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。應用太陽能光熱幕墻的建筑外立面無需再設外保溫層。夏季，太陽能光熱幕墻吸收了部分太陽能，對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準化產(chǎn)品，施工時，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：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；制作技術(shù)成熟[3]。太陽能光熱幕墻采用標準化幕墻型太陽能光熱構(gòu)件產(chǎn)品，達到與普通玻璃幕墻兼容的目的，既實現(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，當水流動時將熱能帶走，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整體結(jié)構(gòu)，提高了光熱構(gòu)件的得熱量。水介質(zhì)進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)簡單、耐曬、抗壓、抗外力沖擊、抗冷熱沖擊能力強、故障率低的銅管集熱器，采用國際先進的超聲波焊接技術(shù)焊接而成，具有成型質(zhì)量好、熱阻小，使用壽命可達30a以上等優(yōu)點。吸熱板芯制作完成后要進行0.9MPa的壓力試驗，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。整個光熱構(gòu)件采用工廠預制工藝，形成幕墻型的標準構(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)件進行設計，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。當光熱構(gòu)件進行多塊拼接時，通過標準的連接件將光熱構(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)熱交換管道可以進行水平或垂直連接。
4 工程實例
4.1 應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、貢獻率低的問題。此外，連續(xù)雨雪天氣時，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)的補充，對儲熱水箱進行熱量的儲備和緩沖，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，并通過儲熱水箱進行熱量的儲備及緩沖。儲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。儲熱水箱內(nèi)部承壓水箱內(nèi)的水通過壓力供應至生活用熱水末端，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)對整個供熱系統(tǒng)進行自動控制，完成溫度檢測、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，假設太陽能集熱系統(tǒng)檢測點溫度為q1，供暖儲熱水箱水溫為q2，當q1>q2時，太陽能循環(huán)水泵啟動，循環(huán)加熱儲熱水箱中的水，不斷將太陽能儲存至儲熱水箱中；隨著儲熱水箱中的水不斷循環(huán)，光熱構(gòu)件的溫度逐步下降，當q1≤q2時，太陽能循環(huán)水泵停止運行。當儲熱水箱溫度q2>70℃時，太陽能循環(huán)水泵不受光熱構(gòu)件和水箱溫差控制，停止運行，對太陽能集熱系統(tǒng)起到過熱保護的作用。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)運行，當太陽能不足、儲熱水箱水溫低時，空氣源熱泵啟動。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)獨立運行。
試驗系統(tǒng)供暖房間為北京市懷柔區(qū)某辦公室(長×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)的主要設備與試驗儀器
供熱系統(tǒng)的主要設備與試驗儀器見表1。
③相關(guān)計算公式
太陽能集熱系統(tǒng)與熱泵的有效得熱量計算公式
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——時間，s，可由智能熱量表測試計算得出熱泵機組冬季或夏季的制熱或制冷工況COP計算公式為：
式中ICOP——COP值
Qb——制熱量或制冷量，kJ
Qh——機組耗電量，kJ
4.2 測試結(jié)果與分析
①太陽能集熱系統(tǒng)單獨供熱
2011年1月5—10日測試期間室外平均溫度為-6.2℃，測得的太陽能得熱情況見表2。
試驗辦公室使用時間為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)單獨供熱條件下，1月8日儲熱水箱和辦公室的測試溫度見圖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)單獨供熱提供的熱量可以勉強滿足建筑供暖需求。
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充熱源協(xié)同供暖。整個供熱系統(tǒng)開始運行時，太陽能集熱系統(tǒng)和空氣源熱泵共同運行，可以把儲熱水箱中的水溫提高到40℃以上，經(jīng)過一天的運行，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。在聯(lián)合供暖條件下，2011年1月19日儲熱水箱和辦公室的測試溫度見圖6。室外溫度最低達到-15℃，辦公室使用時間為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)與空氣源熱泵同時處于工作狀態(tài)，空氣源熱泵在早晨太陽能不足的時候工作，可以把儲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)運行穩(wěn)定后，累計測試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)在整個系統(tǒng)中的貢獻率為42.0％，空氣源熱泵的貢獻率為58.0％。辦公室每天使用13h，平均能耗125.9W／m2。由于試驗條件限制，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、風機盤管等平均耗電9.4kW·h／d，因此整個供熱系統(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。擴展到整個供暖期(120d)，該供熱系統(tǒng)會產(chǎn)能39300MJ，節(jié)能20808MJ，按照標準煤熱值為29.3MJ／kg計算，約節(jié)約標準煤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)濟性分析
該聯(lián)合供熱系統(tǒng)的造價為59430元，詳見表4，最小使用期限為20a。該系統(tǒng)每個供暖期提供熱量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)測試得知每個供暖期實際消耗電能5136kW·h。因此，應用太陽能光熱構(gòu)件幕墻集熱系統(tǒng)后，節(jié)約了電能1687kW·h，電價按0.8元／(kW·h)計算，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約為1200元／m2，總造價為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、風機盤管的造價變化，則該聯(lián)合供暖系統(tǒng)比單純采用空氣源熱泵系統(tǒng)增加的造價僅為表4中的第4～8項，同時扣除普通玻璃幕墻的造價38400元，得到增加的造價為5130元，增加的造價投資回收期約為3.8a。雖然該聯(lián)合供熱系統(tǒng)在造價方面有所增加，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，太陽能應用產(chǎn)業(yè)也是政府積極扶持的產(chǎn)業(yè)，是推進節(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)得熱效率達到26.7％。在最冷天氣時，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，整個系統(tǒng)具有較好的節(jié)能環(huán)保性和經(jīng)濟性。因此，幕墻型太陽能光熱構(gòu)件在供熱系統(tǒng)的應用有必要在實際工程中進行推廣。
參考文獻：
[1]孫躍強，周志華，杜苗．呼吸式玻璃幕墻在寒冷地區(qū)的應用[J]．煤氣與熱力，2008，28(1)：A15-A17．
[2]張君美，鄭新敏，呂建，等．薄膜光伏幕墻結(jié)構(gòu)及節(jié)能性能分析[J]．煤氣與熱力，2010，30(5)：A21-A23．
本文作者：趙丹 趙國華 邢永杰 趙巖 葉建東
作者單位：北京市工程咨詢公司
北京九陽實業(yè)公司
北京市科學技術(shù)委員會
北京源深節(jié)能技術(shù)有限責任公司
北京市可持續(xù)發(fā)展促進會
