太阳能供暖（制冷）案例——天普新能源科技(天津)有限公司综合办公楼项目 - 零碳建筑

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/T 50350-2019 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

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/T 50350-2019 要求。

3.3 可再生能源利用技术

图 1 可再生能源利用示范建筑

(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1976 mm×2002 mm×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4.2 m×6=25.2 m。

(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。