趙嵩穎 付 言

(吉林建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130118)

1 太陽能混凝土樁儲熱技術(shù)現(xiàn)狀

太陽能混凝土樁儲熱技術(shù)是以太陽能和混凝土樁作為復(fù)合熱源的熱泵系統(tǒng)，在混凝土樁內(nèi)部埋設(shè)換熱管，利用太陽能集熱板把熱量通過混凝土樁中的換熱管儲存在土壤中.混凝土儲熱樁的直徑遠(yuǎn)大于土壤源熱泵換熱井的直徑，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)高于土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，這使混凝土樁的換熱性能優(yōu)于土壤源熱泵技術(shù).利用混凝土樁儲熱，可省去常規(guī)的土壤源換熱管打井及灌漿回填工序，從根本上避免因打井造成的施工費用，實現(xiàn)建筑物冬季零能供暖[1]和夏季零能制冷，是節(jié)約化石能源減少溫室氣體排放，高效開發(fā)與利用地下熱能的一種新方法.

2 Autodesk Revit Architecture軟件應(yīng)用現(xiàn)狀

建筑信息模型(BIM)是近兩年來出現(xiàn)在建筑界中的一個新名詞，具有三維立體可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性(節(jié)能模擬、日照模擬、熱傳導(dǎo)模擬)等多方面特點，是引領(lǐng)建筑業(yè)信息技術(shù)走向更高層次的一種新技術(shù)，它的全面應(yīng)用會大幅度提高建筑工程的信息化集成化程度.在設(shè)計和施工中應(yīng)用BIM技術(shù)，可提高整個工程的質(zhì)量和效率，降低建筑成本，實現(xiàn)技術(shù)改革并獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益.我國世博上汽通用企業(yè)館、世博上海案例館、天津郵輪母港及上海中心大廈等項目，均是利用Autodesk Revit系列軟件完成的.

3 太陽能混凝土樁儲熱Revit模型的建立

本研究以長春市某別墅建筑為實例，對其進(jìn)行revit architecture太陽能混凝土樁儲熱系統(tǒng)建模，確定該別墅供暖設(shè)計熱負(fù)荷，計算出太陽能集熱器系統(tǒng)所需太陽能板數(shù)量及所需埋管樁基數(shù)量.

3.1 太陽能集熱器系統(tǒng)的Revit模型

太陽能集熱器面積按照別墅冬季采暖熱負(fù)荷的要求來確定.長春地區(qū)供暖期為174 d，采用間歇供熱方式，每天供暖時間為10 h，冬季住宅樓供暖負(fù)荷按40 W/m2設(shè)計，別墅建筑面積為1128.81 m2，建筑物每小時需總供熱功率為40×1128.81=45.15 kW，則一個冬季該別墅供暖需熱量為78×103kW·h.太陽能集熱器面積[2]:

式中，Q為建筑物每小時所需的采暖設(shè)計熱負(fù)荷(W);Q0為熱管式真空管集熱器每平方米理論集熱量(W)，取650 W;η為熱管式真空管集熱器的瞬時效率，取η=0.80，可計算出該別墅系統(tǒng)應(yīng)采用的太陽能集熱器面積為86.83 m2.

太陽能電池板選取單晶硅峰值功率160 W，電壓34.4 V，電流4.65 A，開路電壓43.2 V，短路電流5 A.太陽能電池板規(guī)格為1580×808×35(mm)，該別墅項目所需太陽能電池板為69塊，太陽能電池板敷設(shè)Revit模型圖如圖1所示.

圖1 太陽能電池板敷設(shè)的Revit模型

將長春地區(qū)日照時間輸入Revit軟件自動化系統(tǒng)中，設(shè)置太陽能板轉(zhuǎn)動速率，太陽能集熱板可根據(jù)日照時間隨太陽轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)，從而最大限度地獲取太陽能(如圖2所示).

圖2 太陽能集熱器系統(tǒng)的日照Revit模型

3.2 混凝土樁的Revit模型

系統(tǒng)模型為樁基埋管換熱系統(tǒng)，承臺底標(biāo)高為－4.7 m，樁基埋管換熱樁長為13 m，樁內(nèi)換熱管采用并聯(lián)雙U型(如圖3所示).換熱管連接至集分水器，在集分水管末端設(shè)置循環(huán)泵，與室內(nèi)熱泵機(jī)組的換熱器形成一個閉式循環(huán)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)中的循環(huán)水與地下的巖土體進(jìn)行換熱，將能量在空調(diào)室內(nèi)和地下的巖土體之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)建筑物夏季制冷，冬季供暖的目的.

工作原理如圖4所示，夏季通過太陽能集熱器將循環(huán)介質(zhì)加熱，由循環(huán)熱泵將循環(huán)介質(zhì)注入地下儲熱樁中，通過地下儲熱樁與土壤間熱交換，將熱量存儲在土壤中;冬季可通過熱泵和混凝土儲熱樁熱交換器，將地下土壤內(nèi)熱量提取出來供房間取暖.本系統(tǒng)中，在冬季太陽能可直接用于建筑的日間采暖和生活熱水或地下蓄熱，夜間用熱泵取熱采暖，可實現(xiàn)建筑物供暖所需熱量全部由太陽能和地?zé)崮芄┙o，即零能供暖.

根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，10000 m2的建筑需要160口100 m深的換熱井，即可滿足全年的儲熱要求.本項目建筑面積為1128.81 m2，所需100 m深的換熱井18口.由于換熱樁采取并聯(lián)雙U型埋管方式，并聯(lián)雙U的換熱量為單U型換熱管的1.55倍，所以，本項目中共需要埋管儲熱樁樁長共計1161.29 m.該別墅項目樁長為13 m，故要滿足全年的儲熱要求，需要埋管儲熱樁89根，根據(jù)建筑施工圖紙，本項目共計112根樁，所以遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足該項目的儲熱要求，太陽能混凝土儲熱樁系統(tǒng)的Revit模型(如圖5所示).

圖3 并聯(lián)雙U型樁基埋管Revit模型

圖4 太陽能－混凝土儲熱樁供暖(冷)系

圖5 太陽能混凝土樁基系統(tǒng)整體的Revit模型

4 結(jié)語

太陽能混凝土樁儲熱技術(shù)是高效利用太陽能和地?zé)崮艿囊环N新技術(shù)，可以節(jié)約化石能源并減少CO2等溫室氣體的排放.利用Revit模型將太陽能混凝土樁儲熱系統(tǒng)融入到建筑施工中，使項目整個流程中使用一致的信息來設(shè)計和繪制創(chuàng)新項目，并且還可實現(xiàn)建筑外觀及樁內(nèi)部埋管的可視化來支持更好的溝通;并通過模擬日照和熱傳導(dǎo)獲得太陽能混凝土樁系統(tǒng)的真實性能，以便項目各方了解成本、工期及環(huán)境的影響.

太陽能混凝土樁儲熱技術(shù)在Revit軟件中的應(yīng)用具有以下幾個優(yōu)勢:圖紙上一處修改，系統(tǒng)中處處更新，便于進(jìn)行施工變更;可得到建筑模型中任意平面、立面及剖斷面模型，便于查看復(fù)雜位置具體情況;參數(shù)化、三維化模型，直觀傳遞設(shè)計信息;工程師可以在項目中央共享文件進(jìn)行協(xié)同設(shè)計施工，使整個項目都在一個直觀環(huán)境中完成，幫助各個施工段的人員更好地進(jìn)行溝通協(xié)作.建筑信息模型正在被愈來愈多的專家應(yīng)用在各式各樣的復(fù)雜新建筑上，是建筑行業(yè)的大勢所趨.

[1]王海亮，趙大軍，孫友宏.東北地區(qū)太陽能與淺層地?zé)崮苈?lián)合供暖分析[J].應(yīng)用能源技，2008，18(3):89－93.

[2]趙 達(dá)，張欣艷，王 暢，劉 逸.太陽能－土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)研究[J].八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2006，18(3):89－93.

[3]趙嵩穎，陳 晨，白 莉.混凝土樁儲熱技術(shù)研究及經(jīng)濟(jì)性分析[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2012，29(3):48－50.