太阳能地板辐射采暖在独体别墅中推广的可行性研究

□文/杨维翔 徐梦萱

太阳能地板辐射采暖系统是将整个地面作为辐射散热面，通过与其他围护结构表面进行辐射换热，提高维护结构表面温度，室内设计温度可比散热器形式低2～3℃，节能20%～30%[1]。地面作为散热源温度不能过高，人员经常停留处一般不能高于29℃[2]，地板采暖的供水温度一般在60℃以下[3]，因此地板采暖只需较低品位的热源，非常适合采用太阳能集热器提供的热水作为热源。

天津地区太阳能资源

天津地区属于太阳能资源较为丰富的地区，日照时数一般在3 000～3 200 h/a[4]，太阳能辐射总量约为5.4×106～6.7×106kJ/(m2·a)。

太阳能集热器透过率是入射角的函数。在计算到达集热器吸热板的太阳能时，直接辐射和散射辐射的透过率是分别处理的。由于通常获得的气象资料是总辐射数据，在集热器选择计算中，必须把总辐射分成直接辐射和散射辐射2个分量。散射辐射回归方程为[5]

式中：Kd——地表散射辐射与总辐射的日总量月平均值的比值；

KT——地表总辐射与地外太阳能辐射的日总量月平均值的比值。

根据式（1），可以计算出每小时散射辐射相关方程为

式中：Kdh——每小时的散射辐射与总辐射的比值。

利用式（2）就可以求得水平面上散热辐射日总量月平均值或者每小时散热辐射量。然后从总辐射中减去散射辐射，便得到直接辐射值。

由于太阳能热水器一般不是水平放置的，而是在屋顶上倾斜放置，一般成40～50°倾斜角。这就需要对水平面上的散热辐射日总量进行转化[4]。

式中：Hth——倾斜面上的总辐射平均值，MJ/m2；

Hh——水平面上的总辐射，MJ/m2；

Hbh——水平面上的直接辐射的总平均值，MJ/m2；

Hdh——水平面上的散射辐射的总平均值，MJ/m2；

Rbh——倾斜面上和水平面上的直接辐射的比值；

β——倾斜的比值，（°）；

φ——观测点的地理位置，(°)；

δ——赤纬角，(°)；

ρ——空气的密度，kg/m3。

通过式（3）和式（4）可以计算出天津地区在水平面倾斜50°的斜面上太阳能辐射月平均日辐射值。见表1。

表1 天津地区平均太阳辐射值日平均值MJ/（m2·d）

太阳能地板辐射采暖系统

太阳能地板辐射采暖系统由采暖和淋浴两部分组成，之间通过阀门切换可以实现夏季淋浴洗澡、冬季采暖。该系统利用太阳能作系统能源加热热水，满足各项需要。同时在太阳能不是很充足的时段以电辅助采暖，以保证供水温度。系统设计过程中，分别对取水方式、夜间蓄热问题等进行了专项研究，设计了一套较为合理的采暖淋浴系统。见图1。

图1 采暖系统设计原理

通过集热器的热水流入蓄水箱，然后当温度达到一定的时候，通过阀门1流入热水箱，热水箱具有良好的保温性。冬季热水箱内的热水进入分水器然后送入地板辐射采暖系统。夏季则关闭阀门4，打开阀门3进行淋浴。

节能分析

独体别墅的特点是太阳能人均占有率高，但建筑之间间隔较大，如果采用集中供热的采暖形式，则热传输损耗较大。

一般而言，独体别墅分为上下两层，外加车库，独门独院。假定每层采暖面积为100 m2并且新建建筑的保温性能良，采暖季为每年的11月15日至次年的3月15日，共计120 d。以三步节能标准采暖热指标14.4 W/m2进行估算，同时考虑到地板辐射采暖比普通采暖节能30%[1]，按照每月30 d计算，则每月所需要的热量为5 443 MJ。

假定选用集热面积25 m2、容纳热水量170 L的太阳能热水器，太阳能集热效率50%。集热器与水平面的夹角为50°，需要从自来水温度加热为45℃的供水温度，可以算出每月需要的热量，见表2。

表2 天津地区家庭用热亏盈情况 MJ

电加热效率为90%[5]，从表2可以看出，整个采暖季所需要的电加热量为1 246 MJ，水泵功率和为100 W，则整个采暖季水泵运行所需要的用电量为1 036 MJ。如果为普通的集中供热采暖，则整个采暖季所需要的热量为27 215 MJ，综合考虑采用地板辐射采暖的方式可以节能91%。

结论

（1）天津地区太阳能充足，采用太阳能采暖系统具有很好地推广空间。

（2）通过节能角度分析可以看出，天津别墅采用太阳能采暖具有很好地节能潜力，整个采暖季节可以节能90%左右。

[1]DBJ/T 01-49-2000,低温热水地板辐射供暖应用技术规程[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]王荣光，沈天行.可再生资源利用与建筑节能[M].北京：机械工业出版社，2004.

[5]吉林省设计院.建筑日照设计[M].北京：建筑工业出版社，1979.