太阳能低温地板辐射采暖系统若干研究的分析

1、专题太阳能低温地板辐射采暖系统若干研究的分析兰州理工大学能源利用科学与工程中心王立璞李金平王磊磊王春龙甘肃自然能源研究所摘要喜文华本文分析了地板采暖系统中管道、地板等的一般结构形式，并概括说明了太阳能房低温地板辐射采暖系统在我国的研究现状，并对其可行性进行了分析，最后本文还对地板辐射采暖系统在我国的发展前景进行了探讨。关键词低温地板辐射采暖系统太阳能节能地板，!，引言太阳能低温地板辐射采暖系统是以太阳集热器为热源，的空气进行对流换热。在地板辐射采暖系统中，人体与周围环。境换热量的以上是以辐射方式进行的以低温热水为工质，通过循环系统将加热到适当温度的热水导入到预先埋在地板下的埋管中，使热水和埋管

2、在地板下进行热交换，然后埋管再把吸收的热量通过地板辐射到室内。此系统作为一种既节能又舒适的新型采暖方式，其节能性和节能效率由国内外科研机构进行了大量研究，并且得出了很多令人满意的答案。太阳能低温地板辐射采暖的原理是通过埋设在地板内的加热管放射出来的的远红外线加热地表，一部分直接投射到人体表面，另一部分投射到周围物体表面，这些表面再与人体进行辐射换热完成辐射板对人体的二次辐射。辐射板在通过上述辐射过程与人体进行热交换的同时，还与周围基金项目：甘肃省自然科学基金资助项目（）；兰西部之光”访州理工大学博士基金资助项目（）；甘肃省“问学者计划资助。采暖房内热舒适度主要是由个因素决定：室内平均辐射温度和

3、室内空气温度。这个参数同时也影响室内采暖系统的能耗大小。因此，如何在保证室内人体热舒适要求的条件下，最大限度地减少低温热水地板辐射采暖系统的能耗，是当前研究的一个热点问题。太阳能低温地板辐射采暖系统的一般形式太阳能低温地板辐射采暖系统主要由太阳集热器、热媒输送管网和地板装置个部分组成。下面对各个部分加以详细介绍。王立璞，（硕士）研究生地址：甘肃省兰州市电话：订阅本刊请拨：转专题太阳集热器太阳集热器是吸收太阳辐射能并向工质（水或空气）传为基础层，再铺设保温绝热层，材料多为聚苯乙烯保温板。板上铺设加热盘管，并以卡钉将盘管与保温层固定在一起，然后浇注的豆石混凝土为填充层，再以水泥砂浆。找平，接着上部

4、铺设地板、地面砖等装饰材料递热量的装置，它是太阳能低温地板采暖系统最重要的组成部分，为整个采暖系统提供热量。热水管道装置热水管道装置示意图如图。低温热水地板辐射采暖系统一般采用双管系统，以保证每组盘管供水温度基本相同。采用分、集水器与管路连接，在分水器前设置热量控制计量装置，可以实现分户控制和热计量收费。地板表面温度可以通过调整供回水平均温度、盘管间距和埋管层的厚度来确定。低温热水地板辐射采暖的供水温度一般采用，供回水温差一般采用。由于供回水温差较小，所以地板辐射采暖系统流量比普通散热器要大，因此管径尺寸要相应大一些。分水器盘管管材低温地板辐射采暖系统所用的加热盘管的选材应根据耐用年限要求、使

5、用条件、热媒温度和工作压力、系统水质要求、材料供应条件、投资费用等因素来选择。近年来随着塑料工业的飞速发展，出现了抗老化、耐热、耐压的交联管材和轻质隔热的高效保温材料，为地板辐射供暖技术提供了可靠的材料，并且其价格也非常低廉。目前聚丁乙烯管（）、交联聚乙烯管（）是该系统中广泛使用的种管材。太阳能低温地板辐射采暖系统国内外研究现状随着低温地板辐射采暖系统在工程实践中应用增多，国回水管集水器内外的科学家和工程师们也在不断对其采暖机理、节能效果热量表集水管阀门暗敷采暖管±和热舒适性等诸多方面进行研究。早在世纪年代就对地板辐射美国的采暖形式的自然对流进行了分析。由于低温热水地板辐射采暖系统的

6、特点，其设计过程也与传统对流采暖系统设计存在图地板采暖上供下回水系统示意图差别。和等对低温热水地板辐低温地板辐射采暖管道铺设方式低温地板采暖系统中埋管的常见铺设方式有单蛇型、双射采暖系统设计进行了研究，并根据系统特点分别提出了基于平均辐射温度和热舒适指标的系统设计方法；等对低温热水地板辐射采暖系统控制做了很多蛇型、交错双蛇型、单回型、双回型、双开双回型等铺设方式。其示意图如图。实验研究和计算机数值模拟，并对不同控制方式做了比较分析。年，和等美国学者分析研究了不同采暖方式的热舒适性和能量消耗度，结果表明：当各单蛇型铺设双蛇型铺设交错双蛇型铺设种不同的采暖系统实现相同热舒适性时，其能耗度明显不同；

7、与其它方式相比，地板辐射采暖系统可节能，由此地板采暖的优越性可见一斑。单回型铺设双回型铺设双开双回型铺设年，加拿大学者利用非线性有限差分法，对低温地板辐射采暖系统进行了数值模拟，对低温辐射采暖系统中经常出现的问题，如地板表面温度超过热舒适性标准，室内设计温度改变而引起预热时间改变，以及太阳辐射造成过热而需要对其进行控制的具体措施等问题进行了讨论并最图埋管的铺设方式采暖地板结构地板结构由下到上一般为底层、绝热层、埋管层、找平层、地板等。工程中一般在钢筋混凝土地板上先以水泥砂浆找平新闻热线：（）：专题终提出：有效利用太阳辐射以降低室内热负荷以及将室内设计温度按正弦规律变化都可以有效地降低地板表面最

8、高温度，减少热流量。同时若室内温度按正弦规律变化而使系统节约的能耗同在夜间降低室内最高辐射温度所节约的能耗相以太阳集热器为热源，循环水泵为动力，采用间歇性运行方式的低温地板采暖系统。系统流程如图。蓄热水箱温度控制阀循环水泵循环水泵热泵机组地板内盘管集热器等利用有限元程序模拟地板采暖系统的三维同。热传递，他们模拟的结果跟实验结果相吻合。在外国学者对太阳能地板采暖系统研究的同时国内许多单位和学者也在对此系统进行不懈的研究，这些研究成果为我国太阳能房的发展起到了促进和指导作用。在分析了地板采暖的节能性和舒年王子介教授电加热器太阳循环水泵图模型系统流程图系统工作时，一级热媒在太阳集热器中吸收辐射能后，

9、流入蓄热水箱，将热量传递给箱内换热管中的二级热媒；二级热媒进入热泵机组中的蒸发器与制冷剂交换热量，并通过热泵循环进行供热，保证室内空气温度和地板表面平均温度等热舒适性指标在合理范围内波动，同时尽量在地板层中蓄存热量，降温后的一级热媒又流回集热器，由此完成一次循环。当室内空气温度和地板表面平均温度超过热舒适性要求时，热泵机组停止运行，低于热舒适性要求时，机组重新启动。夜间，集热器和热泵机组停止运行，依靠地板内蓄热量来维持室内空气温度和地板表面平均温度，直到此温度低于某一阈值，热泵机组再次投入运行。上海交通大学的地板采暖系统（以下简称模型）同样以太阳集热器为热源，循环水泵为动力但是与模型相比减少了

10、电加热器，而且是采用连续运行方式，系统流程如图。实验铂电阻溢水管调节阀集热循环泵止回阀太阳集热器阵列泄水管控制柜集水器蓄热水箱分水器补水管流量计适性的基础上，对太阳能地板供暖系统和用于夏季供冷系统的可行性进行了分析，指出太阳能地板供暖系统具有环保和节能特点，应用同一个地板辐射系统使用热泵对某些地区进行夏季供冷是可行的。等以太阳能热泵为热年青岛理工大学的周恩泽源的地板辐射为研究对象，研究了太阳能地板供暖系统在间歇运行方式下采暖房的可行性。同年上海交通大学的陈戈等则关注了地板辐射系统连续循环运行模式下对室内热环境所产生的影响，并且把理论模拟结果和实验结果相比照，得出了模拟结果和实验结果基本吻合的结

11、论。下文将对青岛理工大学和上海交通大学的个太阳能低温地板辐射采暖系统的物理模型进行介绍。太阳能低温地板辐射采暖物理模型介绍太阳能低温地板辐射采暖物理模型简化一般情况下对物理模型的简化如下：采暖循环泵沿加热管轴线方向温度梯度很小，忽略加热管轴线方向的导热，地板层内的传热问题简化为平面二维问题。供暖系统运行时，加热管内壁温度等于热媒平均温度；供暖系统停止运行时，加热管内壁近似为绝热边界条件。加热管在垂直于轴线的平面内均匀排列。由于地板底部敷设保温层，底部边界近似为绝热边界条件。种系统模型的工作流程青岛理工大学的地板辐射采暖系统（以下简称模型）是地板采暖盘管图模型系统流程图中，太阳能地板采暖系统仅在

12、白天运行，晚上依靠地板散热维持室内热舒适性。采暖循环泵在系统工作时间内为连续运行。种系统模型的结论与经济性分析上述种系统模型都得出了太阳能低温地板辐射采暖系订阅本刊请拨：转专题统在我国是可行的这个结论基础上，又对其节能性给予充分肯定。但由于其结构和运行方式的不同，其性能也不完全相同。系统模型采用间歇运行方式。白天，当室内的热舒适性超过一定值时，系统会停止运行；而在晚上温度降低后则需要启动热泵机组或辅助电加热才能满足一定的热舒适性。这就造成了白天无法充分利用太阳能，而晚上又要消耗高品质的电能。系统模型采用连续运行方式。白天，系统连续运行，一整天都可以吸收太阳能，因而对太阳能的利用率比模型要高，但

13、是白天连续运行有可能造成室内温度过高，而超过热舒适性要求；而到晚上只靠地板和房间的蓄热来满足热舒适性的要求，如果这些储存的热量不充足就有可能在凌晨时段温度降低达不到热舒适性的要求。由以上分析可知，模型的可靠性较高但能源利用率还有待进一步提高，而模型节能性能较好但是可靠性还需要进一步完善。同时，由于青岛与上海的纬度不同，在青岛地区要在晚间进行辅助电加热，而在上海地区，此系统只需白天运行即可满足全天室内的热舒适性要求。如果系统模型的辅助加热措施能够与城市集中供暖系统相结合，其经济性可能会更高。京理工大学，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：结束语低温地板辐射采暖作为一种新型的采暖方式，由于其舒适性和节能性等优点非常明显，得到了广泛的应用。并且这种采暖方式对水温的要求不太高（一般在之间），因此使许多平常情况下难以利用的低品位能源（如地热，太阳能）得到充分利用，从而节约了高品位能源。另外，如果成功解决地板结露问题，则地板辐射系统还可以在夏天通入的水来利用地板辐