分析太陽能地板采暖系統(tǒng)浙江地區(qū)應(yīng)用

杭州普桑能源科技有限公司/ 袁新毓、徐平

　　摘要：本文簡要介紹了太陽能技術(shù)的發(fā)展,并通過對太陽能地板采暖系統(tǒng)的工作原理及效益分析, 得出太陽能地板采暖將是浙江地區(qū)最節(jié)能、環(huán)保的采暖方式之一。

　　0引言

　　隨著社會的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球礦物能源的消費(fèi)量越來越大，而全球礦物能源儲量卻十分有限。能源的日益匱乏，對環(huán)保的要求日益提高，我國越來越多的城市開始限制燃煤采暖，取而代之的是以多種清潔、節(jié)能的采暖系統(tǒng)來代替現(xiàn)有的采暖方式。同時隨著人們生活水平的逐步提高，人們對室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的要求也越來越高，其中包括對采暖舒適性的要求，太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳鳛榻陙硇屡d的一種采暖方式，以其舒適、衛(wèi)生、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)倍受人們關(guān)注。

　　1發(fā)展概況

　　20 世紀(jì)80 年代，由于能源緊張引起國家和社會的重視，國內(nèi)許多科研院所、大專院校開始從事太陽能利用的研究工作，其中太陽能的光熱利用已取得顯著成果并轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。我國有較豐富的太陽能資源。其太陽輻射資源區(qū)劃分為四個資源帶：一類為資源豐富地區(qū)（年輻射總量≥6700MJ/m2）；二類為資源較豐富地區(qū)（年輻射總量＝5400~7000MJ/m2）；三類為資源一般地區(qū)（年輻射總量＝4000~5400MJ/m2）和四類為貧乏地區(qū)（年輻射總量＜4200MJ/m2）。年太陽輻照時數(shù)超過2200小時的太陽能利用條件較好的地區(qū)占國土的2/3。

　　其中浙江地區(qū)屬于三類資源地區(qū)，具有利用太陽能的良好條件。

　　2系統(tǒng)組成及工作原理

　　2.1太陽能地板采暖系統(tǒng)的組成

　　2.1.1太陽能集熱系統(tǒng)

　　太陽能集熱系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、儲熱水箱、控制器、系統(tǒng)管道等組成。

　　太陽能集熱器用來將太陽能源轉(zhuǎn)換為熱能以加熱液體的設(shè)備，目前國內(nèi)使用的太陽能集熱器類型主要有平板型太陽能集熱器、真空管太陽能集熱器、熱管真空管太陽能集熱器、U 形管真空管太陽能集熱器。平板型太陽能集熱器保溫性能不如真空管太陽能集熱器，適合在春、夏、秋三個季節(jié)使用；真空管集熱器在-25℃的低溫條件下，仍可產(chǎn)生熱水，可一年四季使用，冬季利用太陽能的效率最高，但存在炸管泄漏風(fēng)險；熱管集熱器可在-50℃條件下使用，但熱管冷凝端（加熱端）表面積僅是真空管的1%，易結(jié)水垢，換熱效果不如真空管，且使用效果直接受到熱管本身質(zhì)量和壽命的影響，部分熱管出現(xiàn)質(zhì)量下降和衰減問題，不容易被發(fā)現(xiàn)，且成本高；U形管真空管太陽集熱器是在真空管的內(nèi)壁插入了一根U 形的銅管，利用傳熱介質(zhì)在U 形銅管內(nèi)流動將真空管吸收太陽熱能帶走，因而可封閉帶壓循環(huán)，不存在炸管泄漏問題，但由于U 形管怕凍，因此必須采用防凍液介質(zhì)循環(huán)，成本相對也高。

　　綜上所述，不同類型的產(chǎn)品各有其優(yōu)缺點(diǎn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品的不斷完善，實際選擇產(chǎn)品時需綜合考慮。選擇全玻璃真空管太陽集熱器比較合適，熱效率高，經(jīng)濟(jì)實用，是目前國內(nèi)市場（包括浙江）普遍使用的產(chǎn)品。

　　2.1.2輔助熱源

　　由于太陽能源的不穩(wěn)定、不連續(xù)性，為了保證太陽能地板采暖系統(tǒng)可以全天候發(fā)揮采暖的功能，采用輔助熱源是必不可少的，由于電加熱管無污染、體積小，可以直接安裝在儲熱水箱中，具有安裝方便，不占用設(shè)備空間；系統(tǒng)全部自動化運(yùn)行，無需專人看管，運(yùn)行維護(hù)方便；可以利用低谷電，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。電加熱設(shè)備易安裝，控制方便，是太陽能熱水系統(tǒng)最常用的輔助熱源，但運(yùn)行費(fèi)用較高，有時因需電力增容大大提高系統(tǒng)投資。推薦選用壁掛燃?xì)鉅t作為輔助熱源。在選擇輔助熱源時，要綜合考慮各項因素。

　　2.1.3地板輻射采暖末端

　　地板輻射采暖是將低溫?zé)崴?0~50℃）通入被埋置于房間構(gòu)造層中的加熱盤管（地暖專用塑料管或銅管），經(jīng)過構(gòu)造層的熱量傳遞，使地面達(dá)到一定的溫度，靠地面和圍護(hù)結(jié)構(gòu)、家具、人體等之間的輻射換熱來維持房間需要的溫度，達(dá)到采暖的目的。所以，在達(dá)到人體同等舒適的條件下，室內(nèi)計算溫度的取值應(yīng)比常規(guī)散熱器對流取暖時降低2℃，或取常規(guī)對流供暖熱負(fù)荷的90%~95%，因此它是一種有效的節(jié)能采暖裝置。 

　　2.2系統(tǒng)工作原理

　　太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)可采用圖1所示的形式。

　　典型的太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)由太陽集熱器，控制器，循環(huán)泵，儲熱水箱，輔助熱源，系統(tǒng)管路，溫度計，地暖盤管等組成。

　　當(dāng)T1-T2＞10℃時，控制器就啟動循環(huán)泵P1，水進(jìn)入太陽集熱器進(jìn)行加熱，并將太陽集熱器的熱水壓入儲熱水箱，儲熱水箱上部溫度高，下部溫度低，下部冷水再進(jìn)入太陽集熱器加熱，構(gòu)成一個循環(huán)。當(dāng)T1-T2＜5℃，循環(huán)泵P1停止工作。當(dāng)房間溫度T3＜18℃時，控制器就啟動循環(huán)泵P2進(jìn)行采暖循環(huán)。和其它太陽能的利用一樣，太陽能集熱器的熱量輸出是隨時間變化的，它受氣候變化周期的影響，所以，系統(tǒng)中有一個輔助熱源—電加熱管?？刂破麟S時檢測儲熱水箱溫度，只要T2＜30~40℃，電加熱管就自動工作。當(dāng)T2＞40-50℃時，電加熱管停止工作。

　　3主要設(shè)計參數(shù)

　　3.1地板表面平均溫度

　　太陽能地板輻射采暖地板表面溫度的確定是根據(jù)人體舒適感、生理條件要求，參照《地面敷設(shè)采暖技術(shù)規(guī)程》（JGJ142-2004）來確定的，具體推薦數(shù)值見表1。

　　3.2供回水溫度

　　在太陽能地板輻射采暖設(shè)計中，從安全和使用壽命考慮，民用建筑的供水溫度不應(yīng)超過60℃，供回水溫差不應(yīng)超過l0℃：

　　3.3供熱負(fù)荷

　　太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)由盤管經(jīng)地面向室內(nèi)散熱，由于受到填充層、地面層的影響，提高了傳熱熱阻，大大降低了盤管的散熱量，一般來講，同種地板裝飾層的厚度越小，地板表面的平均溫度就越高．但均勻性差；厚度越大，地板表面的平均溫度將會降低，同時均勻性得到了加強(qiáng)，地面散熱量則隨著厚度的增加而有所下降，但下降的幅度較小。因此，在確定熱負(fù)荷時要適當(dāng)考慮這些因素的影響。

　　另一方面，由于太陽能地輻射采暖主要以輻射的傳熱方式進(jìn)行采暖，形成較合理的溫度場分布和熱輻射作用，可有2℃ ~3℃的等效熱舒適度效應(yīng)。因此采暖熱負(fù)荷計算宜將室內(nèi)計算溫度降低2℃，或取常規(guī)對流式采暖方式計算采暖熱負(fù)荷的90%~95%，也就是說，可以適當(dāng)降低建筑物熱負(fù)荷。

　　另外，對于采甩用中采暖分戶熱計量或采用分戶獨(dú)立熱源的住宅，應(yīng)考慮間歇采暖、戶間建筑熱工條件和戶間傳熱等因素，房間的熱負(fù)荷計算應(yīng)增加一定的附加量。因此，在設(shè)計計算熱負(fù)荷時應(yīng)對以上問題綜合加以考慮，確定符合工程實際的建筑熱負(fù)荷。

　　根據(jù)地板輻射采暖的設(shè)計經(jīng)驗：

　　1）全面輻射采暖的熱負(fù)荷應(yīng)按有關(guān)規(guī)范進(jìn)行。對計算出的熱負(fù)荷乘以修正系數(shù)（0.9~0.95）或?qū)⑹覂?nèi)計算溫度取值降低2℃均可。

　　2）局部采暖的熱負(fù)荷，應(yīng)再乘以附加系數(shù)（見表2）。

　　3.4管間距

　　加熱管的鋪設(shè)管間距，應(yīng)根據(jù)地面散熱量、室內(nèi)溫度、平均水溫及地面?zhèn)鳠釤嶙璧韧ㄟ^計算確定。

　　3.5水力計算

　　盤管管路的阻力包括沿程阻力和局部阻力兩部分。由于盤管管路的轉(zhuǎn)彎半徑比較大，局部阻力損失很小，可以忽略。因此，盤管管路的阻力可以近似認(rèn)為是管路的沿程阻力。

　　3.6埋深

　　厚度不宜＜50mm；當(dāng)面積超過30m2或長度超過6m 時，填充層設(shè)置間距不超過5m，寬度≥5mm的伸縮縫。面積較大時，間距可適當(dāng)增大，但不宜超過10mm；加熱管穿過伸縮縫時，宜設(shè)長度≤100mm的柔性套管。

　　3.7流速

　　加速管內(nèi)水的流速不應(yīng)＜0.25m/s，且不超過0.5m/s。同一集配裝置的每個環(huán)路加熱管長度應(yīng)盡量接近，一般不超過100m，最長不能超過120m。每個環(huán)路的阻力不宜超過30kPa。

　　4太陽能地板采暖系統(tǒng)效益分析

　　4.1節(jié)能效益

　　以浙江地區(qū)為例，測試結(jié)果為，真空管集熱器冬季日平均效率在50%左右，若按日平均輻射強(qiáng)度為500W/m2計算，則每小時集熱量為0.9MJ/m2，按平均日照8h 計算，每天集熱7.2MJ/m2，相當(dāng)于2kW·h能。如果一戶安裝有20m2的太陽集熱器，則每天可節(jié)省相當(dāng)于40kW·h 的能量。電價按0.48 元/kW·h 計算，則一個采暖季節(jié)可節(jié)約電費(fèi)至少2000 元。在過渡季和夏季還可以利用此太陽能集熱系統(tǒng)提供生活熱水，來提高太陽能全年的利用率，從而提高太陽能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。由于太陽能系統(tǒng)初投資大，目前在經(jīng)濟(jì)上很難與常規(guī)采暖方式相競爭，但是隨著常規(guī)能源價格的不斷上漲和國家能源政策逐漸向可再生能源方面傾斜，必將是新型供暖的首選方式之一。

　　4.2 環(huán)境效益

　　該采暖系統(tǒng)無污染、無噪音、無廢物廢氣排放，可以有效降低溫室氣體CO2的排放，有利于緩解全球氣候變暖；同時也減少酸雨氣體SO2和總懸浮顆粒物的排放量，有益于改善地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，環(huán)境效益顯著。

　　4.3社會效益

　　以太陽能源作為熱源提供采暖和生活熱水符合資源可持續(xù)發(fā)展的要求, 同時采用太陽能源符合國家環(huán)保政策，利國利民，一次投資，長期受益。

　　太陽能采暖系統(tǒng)的節(jié)能、環(huán)保、安全與社會發(fā)展潮流相符合，太陽能采暖系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，將會獲得良好的社會效果。

　　5太陽能地板采暖系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

　　與傳統(tǒng)采暖方式相比，太陽能地板輻射采暖技術(shù)主要具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：

　　1）降低室內(nèi)設(shè)計溫度

　　影響人體舒適度的因素之一為室內(nèi)平均輻射溫度。當(dāng)采用太陽能地板輻射采暖時，由于室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的提高，所以其平均輻射溫度也要加大，一般室內(nèi)平均輻射溫度比室溫高2~3℃：因此要得到與傳統(tǒng)采暖方式同樣的舒適效果，室內(nèi)設(shè)計溫度值可降低2~3℃。

　　2）舒適性好

　　以地板為散熱面，在向人體和周圍空氣輻射換熱的同時，還向四周的家具及外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面輻射換熱．使壁面溫度升高，減少了四周表面對人體的冷輻射。由于具有輻射強(qiáng)度和溫度的雙重作用，使室溫比較穩(wěn)定，溫度梯度小，形成真正符合人體散熱要求的熱環(huán)境，給人以腳暖頭涼的舒適感，可使腦力勞動者的工作效率提高。

　　3）衛(wèi)生條件好

　　室內(nèi)空氣流速較小，平均為0.15m/s，可減少灰塵飛揚(yáng)，減少墻壁面或空氣的污染，消除了普通散熱器積塵面揮發(fā)的異味。

　　4）高效節(jié)能

　　供水溫度為30℃~60℃，使利用太陽能成為可能，節(jié)約常規(guī)能源。室內(nèi)設(shè)計溫度值如（1）所述，可降低2℃~3℃。根據(jù)有關(guān)資料介紹，室內(nèi)溫度每降低1℃可節(jié)約燃料10%左右，因此太陽能地板輻射采暖可節(jié)約燃料20%~30%。

　　5）擴(kuò)大房間的有效使用面積

　　采用暖氣片采暖，一般100m2占有效使用面積達(dá)2m2左右，而且上下立橫管多，給用戶裝修和使用帶來諸多不便。采用太陽能地板輻射采暖，管道全部在地面以下，只用一個分集水器進(jìn)行控制，解決了傳統(tǒng)采暖方式的諸多問題。

　　6）使用壽命長

　　太陽能低溫地板采暖，塑料管埋入地板中，如無人為破壞，使用壽命在50 年以上，不腐蝕、不結(jié)垢，節(jié)約維修和更換費(fèi)用。

　　7）便于進(jìn)行分戶熱計量，便于調(diào)節(jié)和控制。

　　6 結(jié)束語

　　太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)具有節(jié)能與環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，是一種綠色的采暖方式。隨著人們對生活質(zhì)量要求的提高，太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)必將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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