太阳能供暖（制冷）案例

3.1天普新能源科技(天津)有限公司综合办公楼项目 一、项目基本情况 本工程为天普新能源科技(天津)有限公司综合办公楼，是天普新能源科技有限公司投资并建设运营的生产基地之一，位于天津宝坻九园工业区。该园区总用地面积64996.3㎡，总建筑面积29003.31㎡，占地面积27901.46㎡，一期建设21752.65㎡，开工时间2018年11月，竣工时间2021年10月。 本示范工程为园区综合楼部分，占地面积745.46㎡，建筑面积约1941.85㎡，整体为三层综合办公建筑，一层及部分二层为办公，二层剩余部分及三层一半为宿舍，三层另一半为露台。 二、技术路线及工艺流程 1.负荷情况 根据《近零能耗建筑技术标准》GB/T51350-2019等标准，选择围护结构材料及厚度、门窗、辅助保温隔热建筑结构措施等，然后通过调整窗户大小等措施进行优化，在保证采光和通风需求的前提下，尽量减小北窗面积，同时，在保证保温隔热、采光、隐私需求及具有夏季防过热措施的前提下，充分利用南向窗户、阳光间、被动式蓄热墙等结构最大化利用太阳能，降低空调供暖期常规能源需求；合理调整室内房间面积大小、层高高度，在尊重使用习惯需求的前提下，尽量降低房间面积和层高，从布局上注重建筑节能；设计配置必要的主动式能源供应系统，如太阳能热水系统、新风及热回收系统等；设备选型上选择合适的末端散热和换气装置，保证其工作的可控性、散热和换气的均匀性；对以上内容的相容和协调性进一步优化设计，达到性能、安全、经济、视觉效果等方面的统一。参考《近零能耗建筑技术标准》GB/T50350-2019及天津地方相关标准，采用PKPM建筑节能设计分析软件(应用版本：20180821)分别计算建筑办公部分和居住部分能耗，结果如表： 根据以上设计计算结果及净零能耗建筑的基本要求，拟采用光伏发电作为建筑能耗平衡用能，太阳能集热系统作为生活热水供应，并分别按照建筑总能耗值和宿舍居住用水需求量配置光伏电站和太阳能集热系统规模。 经设计计算，该示范建筑需要配置62300W光伏组件，可保证25年以上年发电超过68679.41kWh。配置100㎡太阳能集热器，可保证冬至日晴天满负荷热水日用量的需求，平时在不满负荷的情况下可满足2-3天阴雨天的热水日用量的需求。冬季产热富余时还可为供暖贡献。 2.技术路线 本项目针对寒冷气候区特点、公共建筑功能需求，以净零能耗为目标，实现以一次能源为衡量单位，示范建筑全年消耗的能源小于或等于可再生能源产生的能源。参考近零能耗建筑技术条件等通过加强墙体、窗户等保温结构，使之能耗尽量降低，通过太阳能、热泵低能耗空调供暖及热水供应设施等关键技术的应用，保障建筑不同时期的供能需求，最后，以光伏发电系统发电抵消实际消耗的常规电力能源。同时，实现保证在单位建筑面积增量投资低于200元的前提下，比现有同类建筑能耗相比节约80%以上的最低目标，争取在单位建筑面积增量投资低于300元的前提下，实现近零能耗目标，在单位建筑面积增量投资低于450元的前提下，实现净零能耗目标。通过示范建筑的建设，系统性对北方建筑节能技术进行研究与示范。 3.系统配置 根据以上设计计算结果及净零能耗建筑的基本要求，拟采用光伏发电作为建筑能耗平衡用能，太阳能集热系统作为生活热水供应，并分别按照建筑总能耗值和宿舍居住用水需求量配置光伏电站和太阳能集热系统规模。 经设计计算，该示范建筑需要配置62300W光伏组件，可保证25年以上年发电超过68679.41kWh。配置100㎡太阳能集热器，可保证冬至日晴天满负荷热水日用量的需求，平时在不满负荷的情况下可满足2-3天阴雨天的热水日用量的需求。冬季产热富余时还可为供暖贡献。 具体该示范建筑采用了以下设计和系统配套： 3.1被动式设计技术 建筑节能设计内容：综合楼外墙材质改为BLP粉煤灰泡沫水泥条板外贴150厚岩 棉 。 综 合 楼 内 隔 墙 材 质 改 为 蒸 压 加 气 混 凝 土 板 。 综 合 楼 外 门 窗 材 质 改为5mm+12Ar+5mmLow-E(EA)+12Ar+5mmLow-E(EA)。 3.2主动式能源系统优化设计技术 风机盘管和空气源热泵机组性能系数(COP)均需达到《近零能耗建筑技术标准》GB/T50350-2019要求。 3.3可再生能源利用技术 (1)太阳能建筑应用 光伏需求设计计算：本建筑可再生资源产能需大于总能耗68679.41kWh,经设计计算，本项目需要配套62.30kW装机容量，系统效率为0.82的光伏电站，25年平均年发电量68802kWh，方可满足该示范建筑年总能耗68679.41kWh的需求。具体为140 块445W的单晶硅电池组件，外形尺寸为2094mm×1038mm×35mm，35°倾角竖向单排安装，前后排间距5.2m,每组实际占地面积为5.2×1.058=5.5㎡。即整个系统约占地面积770㎡，按建筑占地面积745.46㎡比较，差不多覆盖整个建筑屋顶。所选445W单晶硅电池组件单组重量为23.5kg，则140组总重为3290kg,包括支架重量建筑总负载约为10t。本示范建筑楼梯间西侧屋顶可满足其安装面积要求。 光热需求设计计算：根据示范建筑内生活用热水点的具体生活热水需求量计算，设计计算太阳能热水系统的规模，经设计计算，本项目需要配套100㎡太阳能集热器，每个全晴天最低产45℃热水6000kg，可满足该示范建筑全年生活热水需求。具体选用24组581825集热器，标称集热面积4㎡，单组外形尺寸为1976mm×2002mm×150mm，45°倾角竖向单排设计，前后排间距4.2m，每组实际占地面积为9.4584㎡。即整个系统约占地面积227㎡。该规格太阳能集热器单组自重68kg容重84kg，即工作状态总重152kg,则24组总重为3648kg，屋顶单位面积荷载为16kg/㎡包括支架、管道等总荷载约为25kg/㎡。检验车间屋顶东西向总宽为9.60m，该集热器单组实际安装宽度为2.25m，即每排最多安装4组，前后安装6排，南北向占地尺寸为4.2m×6=25.2m。 (2)空气源热泵供暖空调系统 补充冷热源采用空气源热泵，冬季生活热水需求量较低时，太阳能富裕产热为热泵供暖提供一定贡献。整体太阳能和热泵互补结合实现生活热水、供暖、空调、照明用能100%可再生能源。 4.运行情况 供暖供水泵和太阳能循环泵均为定频水泵，运行工况稳定，流量稳定，未出现喘振等情况；生活热水供水泵为变频泵，实际运行能够适应末端不同的流量和压力变化的需求，所有水泵均为一用一备；所有阀门开闭正常，整个水系统未出现漏水、漏气等情况；空气源热泵运行正常；光伏系统发电正常；自控设备、在线监测系统运行正常，可通过现场电脑屏幕和手机APP实时查看系统各部分运行状态。 单项技术运行效果分析 (1)太阳能集热系统在日均气温3.5℃,日总辐射量22.65MJ/㎡的条件下，蓄热水箱水温可达62℃，整个太阳能系统集热效率约为43%，足够供给5天的生活热水需求，开启换热循环泵还可通过板式换热器向供暖供水加热，降低空气源热泵供暖能耗，有明显的节能效果。 (2)空气源热泵系统在室外温度为-10℃的情况下依然能稳定供给45℃的供暖用水，此时COP为2.2左右；整个供暖季实际运行平均COP为2.6左右，最大供热功率达190kW，满足最不利工况的供暖需求。 三、经营模式 企业自筹资金投资。自己运营维护，自己受益节约能源费用开支。 四、效益分析 在太阳辐射日得热量24.66MJ/㎡的天气情况下，光伏系统的峰值发电量在上午10:40时就达到45.4kW，当日总发电量达300kWh；当日整个供暖系统，包括空气源热泵、3台水泵、室内风机盘管+新风、设备间控制系统总耗电量不到250kWh；可见光伏系统的发电量不仅能完全覆盖综合楼的日常运行与供暖用电，而且有富余可以并网。 五、突出亮点 通过预算比较，对于示范建筑这种独立小规模建筑采用标准装配式建造方式，增量成本不能满足经济性要求。本项目在达到净零能耗目标的前提下单位建筑面积增量投资为347.58元，低于450元的设计指标。 本项目在近零能耗建筑措施基础上，通过光伏光热技术应用达到了净零能耗设计目标。在日照时间最短日，太阳能集热系统以实测40.67%得热效率为建筑提供设计生活热水量需求和供暖补热，集热循环泵和热水供应循环泵用电依靠光伏供电解决。以环境温度0℃左右条件下实测COP为2.62的空气源热泵保障示范建筑的供暖致冷需求。热泵工作和冷暖供应循环泵用电依靠光伏供电解决。光伏发电系统以实测太阳能辐射转化率计算年发电69490kWh,可满足年发电量68679.41kWh的设计需求。 六、问题和建议 建议通过后期运行观察，示范，宣传，向同类地区进行推广应用。 3.2河北经贸大学跨季节蓄热太阳能集中供热系统示范项目 一、项目基本情况 项目名称：河北经贸大学跨季节蓄热太阳能集中供热系统示范项目。 项目类型：太阳能跨季节蓄热。 项目规模：项目采用69000支真空管，总集热面积为1.16万㎡，覆盖14个学生宿舍楼，总蓄热容量达2万t。供暖末端为翅片式散热器，该系统同时能够满足全年洗浴热水需求。 建设单位：河北达祥投资有限公司。 总投资：4000万元。 建成运行时间：10年。 所在地能源供应消纳条件： （1）政策支持：河北省及其下辖城市石家庄在政策层面大力支持太阳能等新能源的发展。《河北省电力条例（修订草案）》的公开征求意见中明确提到，供电企业应按照国家规定积极接入和消纳太阳能、风力等新能源发电。这种政策导向有利于太阳能能源的供应和消纳。 （2）能源主管部门的规划：省人民政府能源主管部门负责统筹利用风能、太阳能资源，根据全省新能源发展相关规划、可再生能源消纳责任权重来指导新能源的开发建设。这意味着石家庄市在太阳能能源的开发和消纳方面有着明确的规划和管理。 群众消费水平：石家庄市城乡居民人均可支配收入分别达到44745元、15025元。 可再生能源资源条件：石家庄市位于中国河北省中南部，拥有较为丰富的可再生能源资源。石家庄市属于温带季风气候，年日照时数较长，光照资源较为丰富。因此，太阳能光伏发电在石家庄市有着广阔的应用前景。近年来，石家庄市积极推动光伏发电项目的建设，包括屋顶光伏、光伏农业等多种形式，以提高太阳能的利用率和光伏发电的普及率。 项目区生态环境敏感因素： （1）空气质量：石家庄市曾经面临严重的空气污染问题，尤其以雾霾天气为突出。颗粒物（PM2.5、PM10）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）等空气污染物浓度较高，导致市民健康风险增加。因此，改善空气质量是石家庄市生态环境建设的重中之重。 （2）水资源：石家庄市地处河北省中南部，属于半湿润地区，水资源相对紧张。地下水超采、水体污染等问题较为严重，水资源的合理开发和保护是生态环境建设的另一个关键因素。 （3）土壤污染：工业废弃物、农药和化肥的不当使用等因素导致了石家庄市部分区域的土壤污染问题，这直接影响到食品安全和农业的可持续发展。 （4）生态退化：人类活动导致的天然植被破坏、湿地减少等问题，使得石家庄市的部分区域出现了生态退化现象，这不仅影响了生物多样性，也削弱了生态系统的服务功能。 （5）城市扩张与绿地减少：随着城市化进程的加快，石家庄市面临城市扩张和绿地减少的问题，城市热岛效应、生物多样性减少等现象逐渐显现。 （6）环境污染事故：工业生产过程中偶发的污染事故，如化工泄漏、废水排放等，对当地的环境和居民健康造成威胁。 二、技术路线及工艺流程 1.负荷情况 负荷情况：3万㎡供暖及80t生活用水 用能场景：满足全校师生供暖及生活热水需求 用能需求：日常定时洗浴用水量中午11：00到14：00，晚上17：00到21：00，中午与晚上用水比例为1：3。 2.技术路线 技术思路与特点 此项目是以太阳能为主的跨季节蓄热供热项目。在非供暖季时，太阳能系统收集到的热量部分用于日常洗浴热水