分析太阳能地板采暖系统浙江地区应用

杭州普桑能源科技有限公司/ 袁新毓、徐平

　　摘要：本文简要介绍了太阳能技术的发展,并通过对太阳能地板采暖系统的工作原理及效益分析, 得出太阳能地板采暖将是浙江地区最节能、环保的采暖方式之一。

　　0引言

　　随着社会的进步和经济的快速发展，全球矿物能源的消费量越来越大，而全球矿物能源储量却十分有限。能源的日益匮乏，对环保的要求日益提高，我国越来越多的城市开始限制燃煤采暖，取而代之的是以多种清洁、节能的采暖系统来代替现有的采暖方式。同时随着人们生活水平的逐步提高，人们对室内环境品质的要求也越来越高，其中包括对采暖舒适性的要求，太阳能低温热水地板辐射采暖作为近年来新兴的一种采暖方式，以其舒适、卫生、节能、环保等优点倍受人们关注。

　　1发展概况

　　20 世纪80 年代，由于能源紧张引起国家和社会的重视，国内许多科研院所、大专院校开始从事太阳能利用的研究工作，其中太阳能的光热利用已取得显著成果并转化为生产力。我国有较丰富的太阳能资源。其太阳辐射资源区划分为四个资源带：一类为资源丰富地区（年辐射总量≥6700MJ/m2）；二类为资源较丰富地区（年辐射总量＝5400~7000MJ/m2）；三类为资源一般地区（年辐射总量＝4000~5400MJ/m2）和四类为贫乏地区（年辐射总量＜4200MJ/m2）。年太阳辐照时数超过2200小时的太阳能利用条件较好的地区占国土的2/3。

　　其中浙江地区属于三类资源地区，具有利用太阳能的良好条件。

　　2系统组成及工作原理

　　2.1太阳能地板采暖系统的组成

　　2.1.1太阳能集热系统

　　太阳能集热系统主要由太阳能集热器、储热水箱、控制器、系统管道等组成。

　　太阳能集热器用来将太阳能源转换为热能以加热液体的设备，目前国内使用的太阳能集热器类型主要有平板型太阳能集热器、真空管太阳能集热器、热管真空管太阳能集热器、U 形管真空管太阳能集热器。平板型太阳能集热器保温性能不如真空管太阳能集热器，适合在春、夏、秋三个季节使用；真空管集热器在-25℃的低温条件下，仍可产生热水，可一年四季使用，冬季利用太阳能的效率最高，但存在炸管泄漏风险；热管集热器可在-50℃条件下使用，但热管冷凝端（加热端）表面积仅是真空管的1%，易结水垢，换热效果不如真空管，且使用效果直接受到热管本身质量和寿命的影响，部分热管出现质量下降和衰减问题，不容易被发现，且成本高；U形管真空管太阳集热器是在真空管的内壁插入了一根U 形的铜管，利用传热介质在U 形铜管内流动将真空管吸收太阳热能带走，因而可封闭带压循环，不存在炸管泄漏问题，但由于U 形管怕冻，因此必须采用防冻液介质循环，成本相对也高。

　　综上所述，不同类型的产品各有其优缺点。随着技术的进步和产品的不断完善，实际选择产品时需综合考虑。选择全玻璃真空管太阳集热器比较合适，热效率高，经济实用，是目前国内市场（包括浙江）普遍使用的产品。

　　2.1.2辅助热源

　　由于太阳能源的不稳定、不连续性，为了保证太阳能地板采暖系统可以全天候发挥采暖的功能，采用辅助热源是必不可少的，由于电加热管无污染、体积小，可以直接安装在储热水箱中，具有安装方便，不占用设备空间；系统全部自动化运行，无需专人看管，运行维护方便；可以利用低谷电，节省运行费用。电加热设备易安装，控制方便，是太阳能热水系统最常用的辅助热源，但运行费用较高，有时因需电力增容大大提高系统投资。推荐选用壁挂燃气炉作为辅助热源。在选择辅助热源时，要综合考虑各项因素。

　　2.1.3地板辐射采暖末端

　　地板辐射采暖是将低温热水（30~50℃）通入被埋置于房间构造层中的加热盘管（地暖专用塑料管或铜管），经过构造层的热量传递，使地面达到一定的温度，靠地面和围护结构、家具、人体等之间的辐射换热来维持房间需要的温度，达到采暖的目的。所以，在达到人体同等舒适的条件下，室内计算温度的取值应比常规散热器对流取暖时降低2℃，或取常规对流供暖热负荷的90%~95%，因此它是一种有效的节能采暖装置。 

　　2.2系统工作原理

　　太阳能地板辐射采暖系统可采用图1所示的形式。

　　典型的太阳能地板辐射采暖系统由太阳集热器，控制器，循环泵，储热水箱，辅助热源，系统管路，温度计，地暖盘管等组成。

　　当T1-T2＞10℃时，控制器就启动循环泵P1，水进入太阳集热器进行加热，并将太阳集热器的热水压入储热水箱，储热水箱上部温度高，下部温度低，下部冷水再进入太阳集热器加热，构成一个循环。当T1-T2＜5℃，循环泵P1停止工作。当房间温度T3＜18℃时，控制器就启动循环泵P2进行采暖循环。和其它太阳能的利用一样，太阳能集热器的热量输出是随时间变化的，它受气候变化周期的影响，所以，系统中有一个辅助热源—电加热管。控制器随时检测储热水箱温度，只要T2＜30~40℃，电加热管就自动工作。当T2＞40-50℃时，电加热管停止工作。

　　3主要设计参数

　　3.1地板表面平均温度

　　太阳能地板辐射采暖地板表面温度的确定是根据人体舒适感、生理条件要求，参照《地面敷设采暖技术规程》（JGJ142-2004）来确定的，具体推荐数值见表1。

　　3.2供回水温度

　　在太阳能地板辐射采暖设计中，从安全和使用寿命考虑，民用建筑的供水温度不应超过60℃，供回水温差不应超过l0℃：

　　3.3供热负荷

　　太阳能地板辐射采暖系统由盘管经地面向室内散热，由于受到填充层、地面层的影响，提高了传热热阻，大大降低了盘管的散热量，一般来讲，同种地板装饰层的厚度越小，地板表面的平均温度就越高．但均匀性差；厚度越大，地板表面的平均温度将会降低，同时均匀性得到了加强，地面散热量则随着厚度的增加而有所下降，但下降的幅度较小。因此，在确定热负荷时要适当考虑这些因素的影响。

　　另一方面，由于太阳能地辐射采暖主要以辐射的传热方式进行采暖，形成较合理的温度场分布和热辐射作用，可有2℃ ~3℃的等效热舒适度效应。因此采暖热负荷计算宜将室内计算温度降低2℃，或取常规对流式采暖方式计算采暖热负荷的90%~95%，也就是说，可以适当降低建筑物热负荷。

　　另外，对于采甩用中采暖分户热计量或采用分户独立热源的住宅，应考虑间歇采暖、户间建筑热工条件和户间传热等因素，房间的热负荷计算应增加一定的附加量。因此，在设计计算热负荷时应对以上问题综合加以考虑，确定符合工程实际的建筑热负荷。

　　根据地板辐射采暖的设计经验：

　　1）全面辐射采暖的热负荷应按有关规范进行。对计算出的热负荷乘以修正系数（0.9~0.95）或将室内计算温度取值降低2℃均可。

　　2）局部采暖的热负荷，应再乘以附加系数（见表2）。

　　3.4管间距

　　加热管的铺设管间距，应根据地面散热量、室内温度、平均水温及地面传热热阻等通过计算确定。

　　3.5水力计算

　　盘管管路的阻力包括沿程阻力和局部阻力两部分。由于盘管管路的转弯半径比较大，局部阻力损失很小，可以忽略。因此，盘管管路的阻力可以近似认为是管路的沿程阻力。

　　3.6埋深

　　厚度不宜＜50mm；当面积超过30m2或长度超过6m 时，填充层设置间距不超过5m，宽度≥5mm的伸缩缝。面积较大时，间距可适当增大，但不宜超过10mm；加热管穿过伸缩缝时，宜设长度≤100mm的柔性套管。

　　3.7流速

　　加速管内水的流速不应＜0.25m/s，且不超过0.5m/s。同一集配装置的每个环路加热管长度应尽量接近，一般不超过100m，最长不能超过120m。每个环路的阻力不宜超过30kPa。

　　4太阳能地板采暖系统效益分析

　　4.1节能效益

　　以浙江地区为例，测试结果为，真空管集热器冬季日平均效率在50%左右，若按日平均辐射强度为500W/m2计算，则每小时集热量为0.9MJ/m2，按平均日照8h 计算，每天集热7.2MJ/m2，相当于2kW·h能。如果一户安装有20m2的太阳集热器，则每天可节省相当于40kW·h 的能量。电价按0.48 元/kW·h 计算，则一个采暖季节可节约电费至少2000 元。在过渡季和夏季还可以利用此太阳能集热系统提供生活热水，来提高太阳能全年的利用率，从而提高太阳能系统的经济效益。由于太阳能系统初投资大，目前在经济上很难与常规采暖方式相竞争，但是随着常规能源价格的不断上涨和国家能源政策逐渐向可再生能源方面倾斜，必将是新型供暖的首选方式之一。

　　4.2 环境效益

　　该采暖系统无污染、无噪音、无废物废气排放，可以有效降低温室气体CO2的排放，有利于缓解全球气候变暖；同时也减少酸雨气体SO2和总悬浮颗粒物的排放量，有益于改善地区的生态环境，环境效益显著。

　　4.3社会效益

　　以太阳能源作为热源提供采暖和生活热水符合资源可持续发展的要求, 同时采用太阳能源符合国家环保政策，利国利民，一次投资，长期受益。

　　太阳能采暖系统的节能、环保、安全与社会发展潮流相符合，太阳能采暖系统的广泛应用，将会获得良好的社会效果。

　　5太阳能地板采暖系统的优点

　　与传统采暖方式相比，太阳能地板辐射采暖技术主要具有以下几方面的优点：

　　1）降低室内设计温度

　　影响人体舒适度的因素之一为室内平均辐射温度。当采用太阳能地板辐射采暖时，由于室内围护结构内表面温度的提高，所以其平均辐射温度也要加大，一般室内平均辐射温度比室温高2~3℃：因此要得到与传统采暖方式同样的舒适效果，室内设计温度值可降低2~3℃。

　　2）舒适性好

　　以地板为散热面，在向人体和周围空气辐射换热的同时，还向四周的家具及外围护结构内表面辐射换热．使壁面温度升高，减少了四周表面对人体的冷辐射。由于具有辐射强度和温度的双重作用，使室温比较稳定，温度梯度小，形成真正符合人体散热要求的热环境，给人以脚暖头凉的舒适感，可使脑力劳动者的工作效率提高。

　　3）卫生条件好

　　室内空气流速较小，平均为0.15m/s，可减少灰尘飞扬，减少墙壁面或空气的污染，消除了普通散热器积尘面挥发的异味。

　　4）高效节能

　　供水温度为30℃~60℃，使利用太阳能成为可能，节约常规能源。室内设计温度值如（1）所述，可降低2℃~3℃。根据有关资料介绍，室内温度每降低1℃可节约燃料10%左右，因此太阳能地板辐射采暖可节约燃料20%~30%。

　　5）扩大房间的有效使用面积

　　采用暖气片采暖，一般100m2占有效使用面积达2m2左右，而且上下立横管多，给用户装修和使用带来诸多不便。采用太阳能地板辐射采暖，管道全部在地面以下，只用一个分集水器进行控制，解决了传统采暖方式的诸多问题。

　　6）使用寿命长

　　太阳能低温地板采暖，塑料管埋入地板中，如无人为破坏，使用寿命在50 年以上，不腐蚀、不结垢，节约维修和更换费用。

　　7）便于进行分户热计量，便于调节和控制。

　　6 结束语

　　太阳能地板辐射采暖系统具有节能与环保等突出优点，是一种绿色的采暖方式。随着人们对生活质量要求的提高，太阳能地板辐射采暖系统必将会得到越来越广泛的应用。

　　参考文献

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　　2.齐心. 解决太阳能与建筑一体化的良好方案.现代建筑，2003（1）

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　　4.王荣光，沈天行.可再生能源利用与建筑节能.北京机械工业出版社，2004

　　5.袁莹，苏粤.太阳能热水器与建筑一体化设计.华中建筑，2005（1）

　　6 高辉，何泉.太阳能利用与建筑一体化设计.华中建筑，2004（1）

　　7.袁新毓.分离式太阳能热水系统优化设计探讨，中国太阳能工程，2014，45~47

　　9.《太阳能供热采暖工程技术规范》GB50495-2009中国建筑工业出版社