019嚴(yán)寒地區(qū)太陽能地板輻射供暖研究

1、019嚴(yán)寒地區(qū)太陽能地板輻射供暖研究 嚴(yán)寒地區(qū)太陽能地板輻射供暖研究 吉林建筑工程學(xué)院 劉曄 長春工程學(xué)院 張自國 摘要 關(guān)鍵詞 嚴(yán)寒地區(qū)；太陽能；地板輻射；供暖 0 引言隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗的激增，傳統(tǒng)能源的蘊(yùn)藏量已經(jīng)不能滿足發(fā)展的需要。世界正面臨著前所未有的能源危機(jī)。人們迫切的希望找到新的能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石類能源，太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮芎蜌淠艿刃履茉春涂稍偕茉吹拈_發(fā)利用得到了很大的重視。傳統(tǒng)能源的開發(fā)和利用，是造成大氣和其他類型環(huán)境污染與生態(tài)破壞的主要原因之一。目前全球氣候變暖主要是由燃燒化石類能源排放的CO2等溫室氣體所造成，因此，限制和減少溫室氣體的排放成為國

2、際社會(huì)減緩全球氣候變化的重要組成部分。作為清潔干凈，只有很少的污染物排放的新能源和可再生能源將成為人類社會(huì)未1來能源的基石。太陽能用之不盡取之不竭占有舉足輕重的地位。雖然人們在太陽能利用的道路上經(jīng)歷了很多波折，但是太陽能利用的腳步始終沒有停止。1 太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)每年我國建筑能耗占全國總能耗的27.6%，且仍將繼續(xù)增長，其中北方地區(qū)供暖能耗占全國建筑總能耗的36%，約合1.3億噸標(biāo)煤/年2。以煤炭、石油和天然氣為主要能源的時(shí)期，將是一個(gè)不太長的歷史時(shí)期，它們終將走向枯竭而被新能源取代，保護(hù)好人類賴以生存的地球生態(tài)環(huán)境，已成為全球的重大課題。因此，在我國北方嚴(yán)寒地區(qū)開發(fā)利用太陽能供熱，不僅

3、可以節(jié)約建筑采暖消耗的化石能源3，而且還可以減少造成環(huán)境污染物的排放，具有顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。雖然人類利用太陽能的歷史已非常久遠(yuǎn)，但是作為一種潔凈、可再生的能源，再加之新技術(shù)的應(yīng)用，越來越被人們重視。但是太陽能資源也存在著相當(dāng)嚴(yán)重的缺點(diǎn)和問題：分散性到達(dá)地球表面的太陽輻射能的總量盡管很大，但能流密度卻很低；間斷性和不穩(wěn)定性，由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔等自然條件的限制，利用太陽集熱器對(duì)環(huán)境的要求也比較高，在夜晚和陰天陽光少的天氣里會(huì)受到限制如果用太陽集熱器加熱水，以水為媒介為室內(nèi)供熱，在夜晚或陰天陽光少的時(shí)候，只能用白天儲(chǔ)存在蓄熱水箱內(nèi)熱水進(jìn)行供暖，如果水溫達(dá)不到供暖需要的溫度則

4、需要用輔助熱源提高水溫。如果采取一種供回水溫度較低的采暖方式與太陽熱水器聯(lián)合的供暖方式則可以減少使用輔助熱源。近幾年在我國北方出現(xiàn)的低溫地板輻射采暖方式是一種比較理想的選擇。地板輻射采暖是一種熱媒溫度為30 60的采暖方式。與傳統(tǒng)采暖方式相比，地板供暖系統(tǒng)供水溫度低，加熱水消耗的熱量少，輸熱過程熱損失也少。地板采暖主要依靠輻射傳熱，提高了室內(nèi)平均輻射溫度，使人體輻射散熱大量減小，增強(qiáng)了人體舒適感，4因此室內(nèi)作用溫度比采用散熱器時(shí)低12。特別是地板埋管的水媒輻射采暖，由于混凝土熱容量大，5采用間歇采暖時(shí)室溫波動(dòng)小，因此太陽能適用于地板輻射采暖系統(tǒng)，其原理如圖1-1所示。2 2.1 集熱器面積的確

5、定對(duì)于吸熱表面，熱平衡可知（Qsol+Qsky）-（Qflo+Qsur）=QS （2-1） 其中：太陽輻射得熱量Qsol：Qsol=Fcol´JS´aS （2-2）天空輻射得熱Qsky：Qsky=F´sb´TSKY´aSKY （2-3） 對(duì)流失熱量Qflo：Qflo=Fcol´acol(Ts-Ta) (2-4)4表面輻射失熱量Qsur：Qsur=F´sb´Ts´eS (2-5)444可利用的太陽輻射熱為QS：FcoléëJsas-acol(Ts-Ta)ùû+Fcol

6、sb(Tskyas-Tses)=Qs (2-6)ae6根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹真空管太陽集熱器的吸收率S=0.920.94，發(fā)射率S=0.070.08。太陽熱水器吸收的可用能量QS應(yīng)當(dāng)?shù)扔谟脩魺嶝?fù)荷Q即：QS=Q (2-7)在實(shí)際條件下，在嚴(yán)寒地區(qū)全部用太陽能供暖實(shí)現(xiàn)不了。這里引入太陽能保證率的概念：供熱負(fù)荷中太陽能獲得熱量所占的百分?jǐn)?shù)，用SHF表示則有：QS=Q´SHF (2-8) 則有：Fcol=Q´SHF4sky4éëJsas-acol(Ts-Ta)ùû+sb(Tas-Tses)最終可由(2-9)式來確定集熱器的面積。(2-9)2.2

7、蓄熱器的選擇蓄熱器是太陽能供暖系統(tǒng)中非常重要的設(shè)備，蓄熱器有很多種形式,國外對(duì)太陽能熱水供應(yīng)與供暖聯(lián)合系統(tǒng)的蓄熱器做過實(shí)際研究。房間的總負(fù)荷Q=GcpDt （2-10） 設(shè)蓄熱器（也亦貯熱水箱）體積為V，在系統(tǒng)質(zhì)量流量G一定的情況，太陽能供暖占全部供暖負(fù)荷的比例可以表示為太陽能循環(huán)時(shí)間占系統(tǒng)總循環(huán)時(shí)間的比例，則有：rV=G´24´SHF´3600 （2-11）將式（2-10）代入式（2-11）中可得：Q´24´SHF´3600V= （2-12）rcpDt式（2-12）中溫差Dt直接式系統(tǒng)取515，考慮到系統(tǒng)應(yīng)對(duì)陰雪天的能力上式按蓄存兩

8、天的熱量計(jì)算則有：V=Q´24´SHF´3600´2rcpDt（2-13）增大了蓄熱器的體積系統(tǒng)在運(yùn)行前需要的蓄熱時(shí)間要延長。2.3 輔助熱源的確定在嚴(yán)寒地區(qū)只靠太陽能供暖在我國現(xiàn)有的條件是不能實(shí)現(xiàn)的，所以必須有其它的熱源來補(bǔ)充由太陽能承擔(dān)的供暖負(fù)荷以外的那部分負(fù)荷。目前，可實(shí)現(xiàn)與太陽能聯(lián)合供暖的熱源有很多如太陽能輔助電采暖、太陽能輔助燃油鍋爐采暖、太陽能輔助燃?xì)忮仩t采暖等。輔助熱源熱負(fù)荷可如下確定：Qaux=Q´(1-SHF) （2-14）在太陽能輔助電采暖系統(tǒng)中，可以通過光探頭和溫度探頭聯(lián)合控制電加熱器，當(dāng)太陽光的輻照度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，無論水

9、溫是否達(dá)到設(shè)定的溫度值，電源都能切斷不予加熱，這樣既能充分利用太陽能又能節(jié)省系統(tǒng)電能消耗。在太陽能輔助燃油（燃?xì)猓╁仩t采暖系統(tǒng)中，水先通過燃油（燃?xì)猓╁仩t再到熱用戶，通過自動(dòng)控制當(dāng)供水溫度滿足要求時(shí)燃油（燃?xì)猓╁仩t不啟動(dòng)，當(dāng)供水溫度低于設(shè)定的溫度時(shí)燃油（燃?xì)猓╁仩t啟動(dòng)，當(dāng)水溫達(dá)到要求時(shí)自動(dòng)熄火。同樣這種系統(tǒng)也達(dá)到了充分利用太陽能和節(jié)約油氣的目的。實(shí)行熱量按表收費(fèi)的制度后，與電、燃油和燃?xì)庾鬏o助熱源相比，室外供熱管網(wǎng)作輔助熱源是一種最為經(jīng)濟(jì)的方式，其主要優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)初投資少，節(jié)省了購置電加熱器、燃油鍋爐和燃?xì)忮仩t的費(fèi)用；運(yùn)行費(fèi)用少，室內(nèi)的小循環(huán)不需要再加循環(huán)水泵依靠室外管網(wǎng)提供的壓頭足可以運(yùn)行；

10、系統(tǒng)的形式簡單，只需要在系統(tǒng)中加設(shè)兩個(gè)閥門和感溫、感光探頭實(shí)現(xiàn)閥門的自動(dòng)開關(guān)即可，節(jié)省了室內(nèi)空間。 3 太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究以長春市某棟六層民宅位于六樓某住戶的北向臥室（16.83m）為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，房間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱物性參數(shù)見表3-1。3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1.1 房間負(fù)荷的確定計(jì)算求得房間的各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量和房間的總負(fù)荷，見表3-2。長春供暖室內(nèi)計(jì)算溫度tn=18（2005年采暖期），相鄰房間為非供暖房間室溫按5計(jì)算。 由于房間的供暖形式為地板輻射采暖，所以它的室內(nèi)計(jì)算溫度可以比散熱器形式低2，從表3-2可以看出它比散熱器采暖形式節(jié)約12.27%的能源。2 表

11、3-2 房間各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量和房間的總負(fù)荷3.1.2 集熱器面積的確定由式（2-9）可確定集熱器的面積Fcol=7Q´SHFéëJsas-acol(Ts-Ta)ùû+sb(Tas-Tses)4sky42(3-1)根據(jù)參考文獻(xiàn)上式中?。篴S=0.92，acol=2.5W/( m·K)，eS=0.07,TS=278K，Ta=268K，Tsky=0K，JS=200W/m。SHF按照太陽能輔助量為20%、35%、50%分別計(jì)算,結(jié)果見表3-3。2由（2-13）式可確定蓄熱器的容積： V=Q´24´SHF´360

12、0´2rcpDt(3-2)取Dt=10，太陽能保證率SHF按20%、35%、50%三種情況計(jì)算。V=2.19645´24´SHF´3600´21.0´10´4.174´103計(jì)算結(jié)果見表3-4。3.1.4 輔助熱源的選擇太陽能可以與電聯(lián)供，與燃?xì)鉅t聯(lián)供，與燃油爐聯(lián)供，還可以與供熱管網(wǎng)聯(lián)供。如果實(shí)行熱量按表計(jì)費(fèi)，太陽能與供熱管網(wǎng)聯(lián)供的形式與其它形式相比將是經(jīng)濟(jì)性較好的供熱形式。因?yàn)樵诂F(xiàn)有條件下滿足室內(nèi)舒適度的要求，供應(yīng)同樣的熱量，用供熱管網(wǎng)比用電、燃?xì)夂腿加投际″X。采用太陽能與供熱管網(wǎng)聯(lián)供的形式只需在分、集水器處加裝

13、一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置（閥門）就可以實(shí)現(xiàn)太陽能供暖與供熱管網(wǎng)供暖的轉(zhuǎn)換，在白天太陽能滿足地板采暖供回水要求時(shí)，用太陽能供暖，否則用供熱管網(wǎng)供暖。3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立由于條件限制，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)沒有設(shè)置蓄熱水箱和輔助熱源，而是使用天普家用太陽熱水器經(jīng)過改裝，水箱的出水管接地板采暖的分水器，將太陽熱水器預(yù)留的安裝輔助電加熱器的孔洞與系統(tǒng)回水管相連接，作為系統(tǒng)的回水管接地板采暖系統(tǒng)的集水器，在太陽熱水器出水口與地板采暖系統(tǒng)分水器之間的管線上安裝循環(huán)水泵，在地板采暖分水器與集水器處安裝溫度計(jì)測量進(jìn)入地板采暖盤管的水溫（進(jìn)水溫度）和在地板采暖盤管室外氣溫與時(shí)間的變化曲線直射輻射所致。研究,驗(yàn)當(dāng)天太陽升起，圖3-2 供

14、回水溫度逐時(shí)變化曲線4 節(jié)能情況與經(jīng)濟(jì)性分析4.1 節(jié)能量化分析本試驗(yàn)是直接將太陽熱水器內(nèi)的熱水引入低溫地板輻射供暖的盤管內(nèi)，由循環(huán)水泵帶動(dòng)熱媒在盤管內(nèi)循環(huán)，來進(jìn)行觀測，已確定太陽能提供多少能量。本系統(tǒng)只有兩部分額外的電能的消耗：（1）循環(huán)水泵消耗的電能；（2）太陽熱水器室外部分管道防凍伴熱帶消耗的電能。 計(jì)算系統(tǒng)的節(jié)能可按如下算式：系統(tǒng)中太陽提供的可供應(yīng)用的凈能量-系統(tǒng)額外消耗的電能=系統(tǒng)節(jié)約的能量。4.1.1 系統(tǒng)中太陽提供的可供應(yīng)用的凈能量從試驗(yàn)開始到結(jié)束共151天，太陽熱水器內(nèi)水量為208L×80%=166.4L（166.4kg），平均每次實(shí)測開始到結(jié)束水箱內(nèi)溫差為Dt=25

15、。則每次測量可利用的太陽能量為：q=mcDt=166.4kg×4.18kJ(kg·)×25=17388.8kJ試驗(yàn)共利用太陽能量為：Q=nsq=151×17388.=2625708.8KJ730kwh4.1.2 太陽熱水器室外部分管道防凍伴熱帶和循環(huán)水泵消耗的電能在試驗(yàn)系統(tǒng)中為了計(jì)算這部分電能的消耗設(shè)置了電功率表。試驗(yàn)開始電功率表的讀數(shù)為1430kwh，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)電功率表的讀數(shù)為1787kwh，試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際耗電量為1787-1430=357kwh，其中循環(huán)泵耗電約8kwh，室外管路伴熱帶耗電約349kwh（由于室外管路安裝條件限制，管路布置不合理，實(shí)際管

16、長約為30米，合理布置應(yīng)為8米，扣除不合理因素影響，分析中采用伴熱帶折合耗電量830。´349=93.1kwh）實(shí)際分析中的耗電量取值為101.1kwh，若取電價(jià)為0.53元/kwh，則系統(tǒng)耗電費(fèi)用為0.53元/kwh×101.1kwh=52.57元。4.1.3 系統(tǒng)節(jié)約的能量試驗(yàn)期間（2005年12月8日-2006年5月8日），本系統(tǒng)可節(jié)約的能量：730 101.1=628.9kwh 約合0.53元×628.9=333.32元即系統(tǒng)平均每天節(jié)約4.16kwh的電量，約合2.20元/天。4.2 經(jīng)濟(jì)分析7償還年限是經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。多投資的部分，用每年的經(jīng)濟(jì)

17、效益回收的年限表示。它與建筑類型、增加投資的大小、每年節(jié)能的數(shù)量、8燃料的價(jià)格、地區(qū)及氣象條件等有密切關(guān)系，同時(shí)還受國家貸款的利息及優(yōu)惠政策的影響。償還年限可由下式求出：lnB-ln(B-Ai) N=ln(1+i)式中：A太陽輔助供暖增加的初投資，元/m2；B太陽輔助供暖每年節(jié)約的費(fèi)用，元/(m2·a)；i年利率。本試驗(yàn)系統(tǒng)增加的初投資共為1796元（其中：集熱器的投資為3180元，考慮到集熱器為全年使用，170夏季提供生活熱水冬季輔助供熱，則集熱器占系統(tǒng)初投資中的 3652´3180=1481元；循環(huán)水泵，聯(lián)接管、管件，閥門，伴熱帶等共計(jì)315元），約合106.71元/

18、m；每年節(jié)約的費(fèi)用為37.37元/(m2·a)；i=8%，則：N=5 結(jié)論實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用普通家用太陽熱水器為唯一熱源，在除室外管路防凍裝置和循環(huán)水泵消耗能量（電能）外沒有其他輔助熱源的情況下，經(jīng)過一個(gè)采暖期的正常運(yùn)行，凈節(jié)約能量628.9kwh，確實(shí)具有節(jié)能效果，平均每天節(jié)約4.16kwh，約合2.20元/天?？梢娫陂L春地區(qū)太陽能輔助的低溫地板輻射采暖形式運(yùn)行安全，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上可行。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)比較簡單，由于系統(tǒng)中缺少蓄熱水箱和輔助熱源，致使試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間過短沒有達(dá)到理想的效果?？梢妵?yán)寒地區(qū)太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)，蓄熱水箱的作用不可忽視，要想達(dá)到理想的供熱效果，輔助熱源必不可少。 ln37.37-ln(37.37-106.71´0.08)ln(1+0.08)=3.4年參考文獻(xiàn)1 羅運(yùn)俊,何梓年,王長貴.太陽能利用技術(shù)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005:1-122 王俊,徐偉,林海燕,曾捷.建筑能耗現(xiàn)狀與節(jié)能途徑J.中國科技成果,2006,19:14-173 齊政新,陸亞俊,史超.太陽能在建筑節(jié)能中應(yīng)用的探討J.節(jié)能技術(shù),2001,20(1):10-134 王子介.低溫輻射供暖與輻射供冷M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004:31-415 齊政新,陸亞俊,石磊.太陽能及其輔助熱源