水源热泵一种新的采暖方式----太阳能地板辐射采暖

一、引言
　　
　　太阳能地板辐射采暖是一种以采集的太阳能作为热源，通过敷设于地板中的盘管加热地面进行供暖的系统，该系统是以整个地面作为散热面，其辐射换热量约占总换热量的60%以上，它是以辐射散热为主。常规的散热器是以对流式散热为主，其采暖效果不够理想，舒适性和卫生条件欠佳。因此，太阳能地板辐射采暖越来越受到人们的关注。它在北美及欧洲的发在国家已经被广泛地应用。尤其是地板辐射采暖与其生活习惯、居住方式相协调，例如，韩国和日本以"踏踏迷"居住方式为主，地板辐射采暖在这个两个经济发达国家更得到了广泛的使用。
　　辐射采暖是依靠辐射传热的方式将热量传递到物体和人体表面，在辐射采暖正常运行的情况下，若室外温度相同，要想达到相同的舒适度，它的周围空气温度比对流采暖条件要求低3℃左右。根据人体的舒适感生理条件要求，地面温度为24℃～28℃^[1]。因为地板辐射采暖的热媒温度为40℃～60℃的低温热水，这就使利用太阳能集热器成为可能。太阳能利用技术的进展，将逐步解决日益紧缺的能源问题。所以，太阳能地板辐射采暖将越来越受到人们的欢迎。
　　
二、太阳能地板辐射采暖的技术经济
　　
　　目前，由于我国人口增长速度较快，使住宅越来越昂贵，所以使用太阳能地板辐射采暖必然会增加建筑物的初始成本，但是，就建筑物的整个寿命来计，它的费用却是降低了。所以，采用太阳能地板辐射采暖以后，能使投资得到最高回报的方法
时：
　　首先，要建立一个高能效的太阳能地板辐射采暖系统，例如它的管距相当，管材的合理使用，所采集能量充分利用等是使投资的回收提高的主要因素。
　　其次，尽量使系统被动化，也就是，使系统尽量减少辅助热源，热水所需热量均来自太阳能，从而减少采暖运行所需的常规能源。
　　第三，在采暖期较长的地方使用太阳能地板辐射采暖系统。因为该系统要比传统的散热器的初始成本高，但是，我们可以这样认为，此系统不仅是能量的消耗者，它也是能量的生产者。使用的越频繁，它所生产的能量越多，也主是利用的太阳能越多，这样才能使初始的投资得到更多的回报。鉴于此，建议我国北方采暖期较长的地方推广太阳能地板辐射采暖系统。
　　
三、太阳能地板辐射采暖的工作原理
　　
　　太阳能地板辐射采暖系统可采用图1所示的形式：
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 太阳能地板辐射采暖系统
　　
　　典型的太阳能地板辐射采暖系统由太阳能集热器，控制器，集热泵，蓄热水箱，辅助热源，供回水管，关断阀若干，三通阀，过滤器，循环泵，温度计，分水器，加热器组成。
　　当T₁＞50℃时，控制器就启动水泵，水进入集热器进行加热，并将集热器的热水压入水箱，水箱上部温度高，下部温度低，下部冷水再进入集热器加热，构成一个循环。当T₁<40℃，水泵停止工作，为防止反向循环及由此产生的集热器的夜间热损失，则需要一个止回阀。当蓄热水箱的供水水温T₃＞45℃时，可开启泵3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，系统中有一个辅助加热器。
　　当阴雨天或是夜间太阳能供应不足时，可开启三通阀，利用辅助热源加热。当室温波动时，可根据以下几种情况进行调节。如果可利用太阳能，而建筑物不需要热量，则把集热器得到的能量加到蓄热水相中去；如果可利用太阳能，而建筑物需要热量，把从集热器得到的热量用于地板辐射采暖；如果不可利用太阳能，建筑物需要热量，而蓄热水箱中以储存足够的能量，则将储存的能量用于地板辐射采暖；如果不可能利用太阳能，而建筑物又需要热量，且蓄热水箱中的能量已经用尽，则打开三通阀，利用辅助能耗对水进行加热，用于地板辐射采暖。尤其需要指出提，蓄热水箱存储了足够的能量，但不需要采暖，集热器又可得到能量，集热器中得到的能量无法利用或存储，只能放弃掉，为节约能源，可以将热量采用其它方法利用，例如供应生活用热水。
　　蓄热水箱与集热器上下水管相连，供热水循环之用。蓄热水箱容量大小是太阳能地板采暖日需热水量而定。热水量的计算将在下文的设计计算中具体叙述。在太阳能的利用中，为了便于维护加工，提高经济性和通用性，蓄热水箱已标准化。目前蓄热水箱以容积分为500升和1000升两种，外形均为方表。容积500升的水箱外形尺寸为：778×778×800毫米，容积为1000升的水臬外形尺寸为：928×928×1300毫米^[2]。
　　太阳能集热器的产水能力与太阳照射强度、连续日照时间及背景气温等密切相关。夏季产水能力强，大约是冬季的4～6倍。而夏季却不需要采暖，洗浴所需的热水也较冬季少。为了克服此矛盾，可以尝试把太阳能夏季生产的热水保温储存下来留在冬季及阴雨季节使用，这就不仅可以发挥太阳能采暖系统的最佳功能，而且还可以大在降低辅助能的使用。在目前技术条件下，最佳的方案就是把夏季太阳能加热的热水就地回灌储存于地下含水岩层中。不过该技术还需进一步研究和探讨。
　　
四、太阳能地板辐射采暖的设计计算
　　
　　辐射采暖自70年代初在天津推选以来，至今还没有专门的理论研究书籍出版，规范中也没有制定多少实用条文。而太阳能地板辐射采暖的设计资料则较少，其他辐射采暖额定工况下的散热量不像传统的散热器一样有试验数据或实验公式可计算，至今也没有一套完整的太阳能地板辐射采暖的设计计算方法。本文以天津市一普通民宅为例，对其进行设计计算
　　
　　1．设计参数的确定
　　地板辐射采暖的表面平均温度数值如下：住宅地面为24℃～26℃；很少有人停留的地面：28℃～30℃；游泳池及浴池地面为30℃～35℃。无人停留的地面为35℃～40℃可见住宅地板辐射采暖的表面温度一般都低于30℃，所以就要求热媒温度为40℃～50℃，就目前我国北方的太阳能集热器的利用情况来讲，热媒温度最高为50℃左右，所以我们设计供回水温度分别为45℃和30℃。
　　
　　2．供暖热负荷的确定
　　
　　供暖系统的设计热负荷可用下式表示：Q= Q₁+ Q₂+ Q₃+-Q_d 　　　　　　　　　（1）
　　
　　其中，Q₁为围护结构耗热量，Q₂为冷风渗透耗热量，Q₃为冷风侵入耗热量，Q_d为太阳辐射进入室内的热量。这里我们需要指出的是，由于此系统是以辐射采暖为主（占60%以上），辅以对流传热，所以这和以往计算中有所区别的室内计算温度。根据《暖通规范》及实际工程设计情况，一般民用建筑冬季室内设计温度取18℃。前面已经指出，辐射采暖的设计温度比普通散热器采暖的设计温度低1℃～3℃，所以我们取为15℃。但这种计算方法繁琐，且需要条件多。

　　在工程中，建筑物和房间的设计热负荷可近似按下式计算：　Q_f=φQ 　　　　（2）

　　式中：Q_f--全面辐射采暖的设计耗热量 φ--修正系数，φ=0.8～0.9
　　根据《民用建筑采暖通风设计技术措施》所提供的单位面积热指标法所给出的数值，住宅为40千卡/米²时～60千卡/米²时。我们取天津市普通住宅，所以取Q=50千卡/米²时，根据（2）式，得Qf =0.85×50==42.5千卡/米²时。^[3]
　　
　　3.地板供热量
　　地板传热主要是由地板内铺设的加热盘管中的热水向外传热，此传热过程大致可以分为两个阶段，第一阶段为由管壁至地板表面的过程，可看作是无内热源，常物性介质中的二维稳态导热过程。第二阶段为由地板至室内空气的传热过程，可作为热面朝上的换热过程。从传热利用率角度来讲，地板供热总量
　　
　　　　　　　　　Q_z= Q_u + Q_s w/m² 　　　　　　　　　　　　　　　 　　　（3）
　　
　　Q_u为地板向上的有效传热量（w/m²），Q_s为地板热传导损失的热量。Q_s与很多条件有关，如管材的选择，管距的布置，保温层的厚度以及地板的材质等等。这里根据经验，取η=20%，又因为Q_u = Q_f=42.5千卡/米²时，所以Q_z =53 千卡/米²时。
　　根据工程设计经验，此种住宅设计可选用排管间距为20mm，周边排管间距为100mm的木革地面。
　　
　　4．热水耗量和总耗热量
　　
　　　　　　 　　　　　　　　　（4）
　　　　　
　　
　　　　t_g-t_h为太阳能地板辐射采暖系统的供回水温度差，为45－30=15℃。
　　忽略管道的沿程热损失，则近似认为总耗热量为Q_m=Q_z=53千卡/米2时
　　
　　5．集热器集热面积的确定
　　 　　　　　　　
　　 --集热器单位平方米的耗热量
　　 --投身到集热器单位面积上太阳辐射热量
　　Q_l--集热器、管道、水箱总热损失
　　取天津市太阳辐射强度I=500千卡/米2时，玻璃透过率 =90，吸收率a=90%。式中影响Q_l的因素很多，在热水器装置设计中很难用计算方法求得，这里根据经验取Q_l =32千卡/米²时，待整个系统建成后，可以实验修正。^[4]
　　则 =500×9.0×9.0-32=373千卡/米²时。
　　每平方米建筑面积所需集热器采光面积
　　
　　6．集热器布置
　　集热器可布置在多层建筑屋面上，如果集热器外形为1m×2m的扁管式集热器，可以以5只集热器作为一个组合，根据每栋建筑所需的集热器面积确定共需多少组集热器，水箱则置于集热器东侧，不受下午阳光遮蔽的影响。根据每平方米建筑面积所需的采光面积和所需的循环水量可以算出，每个集热器至少需要产水50升，所以每十只集热器应配备一个循环水箱。集热器之间应适当留有空隙，便于维修和管理。需要说明的是，将集热器布置在屋顶上，一定要查明屋面情况，确定其能否符合集热器和水箱的重量。
　　对于高层建筑来时，由于住户较多，需要的采光面积大。如果仍然将它布置在屋面上，可能出现屋面面积不足，集热器布置不开的问题。对于这种情况，可以将太阳能集热器与建筑物分离，单独对太阳能集热器进行布置，集中供暖。而且随着太阳能利用技术和材料技术的发展，未来也可以浓度将太阳能集热器和建筑物一体化的方法，将太阳能集热器作为建筑物的一部分，既不影响美观，又很好地解决了集热器布置问题。
　　

五、结束语
　　
　　太阳能地板辐射采暖既是一种能量消耗系统，也是能量生产系统，它具有节能、清洁与环保、舒适性好、便于热计量等特点，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。
　　

　　
　　1．宋玉森，李敏，低温地板辐射采暖的节能效果，低温建筑技术，1999
　　2．（美）R.H.蒙哥马利著，方铎荣译，家庭太阳能利用掼，北京新时代出版社，1987。
　　3．建筑研究院建筑设计研究所等，民用建筑采暖通风设计技术措施，中国建筑出版社，1983。
　　4．邵家骧，实用太阳能热水器，上海科学技术出版社，1983。