使用太阳能的低温地板辐射供暖研究

张自国

（长春工程学院能源与动力工程学院，长春130012）

0 引言

太阳能是非常洁净的能源，作为一种洁净的可再生能源，太阳能在各个方面都得到了应用与推广。然而，每年我国建筑能耗占全国总能耗的27.6%，且仍将继续增长，其中北方地区供暖能耗占全国建筑总能耗的36%，约合1.3亿t标煤/a［1］。我国北方严寒地区的建筑消耗中有很大一部分是冬季供暖所消耗，如果能够用太阳能节约一部分冬季供暖能耗，这部分节能量将是非常可观的［2］。

1 太阳能在新能源中的地位

新能源与常规能源是一个相对的概念，随着时代的发展，新能源的内涵不断地变化和更新。目前，新能源主要包括太阳能、氢能、核能、化学能、生物质能、地热能、风能、海洋能等［3］。

太阳能是人类最主要的可再生能源，每年向宇宙空间输出的总能量为3.75×1026W，其中穿过大气层到达地球表面的能量约为8.5×1016瓦。这个数量远大于人类目前能量消费总量，相当于1.7×1018t标准煤［4］

目前人类利用太阳能的基本方式主要有光热利用、太阳能发电、光化利用、光生物利用。光热利用：将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用；太阳能发电：利用太阳辐射热发电实现光—热—电转换，利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能实现光—电转换；光化利用：利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式；光生物利用：通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质能的过程。

太阳能作为一种洁净、可再生的能源，再加之新技术的应用，越来越被人们重视。但是太阳能资源也存在着相当严重的缺点和问题：分散性，到达地球表面的太阳辐射能的总量尽管很大，但能流密度却很低；间断性和不稳定性，由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔等自然条件的限制，利用太阳集热器对环境的要求也比较高，在夜晚和雨雪等阳光少的天气里会受到限制。

在现有的技术条件下普通的家用太阳热水器能提供100℃以下的热水，但是集热效果与太阳辐射有直接的关系，表现如下：在一天内，白天有太阳辐射，夜晚没有；太阳辐射强度随季节不同而不同，冬季辐射强度小，夏季辐射强度大；同一季节随天气变化而变化，晴天辐射强度大，阴天辐射强度小甚至没有。如果采取一种供回水温度较低的采暖方式与太阳热水器联合的供暖方式则可以减少其他热源的使用量。近几年在我国北方出现的低温地板辐射采暖方式是一种比较理想的选择。

2 太阳能低温地板辐射采暖

低温地板辐射采暖所需要的供水温度低，供回水温差为8～15℃，热媒的传输温度低，热损失少。与对流供暖方式相比较，地板辐射采暖方式可使以太阳能集热器中热水为热媒的太阳能供暖得以实现。

目前与太阳能相匹配的最佳采暖形式为地板辐射采暖［5］，之所以是最佳匹配的采暖形式，是因为其供水温度低（35～50℃）、供回水温差小（10℃）。对低温地板辐射采暖房间的热力过程进行研究，为了方便分析，作如下假设：

（1）沿加热盘管轴线方向温度梯度很小（每根盘管长大约65～70m，热水进口与出口温差8～15℃），忽略加热盘管轴线方向的导热，地板层内的传热问题可简化为平面二维导热问题。（2）加热盘管内壁温度等于热媒平均温度。（3）加热盘管在平面方向均匀布置。（4）加热盘管布置于绝热保温层上，底部边界近似认为是绝热边界条件。（5）地板内各层材料为匀质常物性，相互接触紧密，忽略接触热阻。

房间围护结构（包括墙上的门、窗）的平均热阻为R0，地板填充层到面层的平均热阻为R1。

房间的换热量Q可表示为：

联立式（3）、（4）得：

在室内温度tn与热阻R0、R1和Fw、FD为定值时热媒平均温度tmfl仅与室外温度tw有关：

从式（6）可以看出盘管内的热媒平均温度相对于室外气温的变化率为常数，式中的负号表示盘管内热媒的平均温度与室外气温的变化相反，室外气温升高，热媒的平均温度应该降低，室外气温降低，热媒的平均温度应该升高。此结论的导出没有考虑日射得热、冷风渗透和冷风侵入的影响。

根据式（6），在建筑物建造完成后，围护结构的平均热阻R0与总面积Fw为定值，地板基层的热阻与面积FD也为定值，如果室外气温按采暖室外计算温度确定，影响平均水温的因素只有地板的面层材料的热阻。

举例计算满足供暖条件下地板辐射供暖的最低供水温度。某房间面积12m2，房间负荷1 095W，室内设计温度18℃（地板辐射采暖主要依靠辐射传热，室内作用温度比采用散热器时低1～2℃［6］），使用塑料水管（外径内径＝20mm×16mm）。为了得到较低供水温度，地面面层采用瓷砖δ＝10mm，不同材料的导热系数见表1；盘管间距取100mm（目前盘管材料所能施工的最小间距）。

表1 不同材料导热系数

由文献［6］可查得单位地板面积有效散热量5.01W/（m2·℃）；

所需平均水温18.2＋18＝36.2℃；

采用供回水温度为40℃/32℃（温差为8℃）。

在现有标准条件下低温地板辐射供暖的供水温度可以在40℃左右，非常符合太阳能供暖要求的低水温的要求。

3 结语

地板辐射式采暖辐射换热盘管内的热媒平均温度相对于室外气温的变化率为常数，并且盘管内热媒的平均温度与室外气温的变化相反，室外气温升高，热媒的平均温度应该降低，室外气温降低，热媒的平均温度应该升高。经过理论计算低温地板辐射供暖的供水温度可以在40℃左右，可以与太阳能联合供暖。地板面层对室内采暖效果有很大的影响，应尽量使用热阻小的材料作为面层。

［1］王俊，徐伟，林海燕，等.建筑能耗现状与节能途径［J］.中国科技成果，2006（19）：14－17.

［2］单军勇，刘效洲.太阳能采暖的可行性分析［J］.工业锅炉，2003（6）：41－43.

［3］吴治坚，叶枝全，沈辉，等.新能源和可再生能源的利用［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［4］翟秀静，刘奎仁，韩庆.新能源技术［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［5］王少杰，涂光备，郑宗和，等.太阳热水器水箱容积与集热面积的合理配比的探讨［J］.太阳能学报，2003，24（5）：629－632.

［6］王子介.低温辐射供暖与辐射供冷［M］.北京：机械工业出版社，2004：31－41.