摘要：生態(tài)建筑作為建筑節(jié)能的一個全新設(shè)計理念，已逐漸為世界各國重視，并已成為業(yè)內(nèi)一項重要的研究課題。大限度地利用風能、太陽能等自然能源，削減不可再生能源的耗費是生態(tài)建筑能源技術(shù)的終歸宿。針對上海市建筑科學(xué)研究院環(huán)境實驗樓，本文介紹了一種基于太陽能熱利用的生態(tài)建筑空調(diào)與地板采暖復(fù)合能量系統(tǒng)，詳細闡述了系統(tǒng)的設(shè)計方案、運行方式以及控制策略。夏季，利用太陽能熱水驅(qū)動兩臺吸附式制冷機組，擔負生態(tài)技術(shù)展示廳的顯熱冷負荷。冬季，太陽能熱水作為低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的熱源。
關(guān)鍵詞：生態(tài)建筑；太陽能；吸附式制冷；地板采暖; 系統(tǒng)設(shè)計
0 引言
生態(tài)建筑觀是人類對自然界生態(tài)平衡的重視在建筑領(lǐng)域的延伸，它反映了人與自然環(huán)境之間水乳交融的相互依賴關(guān)系。所謂生態(tài)建筑，是用生態(tài)學(xué)原理和方法，以人、建筑、自然和社會協(xié)調(diào)發(fā)展為目標，有節(jié)制地利用和改造自然，尋求適合人類生存和發(fā)展的生態(tài)建筑環(huán)境，將建筑環(huán)境作為一個有機的、具有結(jié)構(gòu)和功能的整體系統(tǒng)來看待。因此，人、建筑、自然環(huán)境和社會環(huán)境所組成的人工生態(tài)系統(tǒng)成為生態(tài)建筑的研究對象[1]。生態(tài)建筑是一種比喻，它是指具備了“生態(tài)”性質(zhì)，即適應(yīng)自然生態(tài)良性循環(huán)基本規(guī)律的一類建筑。生態(tài)建筑的內(nèi)涵可歸結(jié)為：以人為本、節(jié)省資源、節(jié)約能源、保護環(huán)境。它以整體有序性、循環(huán)再生性、反饋平衡性、層次階躍性和綠色技術(shù)等特征保證了人類生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，從而達到了人與自然的真和諧[2]。隨著經(jīng)濟和住宅建設(shè)的發(fā)展、人們生活水平的提高，建筑物的能耗在我國總能耗中所占的比重越來越大，目前，我國建筑物的單位能耗甚高，必須重視建筑節(jié)能，倡導(dǎo)生態(tài)建筑理念，大限度地利用風能、太陽能等自然能源，實現(xiàn)建筑、能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。
生態(tài)建筑在能源消耗上，盡可能地利用可再生的自然能源，如太陽能、風能、地熱能等，而少消耗煤、石油等礦物燃料。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的潔凈能源，用太陽能替代常規(guī)能源對于建筑節(jié)能和環(huán)保都具有十分重要的意義。未來的發(fā)展趨勢是實現(xiàn)太陽能與建筑一體化，其基本思路是利用太陽能這種豐富、便捷、無污染的能源來進行采暖制冷以及供應(yīng)熱水，以滿足人們生活的需要，同時達到減少和不用礦物燃料的目的。近年來，太陽能熱水器的應(yīng)用發(fā)展很快，這種以獲取生活熱水為主要目的應(yīng)用方式其實與大自然的規(guī)律并不完全一致，冬季通過適當擴大太陽能集熱器的面積，便可形成太陽能熱水與采暖復(fù)合能量系統(tǒng)，而對于太陽輻射強、氣溫高的夏季，人們更需要的是空調(diào)降溫而不是熱水，這種情況在我國南方地區(qū)尤為突出。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，空調(diào)的使用越來越普及，由此給能源、電力和環(huán)境帶來很大的壓力。因此，利用太陽能空調(diào)是一個理想的方案，它不僅可使太陽能得到更充分、更合理的利用，可以把低品位的能源（太陽能）轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏氖孢m性空調(diào)制冷，而且對節(jié)省常規(guī)能源、減少環(huán)境污染、提高人們生活水平具有重要意義，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。
實現(xiàn)太陽能空調(diào)有兩條途徑：1）太陽能光電轉(zhuǎn)換，利用電力制冷；2）太陽能光熱轉(zhuǎn)換，以熱能制冷。前一種方法成本高，以目前太陽電池的價格來算，在相同制冷功率情況下，造價約為后者的4～5 倍。國際上太陽能空調(diào)的應(yīng)用主要是后一種方法[3]。利用光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的太陽能空調(diào)一般通過太陽能集熱器與除濕裝置、熱泵、吸收式或吸附式制冷機組相結(jié)合來實現(xiàn)。在太陽能空調(diào)系統(tǒng)中，太陽能集熱器用于向再生器、蒸發(fā)器、發(fā)生器或吸附床提供所需要的熱源，因而，為了使制冷機達到較大的性能系數(shù)（COP）,應(yīng)當有較高的集熱器運行溫度，這對太陽能集熱器的要求比較高，通常選用在較高運行溫度下仍具有較高熱效率的真空管集熱器。針對上海市建筑科學(xué)研究院環(huán)境實驗樓，本文介紹了一種基于太陽能熱利用的生態(tài)建筑空調(diào)與地板采暖復(fù)合能量系統(tǒng)，詳細闡述了系統(tǒng)的設(shè)計方案、運行方式以及控制策略。
1．系統(tǒng)概述
上海市建筑科學(xué)研究院環(huán)境實驗樓位于上海市建筑科學(xué)研究院莘莊基地內(nèi)，總建筑面積為1984m2，建筑占地面積904 m2，建筑層數(shù)：地上3 層。作為一個生態(tài)建筑示范工程，該建筑包容了多種綠色能源技術(shù)，包括太陽能采暖、空調(diào)、光伏發(fā)電、自然通風、自然采光等。上海交通大學(xué)承擔了太陽能空調(diào)以及地板采暖系統(tǒng)的研究設(shè)計，具體內(nèi)容包括：（1）夏季利用太陽能吸附式空調(diào)與建科院設(shè)計的溶液除濕空調(diào)耦合，分別負擔一層生態(tài)建筑展示廳的顯熱冷負荷以及潛熱冷負荷；（2）冬季利用太陽能地板采暖系統(tǒng)負擔一層生態(tài)建筑展示廳以及二層大空間辦公室的熱負荷。（3）在過渡季節(jié)，利用太陽能熱水強化自然通風。
鑒于該環(huán)境實驗樓以辦公為主，熱水需求量較少，因此，在系統(tǒng)設(shè)計中，以滿足采暖、空調(diào)工況為主。太陽能空調(diào)及地板采暖復(fù)合能量系統(tǒng)包括真空管太陽能集熱器、吸附式制冷機組、冷卻塔、風機盤管、地板采暖盤管、蓄熱水箱以及循環(huán)水泵等主要部件。其中，太陽能集熱器作為吸附式制冷機組的驅(qū)動熱源以及地板采暖的熱源，是該復(fù)合能量系統(tǒng)的核心部件。太陽能空調(diào)系統(tǒng)所涉及的一層生態(tài)建筑展示廳面積為265 m2，空調(diào)設(shè)計工況下的顯熱冷負荷為15 kW，由太陽能吸附式空調(diào)負擔；空調(diào)設(shè)計工況下的潛熱冷負荷為45 kW，由溶液除濕系統(tǒng)負擔。太陽能地板采暖系統(tǒng)負擔的總采暖面積為390 m2，包括一層生態(tài)建筑展示廳以及二層大空間辦公室，采暖設(shè)計熱負荷25 kW。
2．系統(tǒng)設(shè)計
2.1 采暖空調(diào)室內(nèi)、外設(shè)計參數(shù)
2.2 夏季空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計
一層生態(tài)建筑展示廳夏季空調(diào)采用風機盤管+新風系統(tǒng)，太陽能吸附式制冷機組為風機盤管提供15 ºC 的冷凍水；溶液除濕系統(tǒng)處理新風，其設(shè)計送風溫度為23 ºC，相對濕度為40％。設(shè)計選用兩臺吸附式制冷機組并聯(lián)運行，單臺的額定制冷量為10 kW，其吸附工質(zhì)對采用硅膠/水，無污染，符合環(huán)保要求，該機組由上海交通大學(xué)自行開發(fā)研制，具有體積小，性能穩(wěn)定，操作靈活等優(yōu)點。
2.3 冬季地板采暖系統(tǒng)設(shè)計
冬季地板采暖系統(tǒng)共有19 個回路，其中一層13 個回路，二層6 個回路，地板采暖盤管間距200 mm，水泥質(zhì)面層，每個回路的盤管長度約為100～140 m，負擔采暖面積約為25～30 m2。地板采暖采用德國Wieland 公司生產(chǎn)的cuprotherm 地暖系統(tǒng)，其導(dǎo)熱管由優(yōu)質(zhì)純銅材料制成，外面包一層橙色保護膜，可以抵御化學(xué)侵蝕以及機械損害，此外，該系統(tǒng)具有導(dǎo)熱性好、耐老化、不滲漏等優(yōu)點。
2.4 太陽能采暖空調(diào)系統(tǒng)流程及主要運行工況
系統(tǒng)的主要運行工況包括：
（1）夏季熱水直通模式下空調(diào)快速啟動工況：
吸附式制冷機組運行之前，關(guān)閉電磁閥E2、開啟電磁閥E3，利用太陽能集熱器加熱管網(wǎng)中蓄存的水，使之成為驅(qū)動吸附式制冷機組的初始動力。
（2）夏季熱水直通模式下吸附式制冷空調(diào)工況：
根據(jù)太陽輻射強度以及室內(nèi)冷負荷的變化，通過控制電磁閥E4、E5，可分別實現(xiàn)驅(qū)動單臺制冷機組的夏季空調(diào)工況以及同時驅(qū)動兩臺制冷機組的夏季空調(diào)工況，使系統(tǒng)處于高效節(jié)能的運行狀態(tài)。
（3）夏季全水箱模式下吸附式制冷空調(diào)工況：
以蓄熱水箱為中介，通過太陽能集熱循環(huán)加熱蓄熱水箱中的水，同時利用另一臺水泵將水箱中的熱水輸送到吸附式制冷機組，形成兩個循環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)太陽輻射強度以及室內(nèi)冷負荷的變化，通過控制電磁閥E4、E5，可分別實現(xiàn)驅(qū)動單臺制冷機組的夏季空調(diào)工況以及同時驅(qū)動兩臺制冷機組的夏季空調(diào)工況。
（4）冬季地板采暖工況：
關(guān)閉電磁閥E3、開啟電磁閥E2，將蓄熱水箱中的熱水送入地板采暖盤管，地板采暖的供回水管之間設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥E1，用來調(diào)節(jié)供水溫度，防止地板過熱。
（5）過渡季節(jié)太陽能強化自然通風工況：
在地板采暖供回水管上設(shè)置切換閥門，即可在過渡季節(jié)實現(xiàn)太陽能強化自然通風工況，建筑屋面的自然通風風道內(nèi)設(shè)置7 組加熱器，用來加熱流道內(nèi)的空氣，產(chǎn)生熱壓，提供自然通風所必需的動力。
（6）過渡季節(jié)熱水工況：
系統(tǒng)流程圖中，在集水器J1 與集水器J3 之間增設(shè)一個板式換熱器，即可實現(xiàn)過渡季節(jié)的熱水供應(yīng)。本工程為環(huán)境實驗樓，熱水用量相對較少，因此，系統(tǒng)設(shè)計中僅對熱水工況作了預(yù)留，未作詳細設(shè)計。
關(guān)鍵詞：生態(tài)建筑；太陽能；吸附式制冷；地板采暖; 系統(tǒng)設(shè)計
0 引言
生態(tài)建筑觀是人類對自然界生態(tài)平衡的重視在建筑領(lǐng)域的延伸，它反映了人與自然環(huán)境之間水乳交融的相互依賴關(guān)系。所謂生態(tài)建筑，是用生態(tài)學(xué)原理和方法，以人、建筑、自然和社會協(xié)調(diào)發(fā)展為目標，有節(jié)制地利用和改造自然，尋求適合人類生存和發(fā)展的生態(tài)建筑環(huán)境，將建筑環(huán)境作為一個有機的、具有結(jié)構(gòu)和功能的整體系統(tǒng)來看待。因此，人、建筑、自然環(huán)境和社會環(huán)境所組成的人工生態(tài)系統(tǒng)成為生態(tài)建筑的研究對象[1]。生態(tài)建筑是一種比喻，它是指具備了“生態(tài)”性質(zhì)，即適應(yīng)自然生態(tài)良性循環(huán)基本規(guī)律的一類建筑。生態(tài)建筑的內(nèi)涵可歸結(jié)為：以人為本、節(jié)省資源、節(jié)約能源、保護環(huán)境。它以整體有序性、循環(huán)再生性、反饋平衡性、層次階躍性和綠色技術(shù)等特征保證了人類生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，從而達到了人與自然的真和諧[2]。隨著經(jīng)濟和住宅建設(shè)的發(fā)展、人們生活水平的提高，建筑物的能耗在我國總能耗中所占的比重越來越大，目前，我國建筑物的單位能耗甚高，必須重視建筑節(jié)能，倡導(dǎo)生態(tài)建筑理念，大限度地利用風能、太陽能等自然能源，實現(xiàn)建筑、能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。
生態(tài)建筑在能源消耗上，盡可能地利用可再生的自然能源，如太陽能、風能、地熱能等，而少消耗煤、石油等礦物燃料。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的潔凈能源，用太陽能替代常規(guī)能源對于建筑節(jié)能和環(huán)保都具有十分重要的意義。未來的發(fā)展趨勢是實現(xiàn)太陽能與建筑一體化，其基本思路是利用太陽能這種豐富、便捷、無污染的能源來進行采暖制冷以及供應(yīng)熱水，以滿足人們生活的需要，同時達到減少和不用礦物燃料的目的。近年來，太陽能熱水器的應(yīng)用發(fā)展很快，這種以獲取生活熱水為主要目的應(yīng)用方式其實與大自然的規(guī)律并不完全一致，冬季通過適當擴大太陽能集熱器的面積，便可形成太陽能熱水與采暖復(fù)合能量系統(tǒng)，而對于太陽輻射強、氣溫高的夏季，人們更需要的是空調(diào)降溫而不是熱水，這種情況在我國南方地區(qū)尤為突出。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，空調(diào)的使用越來越普及，由此給能源、電力和環(huán)境帶來很大的壓力。因此，利用太陽能空調(diào)是一個理想的方案，它不僅可使太陽能得到更充分、更合理的利用，可以把低品位的能源（太陽能）轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏氖孢m性空調(diào)制冷，而且對節(jié)省常規(guī)能源、減少環(huán)境污染、提高人們生活水平具有重要意義，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。
實現(xiàn)太陽能空調(diào)有兩條途徑：1）太陽能光電轉(zhuǎn)換，利用電力制冷；2）太陽能光熱轉(zhuǎn)換，以熱能制冷。前一種方法成本高，以目前太陽電池的價格來算，在相同制冷功率情況下，造價約為后者的4～5 倍。國際上太陽能空調(diào)的應(yīng)用主要是后一種方法[3]。利用光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的太陽能空調(diào)一般通過太陽能集熱器與除濕裝置、熱泵、吸收式或吸附式制冷機組相結(jié)合來實現(xiàn)。在太陽能空調(diào)系統(tǒng)中，太陽能集熱器用于向再生器、蒸發(fā)器、發(fā)生器或吸附床提供所需要的熱源，因而，為了使制冷機達到較大的性能系數(shù)（COP）,應(yīng)當有較高的集熱器運行溫度，這對太陽能集熱器的要求比較高，通常選用在較高運行溫度下仍具有較高熱效率的真空管集熱器。針對上海市建筑科學(xué)研究院環(huán)境實驗樓，本文介紹了一種基于太陽能熱利用的生態(tài)建筑空調(diào)與地板采暖復(fù)合能量系統(tǒng)，詳細闡述了系統(tǒng)的設(shè)計方案、運行方式以及控制策略。
1．系統(tǒng)概述
上海市建筑科學(xué)研究院環(huán)境實驗樓位于上海市建筑科學(xué)研究院莘莊基地內(nèi)，總建筑面積為1984m2，建筑占地面積904 m2，建筑層數(shù)：地上3 層。作為一個生態(tài)建筑示范工程，該建筑包容了多種綠色能源技術(shù)，包括太陽能采暖、空調(diào)、光伏發(fā)電、自然通風、自然采光等。上海交通大學(xué)承擔了太陽能空調(diào)以及地板采暖系統(tǒng)的研究設(shè)計，具體內(nèi)容包括：（1）夏季利用太陽能吸附式空調(diào)與建科院設(shè)計的溶液除濕空調(diào)耦合，分別負擔一層生態(tài)建筑展示廳的顯熱冷負荷以及潛熱冷負荷；（2）冬季利用太陽能地板采暖系統(tǒng)負擔一層生態(tài)建筑展示廳以及二層大空間辦公室的熱負荷。（3）在過渡季節(jié)，利用太陽能熱水強化自然通風。
鑒于該環(huán)境實驗樓以辦公為主，熱水需求量較少，因此，在系統(tǒng)設(shè)計中，以滿足采暖、空調(diào)工況為主。太陽能空調(diào)及地板采暖復(fù)合能量系統(tǒng)包括真空管太陽能集熱器、吸附式制冷機組、冷卻塔、風機盤管、地板采暖盤管、蓄熱水箱以及循環(huán)水泵等主要部件。其中，太陽能集熱器作為吸附式制冷機組的驅(qū)動熱源以及地板采暖的熱源，是該復(fù)合能量系統(tǒng)的核心部件。太陽能空調(diào)系統(tǒng)所涉及的一層生態(tài)建筑展示廳面積為265 m2，空調(diào)設(shè)計工況下的顯熱冷負荷為15 kW，由太陽能吸附式空調(diào)負擔；空調(diào)設(shè)計工況下的潛熱冷負荷為45 kW，由溶液除濕系統(tǒng)負擔。太陽能地板采暖系統(tǒng)負擔的總采暖面積為390 m2，包括一層生態(tài)建筑展示廳以及二層大空間辦公室，采暖設(shè)計熱負荷25 kW。
2．系統(tǒng)設(shè)計
2.1 采暖空調(diào)室內(nèi)、外設(shè)計參數(shù)
2.2 夏季空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計
一層生態(tài)建筑展示廳夏季空調(diào)采用風機盤管+新風系統(tǒng)，太陽能吸附式制冷機組為風機盤管提供15 ºC 的冷凍水；溶液除濕系統(tǒng)處理新風，其設(shè)計送風溫度為23 ºC，相對濕度為40％。設(shè)計選用兩臺吸附式制冷機組并聯(lián)運行，單臺的額定制冷量為10 kW，其吸附工質(zhì)對采用硅膠/水，無污染，符合環(huán)保要求，該機組由上海交通大學(xué)自行開發(fā)研制，具有體積小，性能穩(wěn)定，操作靈活等優(yōu)點。
2.3 冬季地板采暖系統(tǒng)設(shè)計
冬季地板采暖系統(tǒng)共有19 個回路，其中一層13 個回路，二層6 個回路，地板采暖盤管間距200 mm，水泥質(zhì)面層，每個回路的盤管長度約為100～140 m，負擔采暖面積約為25～30 m2。地板采暖采用德國Wieland 公司生產(chǎn)的cuprotherm 地暖系統(tǒng)，其導(dǎo)熱管由優(yōu)質(zhì)純銅材料制成，外面包一層橙色保護膜，可以抵御化學(xué)侵蝕以及機械損害，此外，該系統(tǒng)具有導(dǎo)熱性好、耐老化、不滲漏等優(yōu)點。
2.4 太陽能采暖空調(diào)系統(tǒng)流程及主要運行工況
系統(tǒng)的主要運行工況包括：
（1）夏季熱水直通模式下空調(diào)快速啟動工況：
吸附式制冷機組運行之前，關(guān)閉電磁閥E2、開啟電磁閥E3，利用太陽能集熱器加熱管網(wǎng)中蓄存的水，使之成為驅(qū)動吸附式制冷機組的初始動力。
（2）夏季熱水直通模式下吸附式制冷空調(diào)工況：
根據(jù)太陽輻射強度以及室內(nèi)冷負荷的變化，通過控制電磁閥E4、E5，可分別實現(xiàn)驅(qū)動單臺制冷機組的夏季空調(diào)工況以及同時驅(qū)動兩臺制冷機組的夏季空調(diào)工況，使系統(tǒng)處于高效節(jié)能的運行狀態(tài)。
（3）夏季全水箱模式下吸附式制冷空調(diào)工況：
以蓄熱水箱為中介，通過太陽能集熱循環(huán)加熱蓄熱水箱中的水，同時利用另一臺水泵將水箱中的熱水輸送到吸附式制冷機組，形成兩個循環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)太陽輻射強度以及室內(nèi)冷負荷的變化，通過控制電磁閥E4、E5，可分別實現(xiàn)驅(qū)動單臺制冷機組的夏季空調(diào)工況以及同時驅(qū)動兩臺制冷機組的夏季空調(diào)工況。
（4）冬季地板采暖工況：
關(guān)閉電磁閥E3、開啟電磁閥E2，將蓄熱水箱中的熱水送入地板采暖盤管，地板采暖的供回水管之間設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥E1，用來調(diào)節(jié)供水溫度，防止地板過熱。
（5）過渡季節(jié)太陽能強化自然通風工況：
在地板采暖供回水管上設(shè)置切換閥門，即可在過渡季節(jié)實現(xiàn)太陽能強化自然通風工況，建筑屋面的自然通風風道內(nèi)設(shè)置7 組加熱器，用來加熱流道內(nèi)的空氣，產(chǎn)生熱壓，提供自然通風所必需的動力。
（6）過渡季節(jié)熱水工況：
系統(tǒng)流程圖中，在集水器J1 與集水器J3 之間增設(shè)一個板式換熱器，即可實現(xiàn)過渡季節(jié)的熱水供應(yīng)。本工程為環(huán)境實驗樓，熱水用量相對較少，因此，系統(tǒng)設(shè)計中僅對熱水工況作了預(yù)留，未作詳細設(shè)計。