關于太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的探討

文/單天紅 中天偉業(yè)（北京）建筑設計事務所有限公司 北京 100000

關于太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的探討

文/單天紅 中天偉業(yè)（北京）建筑設計事務所有限公司 北京 100000

太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的熱源來源于太陽能熱泵，末端就是地板輻射采暖系統(tǒng)，是一種新型的供暖系統(tǒng)，本文圍繞該系統(tǒng)，對它的工作原理、主要特點、設計方法等內(nèi)容開展了具體討論。

太陽能熱泵；低溫；地板輻射供暖系統(tǒng)

當前，能源供應緊張已經(jīng)是全球經(jīng)濟發(fā)展面臨的共同問題。為了緩解能源供應緊張的趨勢，開發(fā)可再生新能源的需求也越來越迫切。太陽能是一種新型的可再生能源，具有普遍性、清潔性、可再生性等顯著優(yōu)勢，經(jīng)濟利用價值高，所以開始在建筑節(jié)能系統(tǒng)中被廣泛應用[1]。要對太陽能進行高品質(zhì)和高效率的利用，就需要借助熱泵技術。為了進一步提高建筑供暖系統(tǒng)的合理設計，本文對太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統(tǒng)從如下方面展開了具體分析。

一、太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統(tǒng)概述

（一）結構組成

集熱系統(tǒng)、熱泵機組、低溫輻射地板供暖板塊、蓄熱設備和控制系統(tǒng)是該系統(tǒng)的五大組成部分。其中，集熱系統(tǒng)包含了多個結構，如太陽能集熱器、集熱水泵、蓄熱器、輔助性熱源和相關的管路設備等。供熱環(huán)路則是由循環(huán)水泵、地熱盤管、集水器、分水器以及相關的管路設備等共同組成[2]。熱泵裝置和太陽能集熱系統(tǒng)的連接主要是有三種方式：并聯(lián)式、串聯(lián)式及雙熱源式。在這三種熱泵中，熱源分別為太陽能、環(huán)境空氣、太陽能和環(huán)境空氣兼而有之。

（二）工作原理

我們圍繞熱泵，對該系統(tǒng)的熱源供應、熱能蓄積和熱量釋放這一基本運行的流程進行說明。在晴朗的白天，太陽的輻射產(chǎn)生的熱能經(jīng)過轉(zhuǎn)化之后，就可以由集熱器中的載熱介質(zhì)(一般為水、空氣及防凍液等)吸收，然后進入到蓄熱的水箱中。水箱中設有換熱盤管，在該裝置的作用下，一部分熱能可以傳送給蓄熱介質(zhì)[3]。當這些熱能進入到蒸發(fā)器之后，就會和熱泵進行熱能交換，通過熱泵循環(huán)就可以實現(xiàn)熱能的供應。即熱介質(zhì)的溫度下降后，經(jīng)過管道泵，就可以返回到集熱器，完成循環(huán)過程。

在晚上或者陰雨天氣，蒸發(fā)器中流出的載熱介質(zhì)就不會經(jīng)過集熱器，而是會經(jīng)由旁邊的管道進入蓄熱的水箱，吸取足夠的熱量之后，就會回到蒸發(fā)器，在熱泵的作用下供應熱能。如果蓄積的熱量不足，就由輔助熱源加以補充。熱泵中的冷凝器和供熱環(huán)路是連接在一起的，當循環(huán)介質(zhì)的溫度升高之后，就會進入地板盤管進行熱能交換和釋放，溫度下降后，再經(jīng)過循環(huán)泵促進冷凝器對熱能的吸收，完成循環(huán)。

二、該系統(tǒng)的主要優(yōu)勢和不足

（一）該系統(tǒng)的主要優(yōu)勢

①有助于增強室內(nèi)環(huán)境的舒適度。這是因為好該系統(tǒng)的熱量供應主要是通過地下的輻射換熱盤管完成的，充分利用了地面自身所蓄積的輻射，促進了熱量的散發(fā)，能夠?qū)⑦@一空間內(nèi)的狀態(tài)保持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。這種供暖最大的特點就是足暖頭涼，適應了人體的生理調(diào)節(jié)特點，所以能給人以舒適感。②有助于節(jié)省能源。太陽能是該系統(tǒng)能源的主要來源，因此該系統(tǒng)對常規(guī)能源的消耗不多，也為其他新能源的開發(fā)和利用提供了新的思路。只需要將1個單位的高位熱能輸入熱泵，就能輸出3個單位的熱能，所以能節(jié)約高位能源。要想達到該系統(tǒng)供暖的最佳舒適度，可以將其供暖的溫度，根據(jù)室內(nèi)正常的溫度，降低2～3℃，而且也能夠節(jié)約。③有助于降低采集熱能的成本。該系統(tǒng)的集熱器可以選擇低溫平板類型，這樣不僅降低采集熱能消耗的成本，還可以顯著提升聚集熱能的效率。這是因為，該系統(tǒng)的加熱是從比較低的給水溫度開始的，所以可以實現(xiàn)熱能的高效聚集，即使集熱器比較簡單，也可以在日照時間比較短的情況下，高效集熱。普通的單層玻璃集熱器，在涂上黑漆之后，它的集熱效率可以高達70%。

（二）該系統(tǒng)存在的不足

從我國太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統(tǒng)在應用上還存在如下問題需要結解決：

①提高熱泵的性能，對其系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。在保障室內(nèi)舒適狀態(tài)的基礎上，可以對建筑供熱量和熱負荷之間的關系采用動態(tài)模型進行模擬，計算出所需要的集熱范圍、儲水箱的容量、建筑的面積以及熱泵容量，以及它們之間的關系，進行最佳匹配。當然，在設計時還要對建筑等因素進行綜合考慮，同時滿足建筑美觀和太陽能的一體化。②合理運用自動控制系統(tǒng)。盡量實現(xiàn)太陽能的集熱系統(tǒng)和熱泵供暖系統(tǒng)的自動切換，按照預先設置參數(shù)實現(xiàn)智能化控制，提高集熱效率和熱泵的性能，降低建筑因為供暖產(chǎn)生的能源消耗，實現(xiàn)最佳的節(jié)能效益。③結合地區(qū)實際情況進行分析，充分考慮太陽的照射角度、當?shù)啬茉辞闆r和建筑功能等，合理配置太陽能。

三、太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的設計方法

（一）確定系統(tǒng)設計的具體參數(shù)

低溫地板輻射供暖系統(tǒng)對地板表面的平均溫度提出了具體的要求：①若地面經(jīng)常有人停留，則溫度應該保持在（26±1）℃左右；②若人在地面停留的時間比較短，溫度宜控制在（29±1）℃；③若地面沒有人停留，溫度可以保持在35～40℃左右；④洗浴池或者游泳池的最佳地面溫度在30～35℃之間。

（二）合理安排地板輻射供暖的布局結構

低溫地板輻射采暖系統(tǒng)主要是由基礎層、保溫層、埋管層和覆蓋層等四個層次組成的。保溫層可以采用聚苯乙烯泡沫塑料板和發(fā)泡水泥，厚度以30-45mm為最佳，因為這一層次的主要作用就是控制熱量向下的傳遞量[4]。埋管層則可以采用豆石混凝土和水泥砂漿填充。覆蓋層宜采用熱阻小于0.05㎡?K/W的材料。加熱管的直徑應該為De20，主要的材料可以采用交聯(lián)聚乙烯、聚丁烯等，這些材料的主要特點就是耐高溫高壓、抗老化和腐蝕的性能較好，具有較好的柔性，能夠為施工提供方便。

結束語

綜上所述，本文在闡述太陽能低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的結構和工作原理的基礎上，對其提高舒適度、節(jié)省能源和降低集熱成本的優(yōu)勢進行了討論，并從實際應用情況出發(fā)，對其存在的不足和需要優(yōu)化的問題和設計方法進行了介紹，希望能為提高供暖效率提供借鑒。

[1]許可,王樹剛,蔣爽,等.空氣源熱泵用于低溫熱水地板輻射供暖系統(tǒng)的模擬研究[J].制冷技術,2014,01（29）:12-17.

[2]李雙雙,端木琳,舒海文,等.基于分層室溫控制的太陽能熱水低溫地板輻射供暖系統(tǒng)模擬研究[J].建筑科學,2011,08（19）:61-65.

[3]馬洪亭,張傳龍,宋肖的,等.太陽能-水源熱泵多能互補供暖系統(tǒng)實驗研究[J].太陽能學報,2014,11（03）:2152-2158.

[4]曾玲,吳永明,梁春華.太陽能空氣能地板供暖系統(tǒng)的設計與仿真[J].建筑節(jié)能,2015,09 （17）:34-37+41.