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綠色梯田——太陽能一體化應用設計
時間:2014-04-24 來源:imsia
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—— 第三屆“嘉普通”杯太陽能設計競賽三等獎作品解讀

      可持續綠色建筑的核心內容在于對建筑物全生命周期的運營與維護。在“武進•綠色建筑產業聚集示范區”的方案設計中,以對建筑物全生命周期的分析應用為核心,運用BIM手段從建筑設計伊始到后期的運營管理以及日常能耗的計算中,通過Ecotect Analysis等綠色分析軟件模擬建筑的全生命周期過程,實現建筑的可持續化與最大限度的節能綠
色。

 
常州在中國建筑熱工設計分區上屬于冬冷夏熱地區。冬冷夏熱地區的氣候特點為夏季十分炎熱,而冬季又比較寒冷。在這種氣候條件下進行建筑設計時,既需要保證夏季的降溫通風,又要保證冬季的保溫隔熱。要著重考慮使用建筑外遮陽、自然通風以及冬季采光等被動式節能技術,與主動式太陽能集熱以及太陽能發電技術結合使用??紤]到夏季屋頂受日照強烈溫度較高,建議采用綠植屋頂并結合灌溉系統進行綜合降溫。在節水方面要優先考慮雨水收集與中水系統的循環利用。

 
從之前的分析結果中可以看出,常州地區的最佳朝向為南稍偏東方向,因此將建筑形體向南向和東南向傾斜以方便布置太陽能光電板與集熱板,爭取更多的太陽輻射能。


 
利用Solar Design軟件對本案建筑用水量進行預估計算,所得到的結果為8300L/天,考慮到其中所產生的中水量約為600L;根據常州地區年降水量的統計結果,估算出雨水收集系統所能收集到的雨水量約為1500L/天。兩數據相加得到循環回收的水量為2100L/天,即用來為種植屋面和景觀樹木灌溉的水量可以節約766.5噸每年。


 
考慮到建筑的最佳朝向,在進行屋面太陽能板布置時需考慮到最佳的鋪設角度和朝向,以保證太陽能光電板能獲得最佳的照射效果和最高的轉化效率。從結果中可以看出,雖然相較于第一種布置方式,第二種鋪設太陽能板的面積更少一些,但單位面積內太陽能板的利用效率得到大大提高。從節材和經濟性的角度來看,第二種鋪設方式更加合理有效。

 
熱水系統與太陽能板組合設計。種植屋面系統是本案設計的重點之一,種植屋面系統本身具有較好的節能環保理念。傳統屋面在夏季容易受太陽的過度暴曬而導致頂層過熱,一方面種植屋面可以緩解之一問題;另一方面,種植屋面還可以提高場地內的綠化率,吸收二氧化碳的排放。另外,可上人的種植屋面的設計增加了參觀者的游覽體驗,可以幫助更好的宣傳綠色環保理念。

 
太陽能集熱系統主要包括太陽能集熱器、集熱循環系統及儲熱水系統(儲熱水箱)。太陽能集熱系統主要用來給用戶提供熱水(太陽能熱水系統)、冬季供暖(太陽能暖房系統)等。太陽能集熱器主要有平板型太陽能集熱器、全玻璃真空管太陽能集熱器、真空熱管太陽能集熱器幾種,集熱器是將太陽能轉化為熱能的核心構件。

 
從三種集熱器的對比分析可以看出,平板型太陽能集熱器在熱吸收效率,單位面積產熱量、系統穩定性到等方面均優于全玻璃真空管太陽能集熱器和真空熱管太陽能集熱器。而且平板型太陽能集熱器通過優化設計,可實現集蓄分離,各部件獨立安裝,儲熱水箱可靈活布置,極大地滿足了太陽能與建筑一體化。不足之處在于平板型太陽能集熱器抗凍能力較差,但考慮到鎮江氣候特點,冬季室外溫度大都在0℃以上,因此采用平板型太陽能集熱系統作為主要的太陽能集熱構件。

 
從太陽能在建筑中的應用分類中可以看出,太陽能光熱技術利用種類最多,技術最成熟。利用太陽能對水體加熱、對建筑物進行采暖是目前主流的太陽能應用趨勢。

 
通過比較分析,選用平板式太陽能集熱器,型號為Emaru Sp.z.o.o.由建筑屋頂起坡角度確定太陽能板傾角為10°(屋頂坡度)+20°(確保前一排太陽能板不會遮擋到后一排底部照射)=30°,與常州緯度基本吻合;又常州地區最佳朝向的分析結果確定太陽能辦方位角為南偏東7.5°。由屋頂預留面積決定鋪設太陽能板面積,為660㎡。

    采用溫差循環太陽能熱水系統。此種型式的儲存箱置于收集器上方,水在收集器中接受太陽幅射的加熱,溫度上升,造成收集器及儲水箱中水溫不同而產生密度差,因此引起浮力,此一熱虹吸現像(thermosiphon),促使水在除水箱及收集器中自然流動。此種型式因不需循環水,維護甚為簡單,故已被廣泛采用??紤]到日均用水量為4500L/天,周末用水量變化較大,故設置容積15000L的水箱,水箱底面積15㎡,高度1m。采用發泡型聚氨酯材料進行保溫,保溫材料厚度為50mm。輔助加熱源為電源,加熱功率為50kw。集熱循環管路選用管徑DN40型,參考流量0.91L/s,參考流速0.68m/s;保溫材料選用聚氨酯,保溫厚度10mm。集熱循環管路選用常規型330W集熱循環泵,設計揚程為15m,設計流量為0.91L/s,造價為2500元。供熱循環管路選用常規型330W集熱循環泵,設計揚程為15m,設計流量為0.91L/s,造價為2500元。供熱循環管路選用管徑DN70型,參考流量3.01L/s,參考流速0.82m/s;保溫材料選用聚氨酯,保溫厚度10mm。
  
 
    最終得到太陽能熱水器分析報告書:




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