随着建筑节能技术的快速发展,太阳能热水系统在建筑领域应用日益增多。太阳能热水系统的效率是建筑应用好坏的关键,但很多太阳能热水系统实际利用中存在很多问题:

　　 (1)由于后期附加设计,立面整合时,只能依据现有外形进行整合,角度、朝向、安装方式都不能达到最佳的问题。

　　 (2)分散式供热系统能源利用率低,在高层住宅中系统造价相对较高,由于安装位置的角度限制或周围建筑遮挡,集热效率最低的问题。

　　 (3)蓄热系统存在蓄热水箱容积的确定问题。

　　 (4)热水供水品质低、节能效果不明显、系统过热等问题。

　　 (5)运行策略中主要存在包括即时补水(在用水的同时及时补充冷水,始终保持贮水量体积不变),该补水方式使贮热水箱的贮水温度波动很大,尤其在没有太阳辐射时,这种补水方式能使贮水温度急剧下降,影响热水需求质量并且造成能源浪费问题;用水端热水压和自来水供水水压相差很大,不易调节水温,严重影响正常使用问题等。

　　 这些问题的出现包括很多方面,如系统形式与建筑类型的匹配问题,运行策略与工况的匹配问题,设备之间的容量匹配问题以及实际使用过程中的运行调节问题等,这些问题很大程度上与现有设计方法的不足有关。

　　 对于建筑师,现有的设计方法是建筑师一般根据建筑表面效果的需要设计集热系统,或者当建筑设计已完成之后,在可行的区域由专业厂家进行布置。有时还需要专业咨询工程师对光热系统的容量进行校核。此种设计方法主要存在4种问题,其一,建筑师设计的集热器通常未考虑建筑安装以及集热器吸收太阳能的需要,导致最终实施的效果不理想或者施工图深化阶段进行较大的改动,因而满足不了一体化的设计效果;其二,专业厂家的深化结果只注重了容量的最大化,无法与建筑效果以及日后的空间使用相结合;其三,多个工种的配合,导致设计效率降低;其四,由于前期一体化设计的不合理,导致实施效果的偏离。

　　 对于专业工程师,现有的设计方法一般是专业工程师根据建筑需求,在预先设计的系统形式的基础上,依据专业分析软件或者经验公式计算确定相应设备的容量,再由其他咨询工程师计算其系统效率并给出系统设备调整的建议,最终由专业工程师完成系统图设计。专业工程师主要负责系统图的设计,咨询工程师主要负责系统的模拟分析。很多情形下咨询工程的角色也不存在,即专业工程师依据设计工况根据专业标准直接选型和计算其系统效率,再由工程商深化。此种设计方法主要存在4种问题,其一,设计由专业工程师和咨询工程师合作完成,咨询工程师需要依据设计图纸重新建立分析模型,导致效率降低以及信息不完整;其二,由于专业工程师是在预先设计的系统形式上进行设计,初步设计好的图纸调整较为繁琐;其三,很多专业的系统分析软件,设置繁琐,难以掌握,多数咨询工程师仅依靠经验公式计算系统效率,导致部分设备配置不合理,出现系统过热,出水温度稳定性差,产生热水所需消耗的电量高等问题;其四,大部分设计仅仅考虑了单一的设计工况分析,无法兼顾多种情形,因此会导致控制策略不完善,出现过热或可再生能源利用率过低等问题。

　　 本研究的目的:为建筑师提供基于Sketchup环境下的光热建筑一体化设计工具,设计方法力求操作简单,高效,设计结果更易得到实施;为专业工程师提供太阳能热水系统的集成设计工具,设计方法尽量操作简单,专项设计和分析功能完备,并与autocad平台兼容性强。

　　 总体思路是在方案设计阶段就引入光热的一体化设计,使得光热系统可以获得最佳的安装角度、安装位置和安装面积,即在建筑方案设计的常用软件平台Sketchup环境下进行二次开发,将光热的组件设计、辐照量分析、发电量、产热量计算以及目标评价集成一体,具体研究的技术路线及实施步骤如下:

　　 (1)利用sketchup建立组件或动态组件,建立不同组件的组和组件,确定界面一体化的对接方式。

　　 (2)采用ruby语言,动态组件的设置窗口,实现特定表面上的组件嵌入式设计。

　　 (3)采用ruby语言,建立设备参数设置菜单以及边界条件的设置。

　　 (4)光热的简单计算程序的开发,实现所放位置及面积的满足率计算,并与sketchup二次开发联动。

　　 (5)在sketchup平台上建立数据分析模块可图形展示计算结果。

　　 总体思路是利用autocad.vba技术^[1,2],在autocad环境下建立图形和操作的快捷菜单,图形菜单主要功能可实现系统图的绘图和不同设备的更换;操作菜单可实现不同设备的参数设置(如集热器的面积、转换效率、水箱容积、材质、水泵流量、扬程、控制方式等)以及边界条件的设置(如气象参数、运行时间表、分析工况等。)

　　 建立autocad与TRNSYS软件的接口,即利用autocad的按照TRNSYS的语句形式自动形成TRNSYS的运行代码,并进行后台调用TRNSYS软件计算分析工况的结果,并在autocad平台上建立数据分析模块可图形展示计算结果。

　　 具体研究的技术路线及实施步骤如下:

　　 (1)利用autocad建立块功能及设计中心功能,建立不同组件的图形块以及多种组合块。

　　 (2)利用autocad.vba技术,采用VB语言,建立设备参数设置菜单以及边界条件的设置。

　　 (3)建立autocad与TRNSYS软件的接口,即利用autocad的按照TRNSYS的语句形式自动形成TRNSYS的运行代码。

　　 (4)后台调用TRNSYS软件计算分析工况。

　　 (5)在autocad平台上建立数据分析模块可图形展示计算结果以及与标准比较以确定相关设备技术参数。

　　 案例分析以上海现代设计(集团)有限公司自建的申都大厦改造项目^[3] 为例进行分析。申都大厦项目位于西藏南路1368号,大厦外立面破旧、内部设施需大修,重新定位的申都大厦为6层办公室,建筑面积为6 231.22m²。

　　 太阳能热水要求:太阳能系统为厨房以及卫生间提供热水,热水用量标准为5L/(人·d)(60℃),办公使用人数按照200人计算,设计希望太阳能产生的热水量能够满足45%的热水需求。

　　 下文将针对该项目利用开发的辅助设计工具进行辅助设计和性能分析。

　　 项目sketchup设计模型见图1,由图1a可见,项目的屋顶空间较为紧张,设计考虑了屋顶花园、光伏发电系统、空调系统室外机等设施,为了更好地设置太阳能热水系统,方案希望在东北侧区域(即空调系统室外机的上部)利用构架进行光热系统的布置。

　　 该项目利用开发的平台软件进行设计和性能分析。

　　 依据辅助设计工具的操作流程,首先应该设置建筑基本信息、光热系统参数等内容,具体的设置见图2。

　　 设置完基本信息等参数后,在快速布置设计前需要明确布置的矩形区域,如图3a,在矩形区域范围内做出对角线的辅助线,选择对角线后,点击布局按钮见图3b,继而完成快速布局设计,见图3c。

　　 如图3c是完成后的太阳能集热器的快速布置设计,由图可见真空管集热器的布置角度为22°,朝向为南方,并设置了一定的合理间距。

　　 在进行产热量的计算之前,须将集热板进行分解命令,为了方便计算,可以将建筑的其他部分隐藏(快速布置设计后太阳能集热板会自动分配至solar thermal图层中),见图4。

　　 依据辅助设计工具操作流程,首先应该先进行辐照量的计算,选中集热器后,点击图3b中所示的辐照量计算,计算结果见图5。

　　 完成辐照量计算之后,可以继续点击图3b中所示的产热量计算,计算结果见图6a。

　　 由计算结果可见,太阳能集热系统的产热量弱,低于需求热水量的41%,即配置的集热板过少或集热板的集热效率偏低,将集热器的平均集热效率提高至50%之后,调整后的产热量计算结果见图6b。

　　 由调整后的计算结果可见,此方案已能够满足设计目标,太阳能集热系统的产热量达到设计目标的48%,最终布置效果见图7,集热面积为95.8m²,集热器的数量为26块,此时在方案草图阶段已完成了太阳能热水系统建筑部分的一体化设计。

　　 案例分析以简单的单水箱真空管系统(电辅助加热)为例说明辅助设计工具的使用方法。

　　 在autocad平台上通过点击设计选项卡中预设的“单水箱真空管系统(电辅助加热)”系统图标可以直接调用系统图至图纸空间,见图8。

　　 通过点击自定义菜单可再生能源辅助设计工具———设备刷新命令,系统可以自动读取各主要设备的预设计参数,包括水箱、集热器、水泵等。可以通过选择设备点击右键选择设备编辑属性,修改相应参数。对于单水箱系统,水箱类型需要修改为供热水箱+集热水箱,水泵须选择类型为太阳能侧循环泵,见图9。

　　 边界条件涉及地点、建筑类型、建筑面积、冷水进水温度、可再生能源类型、气象参数设置、计算条件设置、热水负荷设置、用水量时间表,该项目地点为上海、建筑类型为办公、建筑面积为6 200m²,冷水进水温度为15℃,集热板倾角为22°,朝向为0,计算条件为全年8 760h的逐时计算,热水类型仅为洗手,办公人数为200人,工作日小时负荷曲线为8~18之间等值变化,周六日不使用。

　　 设备选型建议是根据设置的边界条件按照太阳能热水系统的设计标准利用计算内核自动计算后相关设备的建议容量,设计师可以根据建议参数修改相应设备的容量,本案例按照建议的参数进行了相应的修改,见图10。

　　 全部设置完毕之后点击运行计算按钮,计算进度条可以显示计算的进度。

　　 计算结果可以在Excel中显示,计算结果包括出水温度、水泵能耗、辅助加热电耗、集热器进口热量、集热器出口热量、水箱散热损失量等,见图11。

　　 点击结果显示,可以显示计算结果,包括总集热量、总辅助加热量、总散热量、总泵耗、太阳能保证率、单位热量耗功率、出水温度合格率等评价指标,本设置的计算结果见图12,各项指标大都满足要求,出水温度合格率。

　　 案例按照标准建议的推荐容量并没有取得良好的效果,通过调整几个设备的容量确定了最合适的容量匹配设置,如表1所示。

　　 由表1可见,方案3的节能效果最好,但出水温度的合格率略低,如果综合考虑保证率(如大于45%即可),可以调整其他参数进一步提高出水温度的合格率,如方案4。

　　 由案例应用可见开发的辅助设计工具具有较实用的功能,具体如下:

　　 (1)建筑方案设计阶段光热板的快速布置设计。

　　 (2)建筑方案设计阶段合理确定光热板的大致规模。

　　 (3)建筑方案设计阶段可以初步估算出光热系统的性能。

　　 (4)专业设计阶段的系统图设计快速设计。

　　 (5)专业设计阶段的系统主要设备容量的确定。

　　 (6)专业设计阶段的系统能效的评估和对标。

　　 辅助设计工具可以大大提高光热一体化设计的效率和质量,解决了目前光热一体化设计在设计阶段遇到的主要问题,建筑师可独立完成从设计到分析的全过程工作内容,减少了各种软件转化所带来的信息损失。

　　 辅助设计工具目前只能满足简单太阳能热水系统的设计和分析任务,随着系统软件的持续完善和升级辅助设计工具将能够实现更多能源系统的设计和分析,包括地源热泵系统、光伏发电系统、常规空调冷热源系统以及它们之间的耦合系统。