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工程建设国家标准《太阳能供热采暖工程技术规范》编制要点

时间:2012-10-08 17:48来源:中国建筑金属结构协会 作者:admin 点击:
工程建设国家标准《太阳能供热采暖工程技术规范》编制要点 郑瑞澄 路宾 李忠 何涛 张昕宇 孙峙峰 冯爱荣 中国建筑科学研究院 摘要 :随着我国国民经济的持续快速发展,能源供应形

工程建设国家标准《太阳能供热采暖工程技术规范》编制要点
郑瑞澄 路宾 李忠 何涛 张昕宇 孙峙峰 冯爱荣 中国建筑科学研究院       摘要:随着我国国民经济的持续快速发展,能源供应形势日趋紧张,建筑节能已成为建设行业重要的中心工作;近年来,直接为建筑节能服务的可再生能源建筑应用技术发展很快,其中,太阳能热利用技术已从单供热水逐渐转向供热采暖综合应用,并已建成一批太阳能供热采暖实际工程。为适应太阳能供热采暖工程的设计、施工和验收评估的要求,2006年工程建设国家标准《太阳能供热采暖工程技术规范》立项编制,目前已完成送审稿。本文介绍了该项标准的编制要点,主要涉及与太阳能供热采暖系统特点相适应的相关技术和设计参数,包括基本规定、负荷计算、集热器设置及面积确定、集热系统设计流量、蓄热系统设计等。
    关键词: 太阳能供热采暖 负荷计算 太阳能集热系统 太阳能集热器 蓄热系统
    1.背景情况
    随着我国国民经济的持续快速发展,能源供应形势日趋紧张,建筑节能已成为建设行业重要的中心工作;近年来,直接为建筑节能服务的可再生能源建筑应用技术发展很快,其中,太阳能热利用技术已从单供热水逐渐转向供热采暖综合应用,并已建成一批太阳能供热采暖实际工程。为适应太阳能供热采暖工程的设计、施工和验收评估的要求,推动技术进步,规范工程应用市场,工程建设国家标准《太阳能供热采暖工程技术规范》由建设部标准定额司立项,列入了2006年工程建设标准制订、修订计划;标准主编单位是中国建筑科学研究院。
    编制组经过近两年的工作,于2007年11月完成了标准的征求意见稿,根据反馈意见进行修改后已形成送审稿,计划于2008年上半年报批。
    2.基本规定
   
根据太阳能供热采暖系统的特点和工程应用市场现状,在标准的总则和相关章节中提出了有针对性的基本规定,以下是其中的重要条款和制订该项条款的原因和目的。
    2.1总则
    总则中的重要条款和编制目的如下:
    1)“太阳能供热采暖系统应纳入建筑工程建设的规定程序,统一规划、同步设计、同步施工、统一验收、同时投入使用。”
    过去我国的太阳能热水器大多作为建筑的后置部件在房屋建成后才购买安装,由此造成了对建筑安全和城市景观的不利影响,因此,国家建设行政主管部门提出了太阳能热水系统与建筑结合的发展方向。与太阳能热水系统相比,太阳能供热采暖系统的集热器面积更大,技术的综合性更强,更需要严格纳入工程建设的规定程序,按照工程建设的要求,统一规划、设计、施工、验收和投入使用。
    2)“太阳能供热采暖系统应做到全年综合利用,采暖期为建筑物供热采暖,非采暖期向本建筑物或相邻建筑物提供生活热水或其他用热。”
由于建筑物的供暖负荷远大于热水负荷,为满足建筑物的供暖需求,太阳能供热采暖系统的集热器面积较大,如果在设计时没有考虑全年综合利用,就会导致非采暖季产生的热水无法使用,从而浪费投资、浪费资源,以及因系统过热而产生安全隐患;所以,必须强调太阳能供热采暖系统的全年综合利用。可采用的措施有:适当降低系统的太阳能保证率,合理匹配供暖和供热水的建筑面积(同一系统供热水的建筑面积应大于供暖的建筑面积),以及用于夏季的空调制冷等。
    3)“设置太阳能供热采暖系统的新建、改建和扩建的供暖建筑物,其建筑热工与节能设计应符合或高于所在气候区国家、行业和地方建筑节能设计标准和实施细则的要求。”
    该条为强制性条文。鉴于目前我国节能减排工作的严峻形势,各级建设行政主管部门已严格要求新建、改建和扩建建筑物执行建筑节能设计标准,所以,强制要求设置了太阳能供热采暖系统的建筑物,必须满足节能设计标准的规定。在此基础上,对一些关键参数可提高要求,例如,建筑围护结构的传热系数取值低于节能设计标准规定的限值,可更好发挥太阳能供热采暖系统的节能效益。由于太阳能在单位面积上的能量密度较低,只有大幅度降低建筑物的采暖耗热量,才能有效降低系统的初投资。
    4)“在既有建筑上设置太阳能供热采暖系统,必须复核建筑围护结构的热工性能,不符合相关的建筑节能标准要求时,宜按照所在气候区国家、行业和地方建筑节能设计标准和实施细则的要求采取相应措施。”
    我国过去建成的大量建筑物都不符合建筑节能设计标准的要求,如果不对设置太阳能供热采暖系统的既有供暖建筑物采取相应节能措施,例如加强围护结构保温,建筑物的采暖耗热量过大,将造成太阳能供热采暖系统完全不能发挥应有的节能效益。
    2.2 太阳能供热采暖系统设计
    “太阳能供热采暖系统设计”一章中的重要条款和编制目的如下:
    1)“在既有建筑上增设或改造太阳能供热采暖系统,必须经建筑结构安全复核,并应满足建筑结构及其他相应的安全性要求。”
    该条为强制性条文,目的是确保建筑物的结构安全。由于既有建筑建成的年代参差不齐,有的建筑已使用多年,过去我国在抗震设计等结构安全方面的要求也比较低,而太阳能供热采暖系统的太阳能集热器需要安装在建筑物的外围护结构表面上,如屋面、阳台或墙面等,从而加重了安装部位的结构承载负荷量,如果不进行结构安全复核计算,就会对建筑结构的安全性带来隐患;特别是太阳能供热采暖系统中的太阳能集热器面积较大,对结构安全影响的矛盾更加突出。
    2)“太阳能供热采暖系统应根据不同地区和使用条件采取防冻、防结露、防过热、防雷、防雹、抗风、抗震和保证电气安全等技术措施。”
该条为强制性条文,目的是确保太阳能供热采暖系统投入实际运行使用后的安全性。大部分使用太阳能供热采暖系统的地区,冬季最低温度低于0℃,安装在室外的集热系统可能发生冻结;即使考虑了系统的全年综合利用,也有可能因其他偶发因素,如住户外出度假等造成用热负荷量大幅度减少,从而发生系统的过热现象;强风、冰雹、雷击、地震等恶劣自然条件也可能对室外安装的太阳能集热系统造成破坏;如果用电作为辅助热源,还会有电气安全问题;所有这些可能危及人身安全的因素,都必须在设计之初就认真对待,设置相应的技术措施加以防范。
    3)“太阳能供热采暖系统应设置其它能源辅助加热/换热设备。辅助热源应根据当地条件,选择城市热网、电、燃气、燃油、工业余热或生物质燃料等。加热/换热设备选择各类锅炉、换热器和热泵等,做到因地制宜、经济适用。”
太阳能是间歇性能源,在系统中设置其它能源辅助加热/换热设备,目的是既要保证太阳能供热采暖系统稳定可靠运行,又要降低系统的规模和投资,否则将造成过大的集热、蓄热设备、设施和过高的初投资,在经济性上是不合理的。对选用辅助热源的种类没有限制,但应和当地使用的实际能源种类相匹配,特别是要与设置太阳能供热采暖系统建筑物用于其他用途的常规能源类型和设备相匹配或相一致,比如配有管道燃气供应的建筑物,其太阳能供热采暖系统的辅助热源就不应再使用电。应特别重视城市中工业余热的利用,以及乡镇、农村中的生物质燃料应用。
    4)“太阳能供热采暖系统中所采用的设备和产品,正常使用寿命不应少于15年。”
太阳能集热器安装在建筑的外围护结构上,进行维修更换比较麻烦,正常使用寿命不能太低,目前我国较好企业生产的产品,已经有使用15年仍正常工作的实例,因此,规定产品的正常使用寿命不应少于15年。
    5)“太阳能供热采暖系统设计完成后,应进行系统节能、环保效益预评估。”
太阳能供热采暖系统的设计方案与业主的经济利益密切相关,而预评估结果是系统方案选择和开发投资的重要依据,当业主或开发商对评估的效益结果不满意时,可以调整设计方案、参数,进行重新设计,所以,效益预评估是不可缺少的设计程序。
    6)“在太阳能供热采暖系统中,宜设计安装用于系统节能、环保效益监测的计量装置。”
我国正在加快推进供暖热计量和供暖收费改革,太阳能供热采暖作为一项节能新技术进入供暖市场,更应积极响应国家政策要求;所以,凡是有条件的工程,宜在系统中设计安装用于系统节能、环保效益监测的计量装置。
    3.太阳能供热采暖系统负荷计算
   
3.1负荷计算特点
    太阳能供热采暖系统的负荷包括采暖热负荷和生活热水负荷,由太阳能集热系统和其它能源辅助加热/换热设备共同负担;因此,负荷计算的特点是要针对太阳能集热系统和其它能源辅助加热/换热设备分别计算。
    3.2 太阳能集热系统负担的采暖热负荷
    太阳能集热系统负担的采暖热负荷是在计算采暖期室外平均气温条件下的建筑物耗热量。即:太阳能集热系统所负担的只是建筑物在采暖期的平均采暖负荷,而不是建筑物的最大采暖负荷。这样做的好处是降低系统投资,提高系统效益;否则会造成系统的集热器面积过大,增加系统过热隐患,降低系统费效比。
    1)建筑物耗热量应按下式计算。该公式由行业标准《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ26中给出的建筑物耗热量指标公式改写。建筑物内部得热量的选取,居住建筑可按《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ26的规定选值,公共建筑则按照建筑物的功能具体计算确定。
         QH =QHT +QINF -QIH                (3-1)
式中:QH —建筑物耗热量,(W);
QHT—通过围护结构的传热耗热量,(W);
QINF—空气渗透耗热量,(W);
QIH—建筑物内部得热(包括照明、电器、炊事和人体散热等),(W)。
    2)通过围护结构的传热耗热量应按下式计算:
            QHT =(ti-te)(∑εKF)     (3-2)
式中:QHT—通过围护结构的传热耗热量,(W);
ti—室内空气计算温度,按《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019中规定的低限选取,(℃);
 te—采暖期室外平均温度,(℃);
 ε—围护结构传热系数的修正系数;
 K—围护结构的传热系数,[W/(m2·℃)];
 F—围护结构的面积,(m2)。
    3)空气渗透耗热量应按下式计算。换气次数的选取,居住建筑可按《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ26的规定选值,公共建筑则按照建筑物的功能具体计算确定。
      QINF =(ti-te)(CρρNV)            (3-3)
式中:QINF —空气渗透耗热量,(W);
 Cρ—空气比热容,取0.28W·h /(kg·K);
 ρ—空气密度,取te条件下的值,(kg/m3);
 N—换气次数,(次/h);
 V——换气体积,(m3)。
    3.3其他能源加热/换热设备负担的采暖热负荷
    其它能源辅助加热/换热设备应负担在采暖室外计算温度条件下的建筑物采暖热负荷。在不利的阴、雨、雪天气条件下,太阳能集热系统不能工作,建筑物的全部采暖负荷都需依靠其他能源加热/换热设备供给,所以,其供热能力和供热量应能满足建筑物的全部采暖热负荷。
    1)采暖热负荷应按现行国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019中的规定计算。
    2)在标准规定可不设置集中采暖的地区或建筑,宜根据当地的实际情况,适当降低室内空气计算温度。主要原因是为适应这些地区目前的室温水平,提高系统的经济性。例如夏热冬冷、温和地区的居住建筑,目前当地居民对冬季室内环境温度的要求普遍不高,一般居室温度达到14~16℃就已足够满意,并不一定要求达到规范要求的16~18℃,对这些地区或建筑,就可以根据当地的实际情况,适当降低室内空气设计计算温度;从而减小常规能源加热/换热设备容量,降低系统投资,提高系统效益。
    4.太阳能集热系统设计
    4.1太阳能集热器的设置
    太阳能集热器的设置在本标准中有所创新。过去国内对太阳能集热器的安装倾角、方位角限制较严,一般的规定是在方位角正南,或南偏东、偏西10度,倾角为当地纬度±10度的范围内安装,以接收最多的全年太阳光照。本标准依据Meteo Norm V4.0软件的计算结果,将此范围扩大至方位角南偏东、偏西30度,倾角当地纬度-10度~+20度;同时,引入面积补偿概念,当太阳能集热器的设置偏离这一范围时,按标准附录D给出的方法和比例,合理增加集热器面积;从而放宽了对应用太阳能供热采暖系统建筑物朝向的限制,使建筑师的设计有了更大的灵活性,同时又能保证太阳能供热采暖系统设计的合理性。
由于实际建筑物有各种朝向,当太阳能集热器在建筑围护结构外表面、例如坡屋面上结合安装时,房屋朝向对其表面接收的太阳光照究竟有多少影响,是确定集热器最佳设置范围的关键;为此,编制组利用Meteo Norm V4.0软件,逐时计算了代表城市在全年和12月两种情况下,不同倾角和方位角表面上接收的太阳光照;结果显示:在倾角当地纬度±10度、方位角南偏东、偏西30度的范围内,与最佳范围相比,集热器表面接收的太阳光照只减少了不到5%。所以,本标准将集热器最佳安装范围推荐为正南,或南偏东、偏西30度,倾角为当地纬度-10度~+20度;倾角适当加大是因为太阳能供热采暖系统的主要功能是冬季采暖,从12月份的计算结果可以看出,较大倾角表面接收的太阳光照更多,有利于提高冬季集热器的太阳能得热量。
    4.2太阳能集热器面积确定
    太阳能集热系统分为直接式(在太阳能集热器中直接加热水供给用户的太阳能集热系统)和间接式(在太阳能集热器中加热液体传热工质,再通过换热器由该种传热工质加热水供给用户的太阳能集热系统)两种工作方式。标准给出了这两类系统确定太阳能集热器面积的计算公式。
    1)直接系统太阳能集热器总面积应按下式计算:
                                           (4-1)
式中:Ac—直接系统集热器总面积,(m2);
 QH—建筑物耗热量,(W);
 JT—当地集热器采光面上的平均日太阳辐照量,J/(m2·日),按附录A选取;
f—太阳能保证率,%,按附录A选取;
ηcd—基于总面积的集热器平均集热效率,%,按附录B方法计算;
ηL—管路及贮热装置热损失率,%,按附录C方法计算。
    2)间接系统太阳能集热器总面积应按下式计算:
                                            (4-2)
式中:AIN—间接系统集热器总面积,m2;
AC—直接系统集热器总面积,m2;
UL—集热器总热损系数,W/(m2·℃),测试得出;
Uhx—换热器传热系数,W/(m2·℃),查产品样本得出;
Ahx—间接系统换热器换热面积,m2,按附录E方法计算。
    3)标准附录A中给出的不同地区太阳能供热采暖系统的太阳能保证率的推荐选值范围见下表。

 

    4.3太阳能集热系统的设计流量
    1)太阳能集热系统的设计流量应按下式计算:
                     GS = gA                                           (4-3)
式中:GS—太阳能集热系统的设计流量,m3/h;
g—太阳能集热器的单位面积流量,m3/(h·m2);
A—太阳能集热系统中的太阳能集热器总面积,m2;
    2)太阳能集热器的单位面积流量g与太阳能集热器的特性和用途有关,应根据太阳能集热器生产企业给出的数值确定。在没有企业提供相关技术参数的情况下,根据不同的系统,宜按下表给出的范围取值。

 

    3)太阳能集热系统宜采用自动控制变流量运行。
    5.蓄热系统设计
   
5.1蓄热方式
太阳能供热采暖的蓄热系统可分为液体工质集热器短期蓄热、液体工质季节蓄热、空气集热器短期蓄热三类,其采用的蓄热方式见下表。

 

注:表中“·”为可选用项,“-”为非推荐项。
    5.2液体工质蓄热系统
    1)根据当地的太阳能资源、气候、工程投资等因素综合考虑,短期蓄热液态工质集热器太阳能供暖系统的蓄热量应能满足建筑物1-5天的供暖需求。
    2)各类太阳能供热采暖系统对应每m2太阳能集热器采光面积的贮热水箱容积范围宜按下表选取,根据设计蓄热时间周期和蓄热量等参数计算确定。

 

    参考资料
   
[1]《太阳能供热采暖工程技术规范》(送审稿)2008
    [2]Werner Weiss. Solar Heating Systems for Houses, A Design for Handbook for Solar Combisystems. London: James & James ( Science Publishers ) Ltd, 2003
    [3]T. Schmidt etc Central solar heating plants with seasonal storage in Germany, Solar Energy, Volume 76, Numbers 1-3, 2004
表5-2 各类系统贮热水箱的容积选择范围
表5-1 蓄热方式选用表
表4-2 太阳能集热器的单位面积流量
表4-1不同地区太阳能供热采暖系统的太阳能保证率的推荐选值范围

(责任编辑:admin)
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