太陽能低溫?zé)崴匕宀膳O(shè)計與施工

江蘇省徐州市新型建筑技術(shù)應(yīng)用中心 ■ 何奔流

江蘇省新沂市規(guī)劃局 ■ 毛希元

上海市柳營路子588弄10號 ■ 張福榮

一 太陽能地板采暖的三種形式

(1)太陽能地板采暖是利用太陽能獲得熱能，以低溫?zé)崴斎敕笤O(shè)在室內(nèi)地板下的熱水盤管內(nèi)，通過熱水盤管和地板向上輻射熱能，達(dá)到室內(nèi)采暖的目的。

(2)太陽能散熱器采暖是利用太陽能獲得熱能，通過熱水載體輸入安裝在室內(nèi)散濕器中，是一種簡單的將太陽能熱水工程移植室內(nèi)的采暖形式。

兩種采暖方式的區(qū)別為：太陽能地板采暖屬于低溫供暖，供水溫度在60℃以下；太陽能散熱器采暖屬于中溫供暖，供水溫度達(dá)90℃，高于太陽能地板采暖。兩種采暖方式的對比見表1。

表1 太陽能地板采暖和太陽能散熱器采暖的對比

在舒適度上，太陽能地板的采暖散熱方式以輻射為主，對流換熱為輔。溫度由地板開始，自下而上，產(chǎn)生下高上低的溫度梯度。房間內(nèi)同一層面的溫度均勻，溫差小。而太陽能散熱器采暖周圍的散熱器溫度高，隨著距離的加大，溫度遞減，同一層面的室溫溫差較大。由于房間內(nèi)上熱下涼，給人的感覺是頭熱腳涼。腳涼則體寒，人會感覺室內(nèi)不溫暖、不舒適。

(3)相變儲能采暖地板

相變儲能采暖地板是通過將相變材料與地板材料基體復(fù)合制成儲能地板，如圖1所示。由于相變材料的蓄熱特性，增加了地板的熱惰性，使室內(nèi)外之間的熱流波動幅度被減弱，作用時間被延遲，易于室內(nèi)溫度的調(diào)控，提高了建筑物的溫度自調(diào)節(jié)能力。同時它還可利用低品位的熱源或太陽能以及夜間廉價電運行，供應(yīng)全天采暖，減小了采暖地板結(jié)構(gòu)厚度，減輕了建筑物自重，具有降耗節(jié)能和提高舒適度的作用。

從現(xiàn)實角度看太陽能低溫?zé)崴匕宓钠占芭c推廣將是采暖領(lǐng)域的一次變革，而從長遠(yuǎn)的發(fā)展角度看，相變儲能采暖地板具有無限潛力。

二 低溫輻射地板采暖的特點

太陽能低溫?zé)崴匕迨且环N建筑方式，它是在房屋地板下敷設(shè)塑料管，以熱水作為采暖系統(tǒng)的熱媒。所謂地板輻射太陽能采暖系統(tǒng)，就是由太陽能集熱器提供地板輻射采暖所需的熱水，與傳統(tǒng)的散熱器采暖相比，具有以下優(yōu)點：

(1)在滿足相同采暖條件的情況下，地板輻射采暖所需要的熱水溫度比散熱器采暖所需的熱水溫度低得多，地板平均溫度一般要求在24～28℃，供水溫度一般在30～38℃即可，因此特別適合與太陽能相結(jié)合。即由太陽能集熱器提供所需要的低溫?zé)崴?，在冬季運行時仍可保持較好的集熱效率，平板集熱器也可用于太陽能地板輻射采暖。

(2)低溫?zé)崴匕遢椛洳膳绞降氖覂?nèi)實感溫度要比非地板輻射采暖方式的室內(nèi)實感溫度高出2～4℃，因而室內(nèi)設(shè)計溫度可比通常方式的室內(nèi)設(shè)計溫度相應(yīng)降低2～4℃，大大減少了房間對環(huán)境的熱損失，具有明顯的節(jié)能效果。

(3)地板輻射采暖的熱量是從地板上升到天花板，垂直溫度梯度小，促進(jìn)血液循環(huán)，符合“腳暖頭涼”的人體生理需要，因此，人們在這樣房間會感到比散熱器采暖更加舒適，改善了生活質(zhì)量。

(4)太陽能低溫?zé)崴匕宓氖覂?nèi)水平溫度分布均勻，空氣對流效應(yīng)小，可以減少室內(nèi)塵土飛揚和擴散，滿足舒適衛(wèi)生的需要。

(5)太陽能低溫?zé)崴匕宓妮椛洳膳?，在房間水平面上不占用面積，不妨礙室內(nèi)家具的布置和移動，因而擴大了房間的有效使用面積，減少了樓房內(nèi)上層對下層造成的噪音。

(6)易于解決高空間、大跨度、矮窗式建筑物采暖供熱緊張的問題。

(7)地板輻射采暖系統(tǒng)可利用熱網(wǎng)回水、余熱水或地?zé)崴取?/p>

(8)使用壽命長。熱媒管整根鋪設(shè)，地面無接口，無滲漏。材料經(jīng)參照國外的經(jīng)驗檢測，保證連續(xù)使用50年以上。

(9)維護(hù)簡便。該系統(tǒng)只需采暖期間定期檢查過濾器。運行費用僅為系統(tǒng)泵的電力消耗。

三 太陽能低溫?zé)崴匕宓慕Y(jié)構(gòu)

太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)通常由太陽能集熱器、貯水箱、地下加熱盤管、分水器、集水器、循環(huán)水泵、輔助熱源等部分組成。其中，地下加熱盤管及其配套的輻射采暖地板是地板輻射太陽能采暖系統(tǒng)所特有的。

1 地下加熱盤管的材料

地下加熱管是太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。盤管的材料應(yīng)采用高柔韌、抗老化、耐高溫、耐高壓的塑料軟管，管材的環(huán)應(yīng)力等應(yīng)變?nèi)渥兲匦郧€、物理力學(xué)性能等均符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。常用的盤管材料有：交聯(lián)鋁塑復(fù)合管(XPA管)、聚丁烯管(PB管)、交聯(lián)聚乙烯管(PEX管)、無規(guī)則共聚聚丙烯管(PPR管)。

2 地下加熱盤管的敷設(shè)形式

加熱盤管的布置應(yīng)按照房間分組，并采用“同程原則”，即連續(xù)接在同一(集)水器上的各組加熱盤管的幾何長度應(yīng)相等。每支環(huán)路的管材長度應(yīng)小于120～200m，管材的間距宜為100～300mm，沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻的管材與外墻內(nèi)表面的距離宜為100mm。

加熱盤管的基本敷設(shè)形式有螺旋型、往復(fù)型、直列型等，如圖2所示。在工程應(yīng)用中，地下加熱盤管大多采有螺旋型敷設(shè)形式。

3 輻射采暖地板

輻射采暖地板可分為兩種形式：樓層輻射采暖地板和底層輻射采暖地板。

樓層輻射采暖地板的構(gòu)成(從上到下)：地層面(包括裝飾層和保護(hù)層)、填充層(卵石混凝土)、加熱盤管、隔熱層、防水層(僅在樓層的潮濕房間敷設(shè))、樓板。

底層輻射采暖地板的構(gòu)成(從上到下)：地面層(包括裝飾層和保護(hù)層)、填充層(卵石混凝土)、加熱盤管、隔熱層、防潮層(在底層敷設(shè))、土壤。

隔熱層材料可采用聚苯乙烯泡沫塑料板。為增強隔熱板材的整體強度，并便于安裝和固定加熱盤管，可在隔熱板材表面敷上真空鍍鋁聚酯薄膜面層(或玻璃布基鋁箔面層)，也可鋪設(shè)低碳鋼絲網(wǎng)。

四 地板輻射采暖的設(shè)計

根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)確定采暖的熱負(fù)荷，并對計算出的熱負(fù)荷乘以0.9～0.95的修正系數(shù)，或?qū)⑹覂?nèi)計算溫度取值降低2℃。

確定采暖的供水溫度：供水溫度不得高于60℃，供回水溫差為8～15℃。

采暖系統(tǒng)的工作壓力：PEX(PPC)不宜大于0.8MPa。

系統(tǒng)壓降：不宜大于30kPa(120m管長)。

低溫輻射采暖系統(tǒng)的地板表面溫度宜為25～30℃。

在供水干管上裝設(shè)過濾網(wǎng)，以防異物進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)，如圖3所示。

五 地板輻射采暖的施工

地板輻射采暖系統(tǒng)應(yīng)在建筑封頂后或室內(nèi)裝修工作如吊頂、抹灰等完成后，與地面施工同時進(jìn)行，入冬以前完成，不宜冬季施工。

用水泥砂漿找平層，鋪以厚度≥25mm、容量≥20kg/cm2的聚苯乙烯硬質(zhì)板作為保溫層，并在此上鋪設(shè)錫箔，錫箔面朝上。

用ˉ4mm～ˉ6mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)間距為150mm×150mm作為固定供暖管用，將供暖管敷設(shè)其上，管間距為100～350mm，用豆石混凝土層填實，且覆蓋層的厚度≥50mm。

低溫輻射采暖系統(tǒng)中單個回路的長度應(yīng)在80～120m，供暖管彎曲半徑不應(yīng)小于8倍直徑，轉(zhuǎn)彎處采用煨彎。整個環(huán)路布置如圖4所示。用0.2mm的鋼絲綁鋼筋網(wǎng)上，但不要綁的過緊，避免劃傷供管，降低管子的壽命。同時為減少在澆筑混凝土過程中振搗對塑料管的擠壓，確保運行中塑料管有一定伸縮余地，并減少塑料管由于膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，在澆筑混凝土前，在塑料管中應(yīng)充水加壓至0.6MPa，表壓試壓，10min內(nèi)壓力下降小于0.03MPa為驗收合格。待混凝土凝固后再泄水?；炷敛捎盟?細(xì)砂:石子的比例為1:1.4:2.3，并加入5%的防龜裂添加劑，為使混凝土在塑料管間填充密實，石子的粒徑要小于10mm。為防止地板在供暖后產(chǎn)生不同程度的膨脹使地面出現(xiàn)隆起和龜裂，將地面分割為800mm×800mm的方格塊，并以膨脹條隔開，管道穿膨脹處加伸縮節(jié)。由于混凝土地板的熱惰性大，應(yīng)24h低溫連續(xù)運行。

用水泥砂漿找平層，再加裝飾地面。鋪設(shè)情況如圖5所示。散熱量：瓷磚類地面60～240W/m2，塑料類地面45～200W/m2；木地板地面45～170W/m2；地毯類地面35～140W/m2。

初次運行本系統(tǒng)時，首先通入25～30℃供暖水，運行1周后，每周提高供水溫度5～10℃，直至供水溫度為60～65℃。

供暖管材料要求耐溫、耐壓、耐腐蝕、不易老化，所以低溫地板輻射采暖系統(tǒng)管材不得采用普通塑料管，在施工中采取一定措施可確保塑料管完好無損。

六 設(shè)計和施工注意事項

1 嚴(yán)格把好設(shè)計關(guān)

(1)對大堂、展廳等注意地面膨脹問題，并合理分集水器及理想環(huán)路的劃分，保證膨脹縫的處置。

(2)對荷載超過2t/m2、地形復(fù)雜的工程，注重在重荷載下且有坡度時復(fù)合保溫板的防滑措施及承載處理。

(3)對于分集水器不能設(shè)在高出地暖屋時，應(yīng)做到系統(tǒng)的流速大于氣體分離臨界流速，將氣體攜帶至分集水器中。

(4)戲水樂園及游泳池周邊注意分集水器位置的設(shè)置及環(huán)路阻力平。

2 管材的選擇

地暖屬隱蔽工程，管材選擇至關(guān)重要。在選擇管材時，應(yīng)考慮它的耐熱性、耐老化性、耐內(nèi)外壓性、施工性、連接性等諸多方面。

PEX管材設(shè)計溫度82.5℃，壓力1MPa，使用壽命50年。它具有以下優(yōu)點：

(1)斜率小，沒有拐點斜率；縱坐標(biāo)為環(huán)向應(yīng)力(MPa)，橫坐標(biāo)為時間時，曲線與橫坐標(biāo)存在一個夾角，斜率越大，說明管材蠕變行為對時間依賴性越大，抗蠕變性能越差。PEX管斜率最小，蠕變行為對時間的依賴性極小，說明它抗蠕變性能強，熱水地暖的設(shè)計壽命主要取決于管材的抗蠕變能力。也就是說在50年的使用壽命期間內(nèi)，PEX管蠕變量很小，這是任何塑料管材無法比擬的。拐點：管材不出現(xiàn)拐點最為理想，PEX 管沒有拐點。拐點試驗是將外壁等距(90?)刻畫出4條深度為管壁厚度19%的劃痕，劃痕長度不小于壁外徑，最小為125mm。當(dāng)進(jìn)行蠕變試驗時(溫度、壓力和時間)，管材圓周應(yīng)力將在劃痕處集中，造成應(yīng)力開裂。不同管材，拐點產(chǎn)生早晚不同，PEX管沒有拐點，說明它抗應(yīng)力開裂性極強。劃痕在運輸、安裝中很難避免，有拐點的管材一旦劃傷就會留下滲漏的隱患。

(2)連接好，施工方便、可靠，不用帶刺的卡環(huán)，不會劃傷管材。

(3)施工性：管材彎曲半徑5D，易彎曲及施工。

(4)透氧率：除鋁塑復(fù)合管外，其透氧率最低。交聯(lián)聚乙烯有4種，一般采用的交聯(lián)聚乙烯管材為PEXa，即過氧化物交聯(lián)，交聯(lián)度≥70%。原因是交聯(lián)度越高，耐熱性越好，而耐老化、耐疲勞性也越強。它的分子結(jié)構(gòu)為三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，雖交聯(lián)度很高，但硬度不高，彎曲施工更容易，彎曲單位應(yīng)力不易集中。

對于PB管使用，應(yīng)選用壁厚＞2.0mm管材，采用卡套式連接而不采用插接式連接，因為插接式連接件的卡環(huán)剌入深度為0.4～0.6mm，以避免因管材連接處大量漏水。

3 施工中應(yīng)注意的事項

(1)避免將管材(鋁塑管除外)直接與鋼筋(絲)網(wǎng)直接接觸，防止硌傷損壞管材。

(2)注意做好施工驗收。

(3)配套服務(wù)。設(shè)計、供貨、施工、調(diào)度、售后服務(wù)配套服務(wù)。

(4)嚴(yán)格按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

[1] 何梓年,朱敦智.太陽能采暖系統(tǒng)基本類型[J].太陽能, 2009,10:21－23.