太阳能低温地板采暖系统应用于山东沿海地区的可行性分析
山东省建筑设计研究院 王宗华 王慧
北京市文物建筑保护设计所 迟少静
山东宏海卓邦置业有限公司 曹雪静
摘 要：以烟台招远地区20万平方米的住宅小区为例，设计了间接式太阳能低温地板采暖系统，计算了太阳能系统的运行参数，并进行了经济性分析及投资回收期计算。太阳能地暖系统的建设费用为3000万元，是集中供暖的84%、燃气锅炉的125%；而一个采暖期的运行费用为422.10万元，是集中供暖的86%，燃气锅炉的70%。投资回收期相对于燃气锅炉采暖系统仅需3.36年。因此，太阳能地暖系统应用于山东沿海地区具有可行性。从可持续发展和建筑节能的角度上，推广太阳能在建筑中的应用具有深远的意义。
关键词：太阳能；地板采暖；经济；节能
0 前言
改革开放使我国的经济社会得到迅猛发展，成为世界上发展最快的发展中国家、仅次于美国的世界第二大经济体。然而，经济的飞速增长也带来了巨大的能源消耗。煤炭、石油、天然气等常规能源过度开采，甚至面临枯竭的可能。面对尖锐的能源问题，研究、开发和利用可再生能源势在必行。
由于在总能耗中，建筑耗能所占比例高达25%~40%，而空调和采暖能占到建筑能耗的70%[1]，因此建筑节能在国家能源节约战略中有着重要的地位。建筑节能具有两方面的含义，一方面是减少建筑的总能耗，二是在建筑中使用可再生能源[2]。
我国的太阳能资源十分丰富，年辐射总量可达3340~8360MJ/m2，相当于110~250kg 标准煤/m2，具有良好的开发利用条件[3-4]。地板辐射采暖具有良好的热舒适性和热稳定性，并且可以充分利用太阳能这种低品位能量，降低采暖能耗。因此，从能源节约和建筑节能这两个方面考虑，太阳能低温地板采暖系统是解决建筑采暖能耗大的最佳方案。
文章以山东烟台招远地区的住宅小区为例，计算了工程项目的热负荷，设计了太阳能低温地板采暖系统，并与进行了经济性分析，以探讨其应用于山东沿海地区的可行性。
1 太阳能低温地板采暖系统
太阳能低温地板采暖系统[5]是一种以采集的太阳能作为热源，通过敷设于地板中的盘管加热地面进行供暖的系统，其组成包括太阳能集热器、太阳能储热水箱、辅助能源、太阳能水泵、供暖循环泵、控制系统等主要部件。
按集热系统运行的方式，太阳能采暖系统可分为直接式和间接式[6]。直接系统指的是利用水泵使水在太阳能集热器中直接循环加热供给使用端的系统，要求自来水水质较高，系统价复杂，造价较高；间接式系统指的是太阳能集热器加热传热工质，通过热交换器加热供给使用端的系统，利用水泵使传热工质循环加热，易保证系统水质和防冻，管线布置灵活，系统复杂，造价高。文章介绍的工程案例采用了间接式系统。
1.1 太阳能低温地板采暖系统的工作原理
太阳能低温地板采暖系统的工作原理如图1所示。
图1 太阳能低温地板辐射采暖系统示意图
太阳能集热器收集太阳能的热量，加热集热器中的传热工质。传热工质通过太阳能循环泵，与贮热水箱中的低温水进行换热，从而使得贮热水箱中的水温度不断升高。供暖循环泵将水箱中的热水输送到地暖系统中。同时，在地暖分水器入口侧安装温度探头，用以控制太阳能集热器出水端（贮热水箱进水侧）的电磁阀和辅助热源的工作状态，控制地暖侧供水温度。当贮热水箱的水温小于采暖设定温度时，辅助热源开始工作，加热水箱中的水至设定温度；当贮热水箱的水温大于采暖设定温度时，太阳能传热工质的电磁阀和辅助电源均关闭，使地暖侧供水温度保持在设定温度。
1.2 太阳能低温地板采暖系统的计算
（1）直接式太阳能集热器面积计算
式中：Ad为直接系统集热器采光总面积（m2）； Qh为建筑物耗热量（W）；JT为当地集热器采光面上的采暖期平均日太阳辐照量（J/m2），本工程取12900400 J/m2 [6]；f为太阳能保证率（%），本工程选取30%；ηcd为太阳能集热器采暖期平均集热效率，本工程选取0.45；ηL为管路及贮热装置热损失率，本工程选取0.15。
（2）间接式太阳能集热器面积计算
式中：Ad为直接系统集热器总面积（m2）；U为集热器总热损系数，对平板型集热器，U可取4~6W/(m2·℃)；Uhx为换热器传热系数，kW/(m2·℃)；Ahx为间接系统热交换器换热面积（m2）；
（3）间接式太阳能集热系统热交换器设计
① 热交换器换热量Qhx的计算
式中：Qhx为间接式集热系统热交换器换热量（kW）；k为太阳辐照度时变系数，取1.5~1.8，取高限对太阳能利用有利，但会增加造价；Sy为设计月平均单日日照时间（h）。
② 热交换器换热面积Ahx的计算
式中：ε为结垢影响系数，取0.6~0.8；Δtj为传热温差，宜取5~10℃，集热器性能好，温差取高值，否则取低值；ηL为贮热水箱到热交换器的管路热损失率，一般可取0.02~0.05。
（4）太阳能集热器倾角
根据相关文献，当集热器冬季使用时，最佳倾角为当地纬度+10º，烟台市地处北纬37º52′，故冬季最佳倾斜角为47º52′。
（5）太阳能储热水箱容积计算
根据经验，每平方米太阳能集热器面积需要的贮热水箱容积可确定如下：小型太阳能热水系统每平方米太阳能集热器面积对应贮热水箱容积为40~100L，短期蓄热的太阳能采暖空调系统为50~100L；带季节蓄热的太阳能采暖空调系统为1400~2100L，水箱保温较好，系统太阳能保证率较大时宜取高值，否则按低限选取水箱容积。
（6）供暖需水量的计算
式中：q为采暖系统热负荷指标（W/m2）；Cp为水的平均定压比热容，4.18kJ/(kg·K)；ΔT为采暖供回水温度差（℃），低温地板采暖供回水温度差为8~15℃，本工程取10℃。
2 工程案例
2.1 工程概况
玖都汇花园项目位于烟台招远市温泉路北侧，天府路西侧。项目可建设用地面积11.75公顷。住宅建筑面积20万m2，2500户，每户建筑面积80m2。
2.2 负荷计算
烟台地区冬季室外计算参数及室内计算参数如表1和表2 所示，每户采暖热负荷为4kW，热负荷指标为50W/m2。
表1 冬季室外计算参数
表2 冬季室内计算参数
2.3 设计方案
根据公式1~6，文章对太阳能低温地板采暖系统的集热器面积、热交换器换热量、热交换器换热面积、供暖需水量等设计参数进行了计算，结果如表3所示。
表3 太阳能低温地板采暖系统的设计参数
3 经济性分析
文章计算了太阳能地暖系统和其他供暖系统的建设初投资费用及运行成本，结果如图2和表4所示。
图2 不同供暖方式运行建设初投资费用比较
注：民用集中供暖开户费为78元/m2；太阳能集热系统的造价为8000元/户。
表4 不同供暖方式运行费用比较（一个采暖期）
注：招远地区集中供暖价格采用家庭收费平均价格为24.5元/m2；电价按0.675元/(kW·h)，电加热效率90%；太阳能集热系统承担55%的热负荷，其余由电辅助系统承担；天然气价格按3.69元/(N·m3)，锅炉效率为85%；循环水泵的扬程30m，流量430m3/h，功率55kW，两用一备。
从图2中可以看出，在建设期，太阳能地暖系统的投资费用介于集中供暖和燃气锅炉采暖之间，约3000万元，为集中供暖的84%、燃气锅炉的125%。然而，从表3中可以得到，太阳能地暖系统的运行费用最低，为集中供暖的86%，燃气锅炉的70%。投资回收期相对于燃气锅炉采暖系统仅需3.36年。由此可知，太阳能地暖系统应用于山东沿海地区是可行的。
4 结论
通过对太阳能地暖系统的运行参计算和经济效益分析可以得出，太阳能地暖系统在山东沿海地区的应用具有可行性。虽然太阳能地暖系统的建设初投资较高，但是由于其有效利用了丰富的太阳能资源，因此在取得同样的采暖效果前提下，太阳能地暖系统最为环保和经济。
中国拥有相当丰富的太阳能资源，因此太阳能利用事业也拥有着极大的开发潜力和广阔的发展前景。研究和发展太阳能与建筑一体化设计，推广太阳能在建筑中的应用，使太阳能越来越多地为建筑服务，无论从环保节能，还是从经济效益的角度，都具有重要的意义。
参考文献
[1] 江亿, 杨秀. 我国建筑能耗状况及建筑节能工作中的问题[J]. 中华建筑, 2006,2:12–18.
[2] 聂磊. 太阳能采暖技术及其应用研究[D]. 燕山大学,2014.
[3] 甄霞, 尹纲领. 济南地区采用太阳能作为地板辐射采暖热源的可行性分析[C]. 全国暖通空调制冷2006年学术年会论文集,2006.
[4] 宋卓然, 陈国龙, 赫鑫, 等. 光伏发电的发展及其对电网规划的影响研究[J]. 电网与清洁能源, 2013,29 (7):92–96.
[5] 公维嘉. 太阳能地板辐射采暖在小型住户中的应用[J]. 山东暖通空调,2010,3:50–54.
[6] 中国建筑科学研究院. 06K503. 太阳能集热系统设计与安装[S]. 北京: 中国计划出版社, 2006.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年3月刊总第3期。
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