太陽能地板輻射采暖在獨體別墅中推廣的可行性研究

□文/楊維翔 徐夢萱

太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)是將整個地面作為輻射散熱面，通過與其他圍護結構表面進行輻射換熱，提高維護結構表面溫度，室內設計溫度可比散熱器形式低2～3℃，節(jié)能20%～30%[1]。地面作為散熱源溫度不能過高，人員經常停留處一般不能高于29℃[2]，地板采暖的供水溫度一般在60℃以下[3]，因此地板采暖只需較低品位的熱源，非常適合采用太陽能集熱器提供的熱水作為熱源。

天津地區(qū)太陽能資源

天津地區(qū)屬于太陽能資源較為豐富的地區(qū)，日照時數(shù)一般在3 000～3 200 h/a[4]，太陽能輻射總量約為5.4×106～6.7×106kJ/(m2·a)。

太陽能集熱器透過率是入射角的函數(shù)。在計算到達集熱器吸熱板的太陽能時，直接輻射和散射輻射的透過率是分別處理的。由于通常獲得的氣象資料是總輻射數(shù)據(jù)，在集熱器選擇計算中，必須把總輻射分成直接輻射和散射輻射2個分量。散射輻射回歸方程為[5]

式中：Kd——地表散射輻射與總輻射的日總量月平均值的比值；

KT——地表總輻射與地外太陽能輻射的日總量月平均值的比值。

根據(jù)式（1），可以計算出每小時散射輻射相關方程為

式中：Kdh——每小時的散射輻射與總輻射的比值。

利用式（2）就可以求得水平面上散熱輻射日總量月平均值或者每小時散熱輻射量。然后從總輻射中減去散射輻射，便得到直接輻射值。

由于太陽能熱水器一般不是水平放置的，而是在屋頂上傾斜放置，一般成40～50°傾斜角。這就需要對水平面上的散熱輻射日總量進行轉化[4]。

式中：Hth——傾斜面上的總輻射平均值，MJ/m2；

Hh——水平面上的總輻射，MJ/m2；

Hbh——水平面上的直接輻射的總平均值，MJ/m2；

Hdh——水平面上的散射輻射的總平均值，MJ/m2；

Rbh——傾斜面上和水平面上的直接輻射的比值；

β——傾斜的比值，（°）；

φ——觀測點的地理位置，(°)；

δ——赤緯角，(°)；

ρ——空氣的密度，kg/m3。

通過式（3）和式（4）可以計算出天津地區(qū)在水平面傾斜50°的斜面上太陽能輻射月平均日輻射值。見表1。

表1 天津地區(qū)平均太陽輻射值日平均值MJ/（m2·d）

太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)

太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)由采暖和淋浴兩部分組成，之間通過閥門切換可以實現(xiàn)夏季淋浴洗澡、冬季采暖。該系統(tǒng)利用太陽能作系統(tǒng)能源加熱熱水，滿足各項需要。同時在太陽能不是很充足的時段以電輔助采暖，以保證供水溫度。系統(tǒng)設計過程中，分別對取水方式、夜間蓄熱問題等進行了專項研究，設計了一套較為合理的采暖淋浴系統(tǒng)。見圖1。

圖1 采暖系統(tǒng)設計原理

通過集熱器的熱水流入蓄水箱，然后當溫度達到一定的時候，通過閥門1流入熱水箱，熱水箱具有良好的保溫性。冬季熱水箱內的熱水進入分水器然后送入地板輻射采暖系統(tǒng)。夏季則關閉閥門4，打開閥門3進行淋浴。

節(jié)能分析

獨體別墅的特點是太陽能人均占有率高，但建筑之間間隔較大，如果采用集中供熱的采暖形式，則熱傳輸損耗較大。

一般而言，獨體別墅分為上下兩層，外加車庫，獨門獨院。假定每層采暖面積為100 m2并且新建建筑的保溫性能良，采暖季為每年的11月15日至次年的3月15日，共計120 d。以三步節(jié)能標準采暖熱指標14.4 W/m2進行估算，同時考慮到地板輻射采暖比普通采暖節(jié)能30%[1]，按照每月30 d計算，則每月所需要的熱量為5 443 MJ。

假定選用集熱面積25 m2、容納熱水量170 L的太陽能熱水器，太陽能集熱效率50%。集熱器與水平面的夾角為50°，需要從自來水溫度加熱為45℃的供水溫度，可以算出每月需要的熱量，見表2。

表2 天津地區(qū)家庭用熱虧盈情況 MJ

電加熱效率為90%[5]，從表2可以看出，整個采暖季所需要的電加熱量為1 246 MJ，水泵功率和為100 W，則整個采暖季水泵運行所需要的用電量為1 036 MJ。如果為普通的集中供熱采暖，則整個采暖季所需要的熱量為27 215 MJ，綜合考慮采用地板輻射采暖的方式可以節(jié)能91%。

結論

（1）天津地區(qū)太陽能充足，采用太陽能采暖系統(tǒng)具有很好地推廣空間。

（2）通過節(jié)能角度分析可以看出，天津別墅采用太陽能采暖具有很好地節(jié)能潛力，整個采暖季節(jié)可以節(jié)能90%左右。

[1]DBJ/T 01-49-2000,低溫熱水地板輻射供暖應用技術規(guī)程[S].

[2]Mac Cl uer C.R.Temper at ure Variat ions of Fl ux-modul ated Radiant Sl ab Syst ems[J].ASHRAE Transact ions,1989,95(1)：1010-1014.

[3]Mac Cl uer C.R.The Response of Fl oor Radiant Heating Systems Contr ol l ed by Out door Reset with Feedback[J].ASHRAE Tr ansactions,1991,97（2）：795-799.

[4]王榮光，沈天行.可再生資源利用與建筑節(jié)能[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[5]吉林省設計院.建筑日照設計[M].北京：建筑工業(yè)出版社，1979.