太阳能地板辐射供暖系统的设计研究

　　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。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。
　　
　　1工程概况
　　
　　(1)试点工程的地点位于北京市，实验室为单层建筑，隔壁为采暖房间。实验室建筑面积为32m2,西面有1.8m×1.2m的单层玻璃钢窗，1.8m×1.9m的木门以及门上单层玻璃钢窗1.8m×0.6m，东面有两面1.8m×0.9m的单层玻璃钢窗，墙厚0.4m，墙高3m。
　　
　　(2)建筑物的供暖面积热指标取50W/m2，供暖设计热负荷为1360W,热水供应平均热负荷为605W,室内设计温度为16℃，室外设计温度为-9℃,室外平均气温为-1.6℃。
　　
　　(3)本设计选用桑普公司生产的联集式热管真空管集热器，串联安装，集热器面积为6m2。装配功率为3.5Kw的电辅助加热器。系统贮水箱的容积为200L，水箱为非承压式，安装于屋内。
　　
　　(4)采用地板辐射采暖系统，系统加热管的敷设形式采用双螺旋型布置，管材采用交联聚乙烯管（PEX）管，管径DN16，管间距100㎜，供暖设计供回水温45/35℃。
　　
　　(5)系统安装热量计用于测量系统数据，并布置了31个热电偶测点测量室内温度分布（图1）。系统采用型号为HP34970A的数据采集仪采集实验运行数据，并且通过将数据采集仪与计算机联网来记录下系统的所有运行数据。并安装两块电表分别计量电辅助加热器和循环水泵的用电量。电辅助加热器和循环水泵的起动由自动控制系统控制继电器执行。
　　
　　(6)整个太阳能采暖系统造价约为20000元。　　
　　2实验设计研究
　　
　　2.1低温辐射辐射地板系统设计
　　
　　(1)供暖热负荷的确定
　　
　　

图1 热电偶测点分布



　　在工程中，供暖设计热负荷的计算采用面积热指标概算法，并按以下计算：
　　
　　Qf=φQn=φ（q×F×10-3）(1)
　　
　　式中Qf——全面辐射采暖的设计耗热量（W）；
　　
　　Φ——修正系数，φ=0.8～0.9；
　　
　　Qn——建筑物的供暖设计热负荷（W）；
　　
　　F——建筑物的建筑面积（m2）；
　　
　　q——建筑物的供暖面积热指标（W/m2）；它表示每1m2建筑面积的供暖设计热负荷。
　　
　　热水供应平均小时热负荷按下式计算：
　　
　　Qrp=cmρv（Tr-Tl）/T(2)
　　
　　式中Qrp——热水供应平均小时热负荷（W）；
　　
　　m——用热水单位数（住宅为人数）；
　　
　　v——每个用热水单位每天的热水用量（L/d）；
　　
　　Tr——生活热水温度（℃）；
　　
　　Tl——冷水计算温度（℃）；
　　
　　T——每天供水小时数（h/d）；
　　
　　ρ——水的密度（kg/m3）；
　　
　　c——水的热容量（kj/kg•℃）。
　　
　　建筑物总热负荷：
　　
　　Qz=Qn+Qrp(3)
　　
　　经计算，得本系统得建筑总热负荷为2000W。
　　
　　(2)辐射供暖地板的结构及布置
　　
　　地板铺设辐射采暖系统，系统加热管的敷设形式采用双螺旋型布置。管底首先铺设高效保温材料（采用40㎜厚聚苯乙烯加铝箔，密度≥20㎏/m3），起到单向保温和隔热的作用。管材采用交联聚乙烯管（PEX）管，管径DN16，管间距100㎜。由于双螺旋型布置方式以地板中心为对称点，上下左右对称排列供、回水管，使地面温度在各个方向上比较均匀各回路管长基本一致，长度为90m左右，有利于阻力平衡，水量均匀。分4个回路铺设(图2)，A回路：处于房间一侧，间距200mm；B回路：套在A回路中间形成间距100㎜。C回路：同A回路，位于房间另一侧；D回路：同B回路，套在C中间形成间距100㎜；A、C回路之间，外侧回路与房间墙壁之间也保持100mm间距，每个回路可通过供回水集水器上的阀门进行开关。地板管填充层为30㎜碎石混凝土，每隔5m见方设伸缩缝，找平层约20㎜，面层装修材料选用导热性能较强的地砖，构造层厚度约70～80㎜。


　　
　　2.2太阳能集热器的选择
　　
　　太阳能集热器面积的确定：
　　
　　Qu=I()-Ql(4)
　　
　　式中Qu——集热器单位平方米的耗热量（W/m2）；
　　
　　I()——投身到集热器单位面积上太阳辐射热量（W/m2）；
　　
　　Ql——集热器、管道、水箱总热损失（W/m2）。
　　
　　本研究根据计算得集热器面积为6m2，选用北京太阳能研究所设计生产的桑普牌热管式真空管太阳能热水器（型号HP8*）三套串联，朝正南安装，安装倾角为40°。
　　
　　3实验结果分析
　　
　　在太阳能地板供暖系统的实验室搭建完成后，开始运行整个系统。本研究采集了系统在晴天、多云天、阴天等多种天气状况下以及连续运行状态下的运行数据，并对它们进行分析。
　　
　　3.1太阳辐射变化分析
　　
　　通过作出阴天、多云天、晴天的不同天气状况下的太阳辐射变化曲线，可以看出：在北京采暖季节期间，每天早上的太阳辐射强度比较弱。上午9:00—10:00的时段里，阴天状况下的太阳辐射强度只有200W/m2左右，而晴天状况下的太阳辐射强度也只有600W/m2左右。中午12:00左右，太阳辐射强度达到一天中的最大值，晴天状况下的太阳辐射强度能够达到1000W/m2左右,阴天状况下的太阳辐射强度能够达到500—600W/m2。此后，太阳辐射强度不断减弱。阴天状况下，到了下午4:00左右，太阳辐射强度已经很弱，到达一天中的最小值，只有100W/m2左右。而晴天和多云天状况下，到下午5:00—5:30太阳辐射强度才会降低到100W/m2左右。
　　
　　3.2集热器瞬时集热量变化的分析
　　
　　通过作出阴天、多云天、晴天的不同天气状况下的集热器瞬时集热量的变化曲线，可以看出：在北京采暖季节期间，上午9:00左右，阴天和多云天状况下的集热器瞬时集热量几乎为零，而晴天状况下的集热器瞬时集热量能够达到0.6KW。在中午12:00—2:00这个时段里，集热器瞬时集热量达到一天中的最大值。最大值能够达到2KW左右，但是能够达到这个最大值的并非是在晴天状况下，而是在多云天状况下。因为在太阳辐射强度比较低的情况下，光能转化为热能的效率比较低，此时的瞬时集热量也就比较低。而当太阳辐射强度不断地升高时，光能转化为热能的效率不断升高，瞬时集热量也不断地增加。但是随着太阳辐射强度的不断升高，集热器的水温也不断地升高，当水温比较高时，反而使瞬时集热量降低。所以在多云天状况下所能够达到的瞬时集热量的最大值，比在晴天和阴天状况下的瞬时集热量的最大值都高。在下午5:00—6:00这个时段，集热器瞬时集热量几乎为零。
　　
　　3.3集热器进水温度变化的分析
　　
　　通过作出阴天、多云天、晴天的不同天气状况下的集热系统的供、回水温度以及水箱温度的变化曲线，可以看出：上午9:00左右，阴天和多云天状况下，集热系统的供、回水温度以及水箱温度均在十几度左右；而晴天状况下，水箱温度为十几度，集热系统的供、回水温度能够达到二十几度。随着太阳辐射强度的升高，集热系统的供、回水温度以及水箱温度也均在升高。多云天和晴天状况下，在上午11:00—12:00这个时段，集热系统的供、回水温度以及水箱温度均能够达到最大值。而阴天状况下，这个达到最大值的时段将会推迟到下午1:00—2:00这个时段。而后，随着太阳辐射强度的不断降低，集热系统的供、回水温度以及水箱温度也都不断地降低。当系统的供水温度不能达到要求时，自动控制系统关闭集热系统和采暖系统的循环水泵并开启电加热系统，直至水箱中的水温能够达到供水温度的要求时，才重新开启采暖系统的循环水泵。
　　
　　3.4集热器集热效率变化的分析
　　
　　所谓集热器的集热效率就是集热器将光能转化为热能的多少。通过作出阴天、多云天、晴天的不同天气状况下的集热器集热效率的变化曲线，我们可以看出：上午9:00左右，多云天和阴天状况下，集热效率几乎为零；晴天状况下，集热器的集热效率能够达到10%—20%。随着太阳辐射强度的升高，集热效率不断地增大，集热器的水温也不断地升高。但是当集热器水温达到较高温度时，却会降低集热效率。所以，白天的集热效率呈现波动地上升趋势。随着集热效率的波动上升，它将会越来越接近一天中的最大值。通常，阴天状况下达到最大值的时段为下午2:00左右，而多云天和晴天状况下达到最大值的时段为下午4:00左右。此后，集热器的集热效率不断地降低直至为零。
　　
　　3.5系统连续运行状态下的运行分析
　　
　　实验记录了系统在2005年1月22日上午10:00至2005年1月23日上午10:00期间连续运行的数据。系统在1月22日上午10:00开始运行，以太阳能集热器作为地板辐射采暖系统的热源。在下午5:00以前，所有的采暖热负荷完全由太阳能集热器来承担。在这段采暖时间里，所有设备，仪表总共要消耗3—4kwh的电能。太阳能集热器在白天所吸收的太阳量不但足以满足白天的室内采暖和生活热水供应，并且还有多余的热量被贮存于贮热水箱中。当集热系统停止运行后，贮热水箱所贮存的热量通常能够维持3—5小时的供暖需求。此后，当水箱温度不能达到供暖要求时，自动控制系统开启电加热器进行供暖，这样系统平均每小时耗电1-2kWh。
　　
　　3.6技术可行性分析
　　
　　通过运行测试可以得出，在采暖期的11月和12月的大部分时间，集热系统在白天所收集的热量足够满足白天里采暖系统的供暖要求。并且，贮热水箱在白天所贮存的热量也能够满足在夜间的供暖要求。也就是说，在采暖期的11月和12月，可以不使用电辅助加热器。采暖期的1月份，集热器在白天的集热效率大部分时间能够达到30%—40%，集热效率高的时候能够达到50%左右，基本能够满足白天所需的供暖要求。并且，在多云天和晴天状况下，贮热水箱白天所蓄的热量能够维持晚上3—5小时的供暖要求。夜间和阴天状况下，当集热系统所收集的热量不能够满足供暖要求时，可以使用电加热器使供暖系统达到室内供暖要求。
　　
　　所以，从技术参数上看，所设计的太阳能地板辐射采暖系统是可行的。
　　
　　4结论
　　
　　通过对本系统的设计研究，以及实验运行和分析，可以得出，地板辐射采暖是配合太阳能采暖的最好的一种形式。太阳能地板辐射采暖系统具有良好的使用效果,舒适性较好，而且具有一定的环保性能，节能效果明显，应用范围比较广泛，在北方需要供暖的地区均可实现其系统的运行。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。

建议大家来这看,因为有的图贴不上去 http://nt.shejis.com/2008/0619/article_7979.html