北京市某农村居民住宅太阳能地板辐射采暖系统的实验分析

1、北京市某农村居民住宅太阳能地板辐射采暖系统的实验分析北京建筑工程学院 于喜哲 李德英 高岩摘 要：本文对位于北京市昌平区的某一农村居民住宅的太阳能地板辐射采暖系统实验平台的情况进行说明，并对该太阳能地板辐射采暖系统实验平台的工作原理及关键技术进行阐述。同时，对该实验平台在无辅助热源时的系统运行情况进行实验分析，说明该太阳能地板辐射采暖系统实验平台的技术可行性。为下一步的实际工程应用提供相关参考依据。关键词：太阳能地板辐射采暖 热管式真空管集热器 集热效率 自动控制1 前言太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，用太阳能作为地板辐射采暖系统的热源是太阳能热利用技术与地板辐射采暖技术相结合的一

2、种最佳方式。本文对位于北京市昌平区的某农村居民住宅的太阳能地板辐射采暖系统实验平台的概况及关键技术进行说明，并对系统在无辅助热源时的运行情况进行实验分析。2 系统概况2.1 居民住宅概况本实验平台为北京市昌平区某农村居民住宅的太阳能地板辐射采暖系统，该住宅为四间东西向的平房（图1），建筑面积为190m2。原围护结构外墙为370mm厚的普通砖墙，屋面为架空隔热层，经过节能分析及计算，对该住宅进行围护结构的节能改造，原围护结构外墙增加100mm厚的聚苯乙烯保温层；屋面增加60mm厚的聚苯乙烯保温层。外窗采用双层玻璃的塑钢窗。为便于设备安装维护及实验操作，在紧邻住宅处新建了设备机房。且本实验只对图1

3、中的“房间3”进行供暖，分析该系统在无辅助热源时的运行情况。图1 居民住宅及设备机房平面图2.2 太阳能集热系统概况2.2.1 集热器的类型与其它集热器相比，热管式真空管集热器具有耐冰冻、启动快、保温性能好、承压能力强、耐热冲击性能好、安装简便、运行可靠等优点1，故本实验平台的集热系统选用热管式真空管集热器。且集热器的总面积为25.62m2。为保证各集热器组间的流量及压力平衡，各集热器组间采用同程连接的方式。集热器组安装于设备机房的平屋面上，安装倾角为正南方向400。2.2.2 蓄热水箱蓄热水箱的大小与集热量、换热效率以及热负荷的变化等因素有关，还需考虑蓄热水箱的成本对系统经济性的影响。综合考

4、虑以上因素，本实验平台选择容积为1000L的蓄热水箱。2.2.3 集热系统循环水泵太阳能集热系统的流量与太阳能集热器的特性有关，系统采用热管式真空管集热器，按每平方米集热器的流量值为0.072m3/（m2·h）进行计算2，该系统为开式系统，主要考虑克服水箱到集热器最高点所需扬程，根据以上参数选用PUN-200E型加压离心水泵，该泵额定流量为4.8m3/h，最大扬程为15m。2.3 地板辐射采暖系统的概况2.3.1 加热盘管的选择及布置地板辐射采暖系统加热管的敷设形式采用双螺旋型布置，设计供回水温度50/40，管材采用交联聚乙烯管(PE-X管)，管径为16X2.0，布管间距为200mm

5、。2.3.2 采暖系统循环水泵根据加热盘管的布置及系统形式，采暖循环泵选用ST20/11型屏蔽式水泵一台，该水泵的最大流量为2.1 m3/h，最大扬程为11m。3 太阳能地板辐射采暖系统实验平台的工作原理本实验平台的系统形式如图2所示，该太阳能地板辐射采暖系统由太阳能集热器、集热循环泵、蓄热水箱、地暖循环泵、流量计、分集水器、自动控制系统等部分组成。如图2所示的太阳能地板辐射采暖系统为间接式系统，即集热和采暖是两个独立的回路。集热器产生的热量传递给蓄热水箱内的水，当蓄热水箱内的水温达到采暖系统要求的水温时，采暖循环泵启动并进行地板辐射采暖系统的循环。该系统集热回路和采暖回路完全独立，减少了彼此

6、间的相互影响，同时也降低了系统的承压要求3。图中T1-T7分别为设置于太阳能集热器供、回水管，蓄热水箱，地板采暖供、回水管及采暖房间内的温度测点；流量计F1、F2分别测量集热回路及采暖回路的流量值4。图2 太阳能地板辐射采暖系统原理图4 关键技术4.1 系统的自动控制技术4.1.1 太阳能集热系统采用温差循环，当集热器出口温度T1与蓄热水箱温度T5间的温差大于等于7时，太阳能循环泵P1启动；当两者差值小于等于3时，太阳能循环泵P1停止运行。4.1.2 当蓄热水箱温度T6大于等于45且采暖房间温度T7小于等于16时，水泵P3开启；当T6小于等于35或者T7大于等于20时，水泵P3停止运行。4.1

7、.3 当T6大于等于70时，关闭太阳能循环泵P1（高温保护）。4.1.4 系统采用CSG-16W型太阳能测试仪及HB404型智能功率表，对温度、流量、功率等参数进行及时记录。5 系统运行情况分析5.1 集热器瞬时效率分析集热器的瞬时效率采用集热器厂家提供的瞬时效率曲线方程进行计算：ai*式中：Ti*基于进口温度的归一化温差，Ti*=（ti-ta）/Gti 工质进口温度，ta 环境温度，G 集热器采光面上总日射辐照度，W/m2通过做出不同天气情况下的集热器瞬时效率曲线（图3、4、5），可以看出，随着太阳辐射量、工质进口温度及环境温度的变化，集热器的效率呈现起伏波动的情况。对于阴天，集热器的日最大

8、瞬时效率值出现在中午12：00左右；而对于多云天气和晴天，集热器的日最大效率值出现在下午14：00左右5。图3 太阳能集热器瞬时效率曲线（阴天）图4 太阳能集热器瞬时效率曲线（多云）图5 太阳能集热器瞬时效率曲线（晴天）5.2 集热及采暖回路进出水温变化分析通过做出不同天气情况下的集热及采暖回路进出水温变化曲线（图6、7、8），可以看出，对于阴天，集热及采暖回路的进出水温的最大值出现在中午12：00左右；对于多云及晴天，其最大值出现在下午15：00左右。地板采暖系统的供水温度在阴天及多云情况下，大部分时间内可达到30左右；而在晴天时，该值可达到40-50。基本可以满足房间白天的采暖要求。而随着

9、太阳辐射量的减少，各温度呈现下降状态。当夜间温度较低时，蓄热水箱内贮存的热量可以继续为采暖房间供热，而采暖房间的围护结构通过节能改造后也可以蓄存部分热量，即使在无辅助热源的情况下，采暖房间的温度在一段时间内仍可以保持在要求范围内。图6 集热及采暖回路进出水温变化曲线（阴天）图7 集热及采暖回路进出水温变化曲线（多云）图8 集热及采暖回路进出水温变化曲线（晴天）6 结论与展望通过该实验平台的运行测试结果可以看出，在采暖季的大部分时间里，太阳能集热器的日效率都在50%左右，且太阳能集热系统白天所收集的热量可以满足采暖系统白天的供暖要求。当夜间温度较低时，蓄热水箱里贮存的热量可以继续为采暖房间供热，

10、当贮存的热量不能满足需要时，此时需要辅助热源为采暖房间输送热量。本实验平台的运行情况分析旨在为太阳能地板辐射采暖的实际工程应用提供相关参考依据，通过外围护结构的节能改造来提高采暖房间的保温性能，同时提高太阳能地板辐射采暖系统的利用效率，从而相对减少辅助热源在太阳能地板辐射采暖系统中的运行时间。使该系统可以更加高效的运行达到节能的目的。为太阳能地板辐射采暖系统的下一步研究奠定基础。参考文献1 郑瑞澄. 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册M.北京：化学工业出版社，20062 何梓年，朱敦智. 太阳能供热采暖应用技术手册M.北京：化学工业出版社，20093 齐政新，陆亚俊，石磊. 太阳能地板采暖技术在农村应用的探讨J.农村能源，2001，44 陈戈，王如竹，代彦军，翟晓强. 太阳能地板辐射采暖系统的实验与数值模拟分析J.能源技术，2005，26（2）：77