浅谈太阳能热泵地面辐射采暖系统的特点与设计|太阳能热泵采暖

　　摘要：太阳能热泵地面辐射采暖系统是一种满足住户采暖供热需求的新型太阳能热水系统。文中介绍了太阳能热泵地面辐射采暖系统的构成、特点和设计方法，对太阳能热泵地面辐射采暖系统的经济性进行了分析。
　　关键词：太阳能热泵；节能；地板辐射采暖；系统
　　中图分类号：TU 文献标识码：A
　　近年来，随着能源价格的不断上涨及供应紧张，能源作为人类社会发展的重要物质基础，已经越来越被人们所关注，如今节能减排已经作为一项国家政策被提出，如何开发和利用新能源和再生能源已经是必然的发展趋势。太阳能是各种再生能源中最重要的基本能源，作为新能源和可再生能源重要的组成部分，是对环境不产生污染的洁净能源，因此太阳能的开发和利用程度将大大影响一个国家的能源状况。
　　1 太阳能采暖、供热工程的应用现状
　　受技术及经济条件等方面的限制，我国太阳能采暖、供热工程的发展状况一直处于起步阶段，已建成的单体建筑太阳能供热采暖试点工程包括北京清华阳光能源开发有限责任公司办公楼、北京昌平菩萨鹿村、平谷挂甲屿村和玻璃台村等。
　　2 太阳能热泵系统
　　太阳能热泵系统根据太阳能集热器与热泵的组合形式可以分为直膨式和非直膨式。
　　（1）直膨式
　　直膨式太阳能热泵系统是将太阳能集热器作为热泵的蒸发器。这种系统中集热器多采用平板式，结构简单、性能良好。
　　（2）非直膨式
　　非直膨式太阳能热泵系统将太阳能热水系统和热泵联合起来，是太阳能集热器和热泵的蒸发器相对独立的热泵系统。根据太阳能热水系统与热泵的连接形式，非直膨式太阳能热泵系统可以分为串联式、并联式及混联式。
　　3 低温热水地板辐射采暖系统
　　低温热水地板辐射采暖系统是指利用建筑物内部地面进行采暖的一种系统形式，该形式采用不高于60℃的低温热水作为采暖热媒，通过直接埋入建筑物地板内的塑料管（如PEX、PERT、PPR管）等盘管辐射热量，进行采暖。地面辐射采暖具有以下特点：
　　（1）节能舒适
　　地面辐射采暖的热量传播主要是以辐射形式出现，但同时也伴随着对流传热，人或物受辐射形式出现，但同时也伴随有对流形式的热传播，人或物受辐射和对流交换综合作用时，人对温度的实际感觉温度比室内实际温度高出2℃~3℃，基于辐射强度和温度的双重作用，室内地表面温度均匀一致，给人非常舒适的感受，故建立同样舒适度的情况下，可以降低设计温度2℃，从而降低采暖系统热负荷，达到减小系统设备规模，降低初投资的目的。
　　（2）节约空间
　　节约建筑室内使用面积，当散热器靠窗、墙布置时，散热器加外装修大概要占用0.5~0.8平方米的建筑面积，以每户四组散热器计算的话，散热器占用面积约为2~3.2平方米。
　　（3）美观耐用
　　地面辐射采暖的管道均置于地板内，无外露立管及支管，大大增加了系统的美观性，且由于管道暗埋，不易损坏，采用的复合管道耐腐蚀、不结垢、抗老化、埋地部分无接口，使用年限可达到50年以上，基本不用翻修。
　　4太阳能热泵低温热水地板辐射采暖系统
　　太阳能热泵低温热水地板辐射采暖系统是以采集的太阳能作为热源，具有普通地面辐射采暖的优点，同时兼有很好的节能效果，该系统主要由太阳能集热器、控制器、集热循环泵、蓄热保温水箱、辅助热源、地埋管管路、关断阀、三通阀、过滤器、循环泵、温度计、分水器、加热器组成。
　　5太阳能热泵地板辐射采暖系统设计要点
　　5.1 设计参数的确定
　　结合我国北方太阳能集热器的利用情况，并考虑地面辐射采暖的特点，我们设计供水温度定为45℃，回水温度定为30℃，室内采暖设计参数按照规范要求比常规采暖降低2℃，此处取16℃。
　　5.2 供暖热负荷的确定
　　太阳能热泵地板辐射采暖系统采暖负荷的计算方法与普通采暖相同，主要包含围护结构耗热量、冷风渗透耗热量、冷风侵入耗热量以及太阳辐射进入室内的热量，此系统是以辐射采暖为主（占60%以上），辅以对流传热。在设计确定采暖负荷时，可以依照规范要求取全面辐射采暖耗热量的90%。
　　5.3 系统设计流量的确定
　　太阳能采暖系统的设计流量计算式为：
　　G=3.6*g*A
　　式中G为太阳能集热系统的设计流量，m3/h；g为太阳能集热器的单位面积流量，[L/（h.m2）]；A为集热系统中的集热器总面积（m2）；其中太阳能集热器的单位面积流量g与太阳能集热器的特性有关，一般根据太阳能集热器生产厂家给出的数值确定。
　　5.4 集热器集热面积的确定
　　由于该系统以太阳热作为热泵的低位热源，热泵的蒸发温度较高，供热系统也高于其他热泵供暖系统，但是在一定的建筑物负荷下，若只是增加集热器面积会使集热器的工作温度升高，导致集热器的热损失增加，集热效率降低。因此合理确定集热器的总面积与系统的节能特性和经济性紧密相关。太阳能集热系统的集热器面积计算公式为：
　　Ac=Qf/JTηcd(1-ηL)（1）
　　式中AC为太阳能集热系统所需集热器总面积，m2；Q为建筑物的采暖日累计负荷，kJ/日； f为太阳能保证率；JT当地集热器采光面上的采暖期平均日太阳辐照量，KJ/（m2.日）；ηcd为集热器全日集热效率，国标经验值取0.45~0.60；ηL为管路及贮水箱热损失率，国标经验值取0.2~0.25；计算例：
　　设计条件：郑州市某6层住宅，建筑面积为2824.5m2，建筑采暖热负荷为75.02kW。
　　参数确定：Q为75.02kw，由于采暖形式为地面辐射采暖，故耗热量修正为67.52kW，即为5625000kJ/日； f为0.40；JT为7265KJ/（m2.日）；ηcd取0.50；ηL取0.20；将上述值带入计算公式（1）中得出AC为775m2.
　　由上述计算结果可以看出，如果全部依靠太阳能提供热源，则集热器的面积从理论上得出，采暖面积与太阳能集热器的面积比约为3:1，而实际中布置这么大面积的集热管则存在一定的难度，所以笔者认为太阳能设计计算时应充分来考虑这点，辅以其他能源的补充供热设计，如热泵、电加热、市政热力加热等。下表为各种常见热源供暖经济性的比较：
　　
　　
　　
　　
　　有表可以看出，从环保和经济角度来说，将太阳能与热泵系统相结合作为低温地板辐射供暖的热源是最合理的。
　　5.5 贮水箱容积的确定
　　贮水箱的设置可以解决太阳能昼夜间断、受天气影响的缺点，所以对于太阳能地面辐射采暖系统来说，设置贮水箱是十分必要的。
　　太阳能地板辐射采暖贮水箱容积可以按照对应于每平方米集热器面积取50~60L计算，该取值考虑了日间热量蓄调及阴雨天出现概率等因素。
　　5.6 太阳能集热器的设置
　　集热器的设置应与建筑有机结合，保证建筑外表面美观，并在保证安全的前提下，不得影响该建筑部位的承载、保温、防水、排水等；集热器安装方向宜为正南或南偏东、偏西300范围内，安装倾角应与当地纬度一致，或在当地纬度+100的范围内。当不能满足以上安装要求时，应进行集热面积的补偿。
　　结语
　　综合以上论述，太阳能热泵低温热水地面辐射采暖系统是一种节能经济的采暖方式，对于降低能耗、减少污染，建设节约型社会具有重大意义，应提倡发展。同时对于该系统的设计应结合不同地区的自然气候、经济发展情况等，合理设计、综合考虑，才能有效发挥该项技术的优势。
　　参考文献
　　[1]太阳能供热采暖工程技术规范[S].GB50495-2009.
　　[2]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京：学工业出版社，2009.