太阳能建筑 Solar Building

阿基米德太阳能公司(ASE)是 Angelantoni 集团旗下的一家公司,活跃在可再生能源领域。该公司设在 Todi 附近翁布里亚小镇 Massa Martana 的工厂内,依照 意大利新技术、能源和环境研究中心专业生产高温聚光型太阳能热电站使用的接收管。

这项技术已经在 Priolo Gargallo 的 Enel 电站的混合能源(天然气和太阳热能)发电项目中获得了应用,其作用是基于抛物柱面反射镜和熔融盐流动回路,将熔融盐流作为传热介质,用于储存和交换热量。

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ASE 的新总部大楼和能源中心是当地企业院集团发起的创意,谋求在可持续发展的能源领域中诞生一个意大利境内重要的参考中心,而 ASE 所建的生产工厂与邻近新建的示范性聚光型太阳能热发电站都为能源中心的一部分,该中心利用来自 San Faustino 别墅区的可再生能源发电。

工业园区

ASE 工业园区由工业大楼、总部办公楼(建筑设计:Maryfil Architecture;结构与设备设计:Arup Italia)和最新的太阳能热电站构成。

ASE 工业园区的总投资约6千万欧元,其中约有4.5百万欧元用于总部办公大楼的建造(2,800欧元/m2, 包括办公家具、饰品摆设等),18个月建成,而太阳能热电站的建设大概花费了600万欧元。

工业大楼(约15,000 m2)采用预制建筑构件系统建设。其内部安装了多条全自动生产线,由高级专业人员控制,可以生产140,000根接收管。

然后建造的总部办公楼为平行六面体形状(长55m,高13m,深12m),沿工业大楼南立面建在一旁,通过天桥与后者相连。

办公大楼地上三层,总面积约1,200m2, 另加一层地下层(约500m2)。之所以建造这幢大楼,是为了均衡地响应公司形象、能源的可持续发展和环境风貌的典型需要。

大楼底层预期设置公众接待空间(接待室和会议室)和垂直连接通道,该通道一直向上伸展,而办公室全部安排在二层和三层。地下室用作车库、仓库、供暖供冷和空气处理机组的空调设备中心及水暖卫浴中心(包括雨水回用设施)、总配电间和接线系统。屋顶上还安装了办公区专用的第二个空气处理机组。

生物气候理念

办公大楼是按照接近“碳中和”的目标设计的,即利用涉及以下内容的生物气候运营策略,实现二氧化碳零排放:

-    利用被动节能方案(建筑外壳采用高性能隔热保温材料,利用和调整太阳辐射率,最大限度地利用自然照明,优化自然通风);

-     利用可再生能源(地热-空气换热设备,光伏发电场);

-    采用高能效系统方案(预估与区域供热管网的连接,采用置换通风设备,在天花板上安装平板辐射器供暖和供冷,通过楼宇管理系统优化控制和调节设备的运行);

 -     指导用户应采取的进一步做法(编写楼宇使用手册,指导楼宇的最佳管理规程)。

因要求最大限度地提高冬季的太阳辐射,年贡献率而将夏季的太阳辐射贡献率减至最低程度,故对南立面的遮阳系统与采用木瓦覆盖的全部混凝土外壳进行了仔细的研究,而沿北向正立面控制必要的热质量,以抑制热负荷峰值。

        建筑外壳能耗情况

南立面是完全透明的,其遮阳结构为微孔金属片制成的水平百叶窗式遮阳罩,由钢结构件(主框架间距8.1m,副框架间距2.7m)支撑,整个截面为曲线形状,而楼宇的平顶也能获得遮阳效果。

因遮阳罩的最佳朝向和几何形状(百叶窗间距500mm, 深度450mm, 距离玻璃幕墙80mm, 微孔率10%),恢复了冬季的太阳能贡献率,并且避免了夏季大厅受到过度辐照,而三个楼层的隔离空间则位于玻璃幕墙的隐蔽部位。

玻璃幕墙由选择性、低辐射的双层玻璃构成,且呈曲线形状,专为减少太阳辐射而设计的。大厅兼有连接办公区和调节办公区微气候的双重功能,全部幕墙的玻璃窗都向北,高度气密。

此项设计是采用能源建模软件完成,目的是为了冬夏之间的工况达到较好的平衡。相比参考楼宇(按意大利最低法规要求设计的普通商业楼宇),估计制冷能源减少了大约50%,供热能力大致为后者的80%,减少了一次热能和电能的消耗分别为60% 和 40%。

大厅夏季的供冷,包括换季阶段,按以下方式执行:

-      依靠烟囱效应的自然通风,解决48%的供冷;

-      利用空气-地热换热器实现28%的供冷;

-     利用办公室的排气,借助混合通风系统完成15%的供冷。

组合这些被动节能技术,可以将大厅空调设备的使用率降低到9%。该楼宇的能源使用情况认证为 A 类。

设备协同

冬季供暖、生产冷冻水(设在进口处的吸收式冷冻机组)、夏季新风后加热(仅办公区)和办公大楼卫浴热水生产所需的热能目前由设在工业大楼供热中心地下室内的2台液化石油气锅炉(每台930kW)供应。

随着能源中心的完全投产,尤其是农林型植物生物质热电联产中心(计划的2MWt和1MWe)和相关供热管网的投产,上述供热系统将保持后备功能,而由一台板式换热器(约2,000kWt)替代。

夏季空调用冷冻水的生产将来也将依靠热电联产中心。目前,两栋大楼供冷的吸收式冷冻机组(1,319kWf)仍接受液化石油气锅炉的供热。

从空调设备中心引出供热供冷回路,通向各个空调设备区的终端,其结构设计保证了办公楼宇在夏季能获得冷热水,并同时实现新风的后加热处理。相反,生产区的回路属于2根管子形式的,即只是解决冬季供暖和夏季供冷。

整个工业大楼的冬季供热和夏季供冷采用循环加热冷却终端或直接膨胀方式,配备了新风处理系统,该系统由3台空气处理和余热回收装置构成,分别用于生产区、除气区、吹气车间和溅镀车间。室内终端包括了空气加热器、暖风机和 VRF 空调设备。利用6台真空太阳能集热器(总集热面积19.32 m2)生产大部分热水,用作卫浴热水。

安装在工业大楼屋顶南坡上的光伏设备满足了办公楼宇的全部用电需要,包括电脑和 IT设备。这些单晶硅光伏组件朝向南面安装,并相对于水平方向倾斜约18°,总功率约58kW。

办公楼宇分别接受7~12°C(冷冻水)和100 ~ 80°C (热水)的温度不同的供水和回水。在空调设备中心安装了生产卫浴热水锅炉、生产热水和冷冻水的热交换器及一次回路(热、冷)和二次回路的泵系统。

雨水储槽及相关的水泵系统在地下形成单个系统,安装在办公楼宇周边。屋顶收集到的雨水储存在储槽内,用于灌溉和供给厕所水箱,并可满足楼宇90%的饮用水需要。

办公区和会议室朝向北面,因此,不会受到太阳辐射和温度突变的影响。该项目的制冷负荷几乎只取决于雇员人数、办公设备和人工照明。

至于这些房间的空调,考虑统一采用装在天花板上的辐射板(这种装置可以确保在建筑物的规划空间内实现最大的安装灵活性)与新风置换装置整合在一起的系统。运行时后者将空气引入室内的速度较低,故能维持用户的很高舒适度,并减少了风机的能耗。此外,该系统由 CO2 传感器控制调节,可以通过检出室内人数,进一步减少系统能耗。

通风系统

办公楼内,分别由设置在屋顶和地下室供热中心的2台空气处理机处理空气。第一台空气处理机用于办公区和会议室,且配备了效率为80%的全热换热器,而第二台空气处理机专用于大厅的空调,而室外温湿度条件不允许使用被动式节能系统。

冬季,空气处理机利用地热换热器服务于办公区,以求将换热器的总效率提高至90%左右。就像压力通风系统那样,利用架空地板所形成的空隙,通过设置在地板上的旋流风口分配空气。

相反,夏季,地热换热器可作为大厅专用空气处理机,结合自然通风系统和办公区的空气置换系统而进入自由冷却运行模式。这些方案由楼宇管理系统根据各种不同的工况进行整合和管理。

当户外温度低于26°C时,通过位于南立面下部(进气)和大厅上部(排气)的通风窗的自动开启而完成的自然通风,实现大厅内部的空气调节;

随着内部负荷的增大和户外气温的升高,通风窗会逐渐自动关闭,大厅空气处理机便会开始按自由冷却模式运行,利用地热换热器冷却进风。借助立面下部的地板隔栅分配空气,并利用大厅上部的排气隔栅回风。

当户外气温进一步升高且太阳能负荷也增大时,办公区的横向通风将结合地热设备的冷却能力。通过墙壁上的风口抽取办公室内26°C的新风注入大厅,使之维持28°C的温度,而这样的温度差可以保证内部负荷增大所需的冷却能力。然后,从大厅上部的风口抽出空气。在春秋两季及可能需要通过自然通风或利用地热换热器对大厅实施空气调节时,从位于走廊天花板上的回风风道抽出空气,送入空气处理机而排出,从而与进风实现预定的热交换。

在每间办公室内均设置一块控制屏,用以设定运行参数,籍此可以在一定范围内设定所需温度。为避免在夏季某些情况下频繁开窗以防辐射板上结露,可考虑中断向辐射天花板供水。该控制系统中有一个微动开关装在窗板上,与相关的供热供冷回路的截止阀的伺服机构连接。

能源中心

去年七月,在工厂旁落成了新建的聚光型太阳能热电站;该电站采用 ASE 技术(Enea 专利),基于应用抛物柱面反射镜和熔融盐传热液体,加热温度可达550°C。

概括地说,这项技术是借助抛物柱面反射镜,将太阳光集聚在一排接受管上,管内流体就是传热工质,用于产生驱动汽轮机发电所需的蒸汽。

自2010年以后,ENEL 公司在 Priolo Gargallo(锡拉库札)建了太阳能热电站,采用类似的设备与联合循环热电发电机,协同利用混合能源(天然气和太阳热能)发电(总发电量 325GWh/年)。

Massa Martana 新能源实验中心占地大约11.600m2,是全球首座自足型太阳能热电站,它不混合利用化石燃料,是迈向建成能源中心、实现利用来自 San Faustino 别墅区的可再生能源发电的重要一步,而这对于曾建有一座砖瓦窑的当地工业来说,是彻底的变革、发展和改造。

除 ASE 的工厂以外,Flaminia Vetus 财团推出的能源中心综合项目还包括了:

-    一家以源自农林业的木质纤维素生物质为燃料的热电联产厂(约2MWt 和900kWe);

-    一套生产致密生物质燃料(颗粒状、块状、片状)的设备,包括混合当地来源的木本植物和草本植物的专用设备(维护公共森林和绿地后留下的枝桠和树叶等,杨树和纤维高粱,修剪葡萄、橄榄和果园留下的废弃物);

-    一个会议中心及一幢专业培训楼;

-    一家能源中心的维护工场。

CSP: 如何做到的?

聚光型太阳能热电站(额定容量2MWt)是由日本千代田公司和 ASE 公司共同督造的,用以明确展示该项目的经济可行性、银行可贴现性和技术可靠性。

该太阳能电站占据了标高不同的三阶连续台地:由6个抛物柱状集热器构成,每个长100米(总集热面积3,398m2),分两排平行设置(南北定向),相距约有18米,以防出现阴影遮蔽。

每个集热器构成如下:

-   抛物线状反射面。依靠太阳光同轴自动跟踪系统,将获得的最大量的太阳辐射恒定地反射各接受管;

-   后者是透明管子,沿着与抛物线反射面焦点相交的轴线,而平行于反射面设置,管内循环流动的流体(60%的硝酸钠与40%的硝酸钾的混合物),从290°C被加热到 550°C。

从水力学观点来看,144根接受管串联设置,与圆柱状储罐连接(温度固定,大气压力,储盐量可变)。此流体从冷储罐流至太阳能集热场的入口。而一旦达到最高温度,便被储存在热储罐内。依靠这种模式,每天冷储罐总是倾向于放空,热储罐总是倾向于灌满,于是就把热能储存起来了。

在缺乏太阳光辐射的情况下, 通过从热储罐抽取流体(最大储存量为50吨混合熔融盐)可以维持4.27Mwh 的发电能力,相当于电站运行5小时左右。将流体送向高温(530°C)高压的蒸汽发生器,由此产生的蒸汽驱动一台或多台汽轮机发电,然后将电力并入电网。

在缺乏太阳光辐射的场合,仍然通过太阳能集热场进行循环,仍将流体(该场合下为冷流体)送入起点的储罐,因为液位没有变化。必要时,可将一部分热流体注入冷储罐,以补偿可能降低的储存温度。

此项技术适合于规模为10Mwe 至几百 Mwe、采用意大利专利的电站(太阳能聚光,由表面选择性涂层的接收管构成系统,采用专用机器溅镀镀层):ASE 是全球唯一一家生产和销售熔融盐太阳能接收管的公司,因此,该产品充实了包括导热油接收管、饱和蒸汽或过饱和蒸汽接收管(直接蒸汽发电 DSG)在内的整个产品型谱。

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