太阳能地板辐射采暖在小型住户的应用及经济分析

1、太阳能地板辐射采暖在小型住户的应用及经济分析 （刘伟锋1 公维磊1 张立敏1 张秀星1 刘俊红2） (1.济南蓝天阳光新能源有限公司 250022；2.山东建筑大学 250101） 摘 要：本文通过对太阳能地板辐射采暖的介绍，分析济南蓝天阳光新能源有限公司有限公司在市区小型住户建筑应用的工程实例，指出太阳能地板辐射采暖具有良好的经济和社会效益。太阳能作为清洁环保的可再生能源，从节约常规能源和加强环境保护方面，太阳能地板辐射采暖在小型住户建筑推广应用具有深远意义和广阔发展前景。关键词：太阳能集热器 储热水箱 电加热器 Solar radiant floor heating application

2、s in small households and economic analysis （LIU wei-feng,GONG wei-lei,ZHANG li-min,ZHANG xiu-xing,LIU jun-hong)(Jinan blue sky sunshine new energy Co., Ltd 250022; Shan dong jian zhu university 250101)Abstract:In this paper, by introducing the solar energy utilization of radiant floor heating,Analy

3、sis of small households in the urban construction of the Project Application from Jinan, blue sky the sun new energy Co., Ltd .Pointed out that the solar radiant floor heating has a good economic and social benefits, Solar power as a clean and environmentally-friendly renewable energy，From the conve

4、ntional energy-saving and strengthening the environmental protection，Solar radiant floor heating in the popularization and application of small-scale household construction of far-reaching significance and broad prospects for development.Key words: Solar collectors Thermal storage tank Electric heat

5、er 引言近年来，我国城乡建筑的发展非常迅速，目前全国的建筑能耗已超过全国总能耗的四分之一以上，而且有上升的趋势。其中，民用住宅和公共建筑的采暖能耗占了很大比重，随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的逐步提高，人们对生活舒适度的追求越来越强烈，在冬季寒冷的北方地区，室内采暖成为人们一种消费热潮。有效的减少建筑能耗，保护地球环境成为摆在世界各国人民面前的一项紧迫任务。合理开发利用新型清洁能源需要全社会做出不懈的努力,太阳能行业的不断发展以及市场需求的不断增多，利用太阳能集热系统进行采暖，市场需求大，技术可行，是太阳能行业扩展应用的一个典型方向。低温地板辐射采暖系统将整个地面作为辐射散热面,通过与

6、其他维护结构表面进行辐射换热，由于普通利用散热器进行采暖的工质温度要求较高（70以上）不适合太阳能出水温度要求（太阳能集热器在工质温度低的情况下效率较高），所以利用地板辐射采暖与太阳能集热系统配合是最佳的解决方案，温度室内设计温度可比散热器形式低23，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高于29【2】，地板采暖的供水温度一般在60以下【3】，太阳能集热器在工质温度低的情况下效率较高【4】。所以利用太阳能地板辐射采暖是目前建筑冬季采暖的最佳解决方案。1、 太阳能地板采暖系统 1.1太阳能地板采暖系统工作原理 太阳能地板采暖供热系统工作原理，主要由能源收集和热量

7、输出两个流程组成5: 1.能量收集过程中当太阳能集热系统的水温升至设定稳定时，温控器输出信号，控制集热循环泵工作，把集热器中的高温水和蓄能水箱中的低温水相互循环。从而逐渐带动水箱的温度升高。太阳能辐射强度不足时，控制系统开启辅助电加热器系统补充能量，以实现全天侯热源供给。 2.蓄能水箱在逐渐积得热量之后，若达到设定温度，则通过供热循环泵，使蓄能水箱中的热水在整个建筑埋管中循环流动，向供热单元输送能量。当室内温度达到设定值，通过温度传感器控制采暖循环泵的关闭，实现操作的智能化与经济化。1.2 太阳能低温热水地板采暖系统组成系统主要的部件包括：（1）太阳能集热器太阳能集热器是整个装置中的关键部件，

8、主要起到采集太阳能量，对储热水箱的水进行加热的目的。（2）太阳能储热水箱太阳能采暖系统装置中的储水箱一般保温材料采用聚氨酯发泡。该水箱可满足冬季的供暖。（3）辅助能源辅助能源系统是太阳能集热系统的补充与备用。当太阳能系统无法满足供热需求时，启动辅助能源加热储热水箱中的水，达到设定温度即停止。（4）太阳能水泵太阳能集热系统中的循环动力设备，通过太阳能水泵的循环，利用太阳能集热器吸收的能量加热储水箱中的水。（5）供暖循环泵将太阳能储水箱中的热量通过循环送至各供暖区域，提升房间的温度。太阳能地板采暖系统主要有太阳能采暖系统、地板采暖系统、控制系统三大部分组成。如图所示 : 图1 太阳能低温地板辐射采

9、暖系统原理图 由图可知：其采用太阳能+辅助热源的联合供热方式，太阳能供热系统优先选用太阳能，太阳能供热不足的能量由辅助热源补充。太阳能系统与辅助加热系统联合供热，可保证全天候供热，在热源充足的前提下，满足地板辐射散热和热水供应。1.3 控制系统控制系统主要由温控系统、水位调节系统、定时控制系统和中央处理运行系统等部分组成，可由PLC系统实现自动控制，因这方面技术比较成熟，本文不加详述。二、太阳能地板辐射系统的计算 1、太阳能集热器 太阳能集热器选用全玻璃真空管集热器，此种形式的太阳能集热器热效率高，防冻性能好，承压能力高，热容量小，启动快；在采暖初期和末期可以不用辅助热源而直接供暖，同其他形式

10、的太阳能集热器相比，全玻璃真空管集热器更适合应用于太阳能地板辐射采暖系统。集热器面积的计算: 直接系统集热器采光面积，m2 全天供热量，W 太阳能保证率，根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定，本工程选取30% 当地集热器采光面上的冬季平均日太阳辐照量， 16712KJ/m2 集热器采暖平均集热效率，选取40% 储水箱和管道的热损失率，根据经验取值宜为15% 2、储水箱容积6 式中： V储热水箱体积 m3 Qs储热水箱的设计热量 kJ (c)w水的体积比热 kJ/(m3c) t水箱内热水的利用温差 对于太阳能采暖系统，由于受自然条件(太阳辐射一天之内随时间变化)的

11、限制，太阳能集热系统不可能全天24小时工作，考虑到太阳能集热器的功率及日照时间与用户供暖需求存在的差异性，根据蓝天公司多年工程实践经验，设计太阳能储水箱容量只需满足系统运行所必须的水量即可。3、太阳能集热器倾角7太阳集热器最佳倾角是3045，太阳能集热器倾斜角的 确定如下所示：式中 集热器的倾角 当地纬度 4、根据详细热工计算，可将热负荷换算成水量，供暖所需水量的计算 式中：q 采暖系统热负荷指标 w/m2 Cp水的平均定压比热容 4.18kJ/(kgk) T采暖供回水温度差（），低温地板采暖供回水温度差为815，这里暂取10三 太阳能地板辐射采暖技术经济分析 太阳能应用于地板辐射采暖可以显著

12、减少常规能源消耗，大幅降低运行费用。但由于太阳集热器在整个系统中占有较高比例，造成太阳能地板辐射采暖初投资偏高，住户采暖时间一般只有4个月，因此单纯的太阳能采暖对普通用户来说尚难以接受。然而，太阳能除用来冬季采暖外，还可以一年四季提供生活用热水，这就大大提高了太阳能采暖系统的利用率。从某种意义上说，太阳能采暖具有很好的经济性。下面我们以济南蓝天新能源有限公司在市区一小型住宅建筑中建立太阳能地板辐射采暖系统为例，对太阳能采暖系统做一些简单的经济分析。住宅建筑面积120m2，设计热负荷为12050=6000w，采用地板辐射采暖其热负荷等于常规热负荷乘以0.90.95，则实际采暖负荷为60000.9

13、5=5.7kw。 由计算公式转换每天需供热水量为70/（4.1710）120=201.5kg/d 住户一年四季提供生活热水,每天热水供应40kg/d.本文中建筑采暖面积为120，计算集热器面积m2，因为在计算集热器面积是有最冷月热负荷确定，采暖初期和末期出现太阳辐照值盈出较多，集热器面积选的过大，因集热器成本过高导致初投资过大，因此可以减少集热器面积，暂取集热器面积22,辅助电加热9KW，不足部分由辅助热源加热补充。太阳能地板辐射采暖系统主要有太阳能集热器、储热水箱、控制系统、电加热器等组成，其初投资费用估算如下表所示： 表一 太阳能地板辐射采暖初投资费用 名称价格（元） 太阳能集热器 362

14、0 集热器的支架与基础 600 管道与保温（水泵） 450 储热水箱 1000 控制系统 2000 电加热器 240 室内管道（地暖） 5690 其他 1000 合计 14600注：单根全玻璃真空太阳能集热管日产热水量为10.32 kgd。太阳能设备初投资是在太阳能采暖率30%情况下做出的，实际根据辅助热源情况综合考虑太阳能采暖率、初投资、运行费用等因素，选择适宜方案。不同供暖方式的住宅采暖与热水费用分别比较如下表表二 采用不同供暖方式运行费用比较供暖方式集中供热燃气锅炉太阳能电辅助加热采暖期单位面积运行费用（元/）2728.522采暖期内运行费用（120）324034202640单位面积热水

15、供应费用（元/）-2.11.2全年热水供应费用（120）-252144 注：1、以上数据均为室内温度16，室外温度为-1.6情况下采暖费用； 2、电价按0.52元/ kwh，电加热效率为90%； 3、天然气价格按2.0 元/ Nm3 ,密度为0.75kg/m3,锅炉效率为85%； 4、集中供暖价格采用济南地区家庭收费平均价格；表三 投资回收期计算供暖方式集中供热燃气锅炉太阳能电辅助加热初投资费用（元/）93601100014600采暖季供暖费用（120）324034202640全年生活热水供应费用（元/年）-252144全年采暖生活热水总费用（元/年）-36722784投资回收期（年）太阳能电

16、辅助加热相对集中供热需11年太阳能电辅助加热相对燃气锅炉需3.6年注：1、按济南市人民政府关于印发济南市城市建设综合配套费征收管理办法通知济南 发20033号文，民用集中供暖开户费78元/平方米;2、集中供热没有热水供应，需另外附加热水设备由以上图表可以看出，采用太阳能供暖虽然初投资较高，但因利用了清洁环保的太阳能资源，每年费用是集中供暖的85%，燃气炉采暖费的76%.另外相对集中供暖其还一年四季提供生活热水，使日常生活更加便利，以上数据虽然不够精确，但不影响所得结论。四、太阳能地板辐射采暖的优势4.1 环保随着地球环境的恶劣，已经引起了各国政府的高度重视，减少温室气体排放成为摆在各国人民面前

17、一个严峻问题。由于建筑采暖温室气体的排放占了很大比重。从环保意义上说，太阳能的利用对降低温室气体的排放起了积极的作用，太阳能应用于地板辐射采暖成为一种发展趋势。4.2节能我国的建筑能耗在全国能源消费总量中的比例呈现出逐渐上升的趋势，我国北方城镇采暖能耗占全国建筑总能耗的36，为建筑能源消耗的最大组成部分。单位面积采暖平均能耗折合标准煤为20kg/年，为北欧等同纬度条件下建筑采暖能耗的24倍。能源消费结构的不合理给我国环境问题带来了巨大的压力。太阳能作为清洁环保的可再生能源，已经被广泛用于民用建筑当中，研究表明:在太阳能利用方面具有经济价值的地区是年辐射总量高于2200h的地区。因此我国在大部分

18、地区的建筑物中推广应用太阳能热利用技术已具备了良好的条件，特别对电力紧缺地区具有一定的经济效应和社会效应。太阳能广泛应用于建筑物采暖节省了大量的化石能源，特别是对不可再生能源煤的消耗。4.3经济民用建筑采暖的迅速发展，导致了居民生活用电量迅速增加，由于我国电力系统本身特点（火力发电占绝大部分），调节性能较差，且已经存在着很大的高峰低谷负荷差异。随着居民住宅采暖的发展，虽然其耗电量不大，但却进一步加大了这种峰谷负荷差异，使得电力系统的发展越来越不平衡，高峰负荷日益增加，因此这样会造成巨大的能源消耗和严重的污染。太阳能用来采暖将会给个人、国家都会带来巨大的经济效益。五、结语通过对太阳能地板辐射采暖的分析，它是太阳能热能利用技术和地板辐射采暖技术的结合，具有集热效率高应用范围广等优点。随着太阳能利用技术的发展，太阳能相关设备的价格也在不断下降，其应用于小型建筑在理论分析上应该是成立的。从它具备的节能、环保、经济等特点上可以预示其市场潜力是巨大的。为大面积的推广太阳能在建筑中的应用提供充分的技术和经济等方面的资料。参考文献： 1齐政新，杨基春等，利用太阳能地板采暖减少建筑能耗J 中国能源，2001，（6）：28-30 2ASHRAE，ASHRAE，Handbook-FundamentalsM