建設(shè)低碳發(fā)展模式的校園，結(jié)合懷柔區(qū)渤海小學(xué)節(jié)能減排，為全校師生創(chuàng)造溫暖舒適教學(xué)環(huán)境的想法，北京九陽實業(yè)公司設(shè)計并安裝了“懷柔渤海小學(xué)太陽能采暖、開水示范工程”。
選取渤海小學(xué)校內(nèi)兩間教室進行工程示范，總建筑面積120m²，單層磚混結(jié)構(gòu)；節(jié)能改造前冬季采用學(xué)校燃煤鍋爐進行集中供暖，采暖末端為散熱器，采暖季，供熱燃料費約為45元/m²。
針對學(xué)校教室的實際情況，示范工程采用了如下關(guān)鍵技術(shù)：
1.太陽能熱水供暖系統(tǒng)技術(shù)；
2.風(fēng)機盤管低溫末端供熱技術(shù)；
3.被動式空氣集熱墻技術(shù)；
4.超低溫空氣能冷熱機組采暖—制冷技術(shù)；
5.太陽能開水系統(tǒng)技術(shù)；
6.外墻保溫裝飾板技術(shù)；
7.遠程監(jiān)控技術(shù)；
該示范項目結(jié)合了多種節(jié)能技術(shù)，示范教學(xué)意義重大。
2項目實施
2.1工程主要內(nèi)容
2.1.1建筑外立面加裝60mmXRY節(jié)能保溫裝飾板，屋面加裝50mm巖棉保溫。
校區(qū)內(nèi)所有教室均為磚混結(jié)構(gòu)，墻體、屋面均未做保溫處理，建筑的散熱量較大，在外立面及屋面加裝保溫材料，是該示范項目基本節(jié)能改造設(shè)計。
2.1.2南立面加裝太陽能空氣集熱墻———9m²
在教室南立面窗戶下部加裝空氣集熱墻9m²，空氣集熱墻進出風(fēng)口與室內(nèi)相連，直接加熱室內(nèi)空氣，達到提高房間溫度的目的，為太陽能被動式采暖的一種形式。
空氣集熱器蓋板采用陽光板遮蓋，且集熱墻與室內(nèi)相連的通風(fēng)孔加裝過濾網(wǎng)，以免學(xué)生向內(nèi)扔雜物，并加蓋專用堵頭，在夏季不需采暖時將空氣集熱墻與室內(nèi)完全隔斷（如下圖所示）。
太陽能集熱器為太陽能采暖系統(tǒng)的集熱設(shè)備，根據(jù)建筑面積及其熱負荷計算，設(shè)計安裝平板型太陽能集熱器18m²，采用建筑構(gòu)件型太陽能集熱器。平板集熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長（30年以上）、維修率低等優(yōu)點，尤其在太陽能采暖項目中，平板型太陽能集熱器對于解決系統(tǒng)的“非采暖季能源過剩”問題，具有明顯的優(yōu)勢。
太陽能采暖系統(tǒng)的輔助能源為超低溫空氣能冷熱機組，可在太陽能系統(tǒng)不能完全滿足室內(nèi)采暖需求時自動啟動，向室內(nèi)供暖。
超低溫空氣能冷熱機組不同于傳統(tǒng)的空氣源熱泵，超低溫型在環(huán)境溫度－15℃的條件下，機組的COP值可達到2.5以上，在華北地區(qū)冬季也可穩(wěn)定工作。為了防止機組工作時噪音過大，我們在機組設(shè)備與教室之間加裝了隔音墻，并在機組外部安裝了防護網(wǎng)，以免碰傷小學(xué)生。
考慮到夜晚、周末及寒假期間，教室內(nèi)沒有師生上課，故熱泵機組設(shè)有定時開關(guān)功能，即提前于上課時間啟動，提高室內(nèi)溫度，與系統(tǒng)24h運行相比，節(jié)能效果明顯。
2.1.5安裝室內(nèi)FP-51型風(fēng)機盤管6臺
每間教室安裝壁掛式風(fēng)機盤管3臺，作為太陽能采暖系統(tǒng)的末端，即該項目采取的是熱風(fēng)供暖的形式。由于學(xué)生上課的間斷性，周一至周五的07:30～16:00為上課時段，周六、周日放假，故風(fēng)機盤管設(shè)定的工作時間為學(xué)生的上課時間，并且根據(jù)室內(nèi)溫度啟停，即室內(nèi)溫度達到設(shè)定溫度時，風(fēng)機盤管關(guān)閉，當(dāng)室內(nèi)溫度降至設(shè)定溫度下限時，風(fēng)機盤管自動啟動，不需人工操作。
另外，考慮到夜晚、周末及寒假等學(xué)生不上課時段，若采暖系統(tǒng)停止運行，室內(nèi)采暖管線存在凍損的可能，故該項目采暖管線內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)為防凍液，以保證不采暖時，設(shè)備及管線不會凍損。采用此方法，采暖系統(tǒng)可間歇式運行，進一步節(jié)約系統(tǒng)運行費用。
2.1.6安裝200L采暖水箱一臺及太陽能200L開水箱一臺
本次示范工程所設(shè)計的太陽能采暖系統(tǒng)為短期蓄熱式，根據(jù)集熱器面積計算，選用200L開式采暖水箱一臺，安裝在新建設(shè)備間內(nèi)；另外考慮到非采暖季太陽能系統(tǒng)的利用問題，設(shè)計安裝200L太陽能開水箱一臺，在非采暖季，可為全校師生提供飲用開水。
2.1.7全自動控制系統(tǒng)及遠程監(jiān)控系統(tǒng)
以上所述系統(tǒng)中各設(shè)備的啟停、溫度、時間的控制均由系統(tǒng)控制器控制，不需人工操作，自動化運行程度較高。另外在該項目上，我們還采用了遠程監(jiān)控技術(shù)，不受空間限制，只要是有網(wǎng)絡(luò)地區(qū)，隨時可以對系統(tǒng)各設(shè)備的運行、室內(nèi)溫度、水箱溫度等情況進行監(jiān)控。
2.2系統(tǒng)功能
該系統(tǒng)投入運行后，可為120m²教室提供冬季采暖、夏季制冷及非采暖季飲用開水等多項工程，系統(tǒng)全自動運行，可進行時間、溫度的設(shè)定，并可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
3項目測試
系統(tǒng)投入運行后，我們于2011年1月25日～3月7日，針對各工況下，設(shè)備的運行狀況、室內(nèi)溫度變化情況、教室外圍護結(jié)構(gòu)隨房間溫度的影響等情況做了大量的測試工作，掌握了該系統(tǒng)運行的一手資料，為今后系統(tǒng)的設(shè)計提供了寶貴的依據(jù)，具體測試數(shù)據(jù)如下：
3.1加裝保溫前后房間溫度對比
3.1.1不采暖情況下
我們于2月16日、17日兩天，對加裝保溫后，在沒有任何采暖設(shè)施的情況下，教室溫度變化作了對比：
表1所記錄的房間溫度為06:00時室內(nèi)溫度，此時兩個房間均未進行采暖，由此可以看出，加裝保溫后，室內(nèi)溫度提高了5～6℃，且房間最低溫度在0℃以上，而未加裝保溫的教室夜間室內(nèi)溫度低于0℃，加裝保溫后節(jié)能效果明顯。
3.1.2采暖情況下
于2月17日～3月7日，對加裝保溫后房間溫降情況進行測試并記錄見表2：
2011年2月17日～3月7日夜間環(huán)境溫度最低為－6℃，在此條件下，加裝保溫的房間一夜平均溫降4.2℃，且夜間無任何采暖設(shè)備。在未加裝保溫材料前，若夜間無采暖設(shè)備，房間溫度一般在0℃以下。
3.2太陽能采暖系統(tǒng)效率的測試
太陽能采暖系統(tǒng)安裝完畢后，2月15日，我們對系統(tǒng)效率做了測試：
太陽能輻照量：4214wh/m²×18m²=75.852kW·h；
水箱得熱量：5.814kW·h
采暖供熱量：22.285kW·h
太陽能系統(tǒng)得熱量：水箱得熱量+采暖供熱量=22.285+5.814=27.469kW·h；太陽能效率：
太陽能系統(tǒng)得熱量/太陽能輻照量=27.469kW·h/75.852kW·h=36.%
理論計算，當(dāng)天的系統(tǒng)平均效率為37.5%（系統(tǒng)散熱損失按照15%計算），二者基本吻合。
3.3太陽能采暖教室與集中供暖教室溫度對比
該示范項目的采暖效果要與原有集中供暖教室相對比，以下選取了部分測試數(shù)據(jù)進行效果說明，如表3。
2.教室平均溫度、環(huán)境溫度均指上課時間段07:30～16:00內(nèi)，教室的平均溫度;
3.由于寒假期間，學(xué)校集中供暖教室停止供暖（散熱器及系統(tǒng)循環(huán)管路中的水放空以防凍損），故集中供暖教室平均溫度從2月20日開學(xué)后為有供暖溫度，之前無供暖溫度。
太陽能采暖教室和集中供暖教室07:30時的溫度對比及最高溫度對比見表4。
從表4測試數(shù)據(jù)可以看出：
系統(tǒng)通過太陽能集熱器、超低溫空氣能冷熱機組的共同作用，結(jié)合定時、定溫等功能的節(jié)能設(shè)計，在學(xué)生上課時間段7:30～16:00內(nèi)，保證室內(nèi)平均溫度18℃，一般維持在16℃～20℃，室內(nèi)最高溫度達25.5℃；集中供暖教室平均溫度15℃，一般維持在12℃～18℃，最高達22.2℃。總體來看，太陽能采暖教室溫度要高于學(xué)校集中供暖教室3℃左右，無采暖、無保溫的教室室內(nèi)平均溫度0℃。
3.4水箱溫度堯風(fēng)機盤管出風(fēng)溫度堯室內(nèi)溫度三者的關(guān)系
3.4.1水箱溫度與風(fēng)機盤管出風(fēng)溫度的關(guān)系
1月26日、27日兩天，我們對水箱溫度、風(fēng)機盤管出風(fēng)溫度及房間溫度分別做了記錄，由于共選取兩間教室做示范，故表5數(shù)據(jù)分為東側(cè)房間及西側(cè)房間，1月26日數(shù)據(jù)為例：
經(jīng)過測試得出，一般室內(nèi)溫度穩(wěn)定后，風(fēng)機盤管的出風(fēng)溫度較水箱溫度低15℃～20℃，故此類型的系統(tǒng)形式，建議水箱溫度保持在45℃以上為宜。
3.4.2風(fēng)機盤管出風(fēng)溫度與房間溫度
由表五可以看出，在風(fēng)機盤管出風(fēng)溫度維持在30℃以上時，可保證房間溫度在16℃以上。
3.4.3房間溫升情況
以房間溫度升到18℃為時間節(jié)點，計算一般房間溫度升至18℃所需時間，具體數(shù)據(jù)見表6：
每日測試的開始時間為06:00，也是系統(tǒng)開始運行的時間，一般需3.7h將房間溫度由起始的5℃～8℃升至18℃，結(jié)合表2的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運行1.5h后，即學(xué)生正式開始上課時，房間溫度可達到16℃，處于穩(wěn)定上升狀態(tài)，并較集中供暖教室房間溫度高3℃左右，更好地滿足了教室內(nèi)師生的采暖要求。
3.5超低溫空氣能冷熱機組回水溫度對房間溫度的影響
太陽能采暖系統(tǒng)的輔助能源為超低溫空氣能冷熱機組，1月28日，我們對機組的回水設(shè)定溫度對教室溫度影響做了如下測試：
3.5.1設(shè)定機組回水溫度為40℃
將超低溫空氣能冷熱機組回水溫度設(shè)定為40℃，經(jīng)過9h的系統(tǒng)運行，房間溫度由0.8℃升至14.5℃，無法繼續(xù)提升。
3.5.2設(shè)定機組回水溫度為45℃
由表7數(shù)據(jù)可以看出，將機組的回水溫度設(shè)定為45℃，在環(huán)境溫度平均－7.5℃的條件下，40分鐘后，房間溫度3℃升至17℃，升溫較快，之后的20分鐘，室內(nèi)溫度溫升較慢，一直未達到18℃。
3.5.3設(shè)定機組回水溫度為50℃見表8
由表8數(shù)據(jù)可以看出，將機組的回水溫度設(shè)定為50℃，在環(huán)境溫度平均－4.4℃的條件下，23分鐘后，房間溫度由2.7℃升至18.1℃，且房間溫度處于穩(wěn)定上升狀態(tài)。
3.5.4設(shè)定機組回水溫度為48℃見表9
由表9數(shù)據(jù)可以看出，將機組的回水溫度設(shè)定為48℃，在環(huán)境溫度平均－6.4℃的條件下，房間溫度穩(wěn)定在18℃以上。
由上述機組測試數(shù)據(jù)可知，對于采暖系統(tǒng)，將超低溫空氣能冷熱機組回水溫度設(shè)定為48℃為宜，可將房間溫度加熱至18℃以上，若回水溫度設(shè)置較低，室內(nèi)溫度在前期上升較快，但升至某一溫度后，室內(nèi)溫度很難得到提升；綜合考慮機組的工作效率，回水溫度亦不宜設(shè)置過高，故設(shè)置在48℃為宜。
3.6門窗的散熱量對房間溫度的影響
由于兩間教室北側(cè)都有窗戶，有一定的冷空氣進入，為了測試其對房間溫度的影響，將東側(cè)房間的北窗用保溫材料暫時封住，分別記錄兩個房間的溫度變化，測試時間為1月30日～2月18日,結(jié)合多天的測試數(shù)據(jù)，將北側(cè)窗戶封住的東側(cè)房間溫度比西側(cè)房間平均高約1℃，且從表9也可看出，在相同時間內(nèi)，西側(cè)房間溫降較東側(cè)房間多1℃，而溫升卻較東側(cè)房間少1℃。
3.7測試結(jié)論
加裝保溫材料后，房間溫度較未加裝保溫材料的教室提高5℃，保溫后教室夜間平均溫降4.2℃；
太陽能采暖教室較集中供暖教室溫度高3℃，室內(nèi)溫度一般維持在16℃～20℃；
風(fēng)機盤管的出風(fēng)溫度較水箱溫度低15℃～20℃，若水箱出水溫度維持在45℃以上，房間溫度可維持在18℃以上；
風(fēng)機盤管出風(fēng)溫度維持在30℃以上時，室內(nèi)溫度可維持在16℃以上；
環(huán)境溫度－4℃～8℃時，平均需3.7h將房間溫度由5℃～8℃升至18℃，需1.5h將房間溫度升至16℃以上；
空氣能冷熱機組回水溫度設(shè)置在48℃為宜；
北側(cè)窗戶的遮掩對房間溫度有1℃的影響；
一般需要6～10分鐘，房間溫度由18.5℃降至15.5℃，平均為7分鐘左右，而溫度再次升至18℃以上，平均僅需4分鐘。
4節(jié)能效果分析
該項目的測試工作在一月底至三月初進行，為北京地區(qū)采暖季的末期，實際考慮系統(tǒng)節(jié)能效果時，應(yīng)綜合考慮整個采暖季的系統(tǒng)運行效率。
北京地區(qū)的采暖時間為120天，其中最冷的時間段為寒假期間，學(xué)生上課時間主要集中在采暖季的初期和末期，故在計算系統(tǒng)實際節(jié)能效果時，采暖季的初末期，環(huán)境溫度、太陽輻照量及空氣能機組效率等條件基本相同，故將采暖末期數(shù)據(jù)的平均值認為是整個采暖季系統(tǒng)運行的平均值，通過上述測試數(shù)據(jù)進行推算得出：
一個采暖季，太陽能系統(tǒng)可節(jié)能1300kW·h，熱泵系統(tǒng)可節(jié)能4050kW·h；非采暖季，開水系統(tǒng)每年節(jié)能3240kW·h。整套采暖/開水系統(tǒng)，年節(jié)能8590kW·h。
結(jié)合上述的節(jié)能數(shù)據(jù)，經(jīng)計算，與燃煤相比，該系統(tǒng)每年可減排CO₂4.3t。
5系統(tǒng)運行費用分析
測試時間段內(nèi)，我們對該系統(tǒng)每日的耗電量進行了詳細的記錄見表10：
由表10數(shù)據(jù)可以看出：測試時間段內(nèi)，太陽能采暖系統(tǒng)日耗電量在30kW·h～50kW·h之間，日均耗電量35.2kW·h，由于學(xué)生上課期間，經(jīng)常有人出入教室，冷風(fēng)滲透耗熱量較大，若無此影響因素，日均耗電量將更低。
綜合考慮整個采暖季的系統(tǒng)運行效率，一個采暖季的系統(tǒng)運行費用約為10元/m²，與原有系統(tǒng)45元/m²的運行費用相比，每年可節(jié)約采暖運行費用4200元；另外非采暖季開水系統(tǒng)可節(jié)約運行費用約1620元，則系統(tǒng)每年可節(jié)約運行費用5820元。
6推廣應(yīng)用
將該系統(tǒng)進行大面積推廣應(yīng)用，若建筑面積10萬m²的項目，每年可節(jié)約運行費用約485萬元，CO2減排3580t。
