北京市某農(nóng)村居民住宅太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)的實驗分析（Word）

1、北京市某農(nóng)村居民住宅太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)的實驗分析北京建筑工程學(xué)院 于喜哲 李德英 高巖摘 要：本文對位于北京市昌平區(qū)的某一農(nóng)村居民住宅的太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)實驗平臺的情況進行說明，并對該太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)實驗平臺的工作原理及關(guān)鍵技術(shù)進行闡述。同時，對該實驗平臺在無輔助熱源時的系統(tǒng)運行情況進行實驗分析，說明該太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)實驗平臺的技術(shù)可行性。為下一步的實際工程應(yīng)用提供相關(guān)參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：太陽能地板輻射采暖 熱管式真空管集熱器 集熱效率 自動控制1 前言太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，用太陽能作為地板輻射采暖系統(tǒng)的熱源是太陽能熱利用技術(shù)與地板輻射采暖技術(shù)相結(jié)合的一

2、種最佳方式。本文對位于北京市昌平區(qū)的某農(nóng)村居民住宅的太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)實驗平臺的概況及關(guān)鍵技術(shù)進行說明，并對系統(tǒng)在無輔助熱源時的運行情況進行實驗分析。2 系統(tǒng)概況2.1 居民住宅概況本實驗平臺為北京市昌平區(qū)某農(nóng)村居民住宅的太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)，該住宅為四間東西向的平房（圖1），建筑面積為190m2。原圍護結(jié)構(gòu)外墻為370mm厚的普通磚墻，屋面為架空隔熱層，經(jīng)過節(jié)能分析及計算，對該住宅進行圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造，原圍護結(jié)構(gòu)外墻增加100mm厚的聚苯乙烯保溫層；屋面增加60mm厚的聚苯乙烯保溫層。外窗采用雙層玻璃的塑鋼窗。為便于設(shè)備安裝維護及實驗操作，在緊鄰住宅處新建了設(shè)備機房。且本實驗只對圖1

3、中的“房間3”進行供暖，分析該系統(tǒng)在無輔助熱源時的運行情況。圖1 居民住宅及設(shè)備機房平面圖2.2 太陽能集熱系統(tǒng)概況2.2.1 集熱器的類型與其它集熱器相比，熱管式真空管集熱器具有耐冰凍、啟動快、保溫性能好、承壓能力強、耐熱沖擊性能好、安裝簡便、運行可靠等優(yōu)點1，故本實驗平臺的集熱系統(tǒng)選用熱管式真空管集熱器。且集熱器的總面積為25.62m2。為保證各集熱器組間的流量及壓力平衡，各集熱器組間采用同程連接的方式。1 / 6集熱器組安裝于設(shè)備機房的平屋面上，安裝傾角為正南方向400。2.2.2 蓄熱水箱蓄熱水箱的大小與集熱量、換熱效率以及熱負荷的變化等因素有關(guān)，還需考慮蓄熱水箱的成本對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影

4、響。綜合考慮以上因素，本實驗平臺選擇容積為1000L的蓄熱水箱。2.2.3 集熱系統(tǒng)循環(huán)水泵太陽能集熱系統(tǒng)的流量與太陽能集熱器的特性有關(guān)，系統(tǒng)采用熱管式真空管集熱器，按每平方米集熱器的流量值為0.072m3/（m2·h）進行計算2，該系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，主要考慮克服水箱到集熱器最高點所需揚程，根據(jù)以上參數(shù)選用PUN-200E型加壓離心水泵，該泵額定流量為4.8m3/h，最大揚程為15m。2.3 地板輻射采暖系統(tǒng)的概況2.3.1 加熱盤管的選擇及布置地板輻射采暖系統(tǒng)加熱管的敷設(shè)形式采用雙螺旋型布置，設(shè)計供回水溫度50/40，管材采用交聯(lián)聚乙烯管(PE-X管)，管徑為16X2.0，布管間距為

5、200mm。2.3.2 采暖系統(tǒng)循環(huán)水泵根據(jù)加熱盤管的布置及系統(tǒng)形式，采暖循環(huán)泵選用ST20/11型屏蔽式水泵一臺，該水泵的最大流量為2.1 m3/h，最大揚程為11m。3 太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)實驗平臺的工作原理本實驗平臺的系統(tǒng)形式如圖2所示，該太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)由太陽能集熱器、集熱循環(huán)泵、蓄熱水箱、地暖循環(huán)泵、流量計、分集水器、自動控制系統(tǒng)等部分組成。如圖2所示的太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)為間接式系統(tǒng)，即集熱和采暖是兩個獨立的回路。集熱器產(chǎn)生的熱量傳遞給蓄熱水箱內(nèi)的水，當(dāng)蓄熱水箱內(nèi)的水溫達到采暖系統(tǒng)要求的水溫時，采暖循環(huán)泵啟動并進行地板輻射采暖系統(tǒng)的循環(huán)。該系統(tǒng)集熱回路和采暖回路完全獨立，

6、減少了彼此間的相互影響，同時也降低了系統(tǒng)的承壓要求3。圖中T1-T7分別為設(shè)置于太陽能集熱器供、回水管，蓄熱水箱，地板采暖供、回水管及采暖房間內(nèi)的溫度測點；流量計F1、F2分別測量集熱回路及采暖回路的流量值4。圖2 太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)原理圖4 關(guān)鍵技術(shù)4.1 系統(tǒng)的自動控制技術(shù)4.1.1 太陽能集熱系統(tǒng)采用溫差循環(huán)，當(dāng)集熱器出口溫度T1與蓄熱水箱溫度T5間的溫差大于等于7時，太陽能循環(huán)泵P1啟動；當(dāng)兩者差值小于等于3時，太陽能循環(huán)泵P1停止運行。4.1.2 當(dāng)蓄熱水箱溫度T6大于等于45且采暖房間溫度T7小于等于16時，水泵P3開啟；當(dāng)T6小于等于35或者T7大于等于20時，水泵P3停止運

7、行。4.1.3 當(dāng)T6大于等于70時，關(guān)閉太陽能循環(huán)泵P1（高溫保護）。4.1.4 系統(tǒng)采用CSG-16W型太陽能測試儀及HB404型智能功率表，對溫度、流量、功率等參數(shù)進行及時記錄。5 系統(tǒng)運行情況分析5.1 集熱器瞬時效率分析集熱器的瞬時效率采用集熱器廠家提供的瞬時效率曲線方程進行計算：a=0.768-2.361Ti*式中：Ti*基于進口溫度的歸一化溫差，Ti*=（ti-ta）/Gti 工質(zhì)進口溫度，ta 環(huán)境溫度，G 集熱器采光面上總?cè)丈漭椪斩?，W/m2通過做出不同天氣情況下的集熱器瞬時效率曲線（圖3、4、5），可以看出，隨著太陽輻射量、工質(zhì)進口溫度及環(huán)境溫度的變化，集熱器的效率呈現(xiàn)起伏

8、波動的情況。對于陰天，集熱器的日最大瞬時效率值出現(xiàn)在中午12：00左右；而對于多云天氣和晴天，集熱器的日最大效率值出現(xiàn)在下午14：00左右5。圖3 太陽能集熱器瞬時效率曲線（陰天）圖4 太陽能集熱器瞬時效率曲線（多云）圖5 太陽能集熱器瞬時效率曲線（晴天）5.2 集熱及采暖回路進出水溫變化分析通過做出不同天氣情況下的集熱及采暖回路進出水溫變化曲線（圖6、7、8），可以看出，對于陰天，集熱及采暖回路的進出水溫的最大值出現(xiàn)在中午12：00左右；對于多云及晴天，其最大值出現(xiàn)在下午15：00左右。地板采暖系統(tǒng)的供水溫度在陰天及多云情況下，大部分時間內(nèi)可達到30左右；而在晴天時，該值可達到40-50。基

9、本可以滿足房間白天的采暖要求。而隨著太陽輻射量的減少，各溫度呈現(xiàn)下降狀態(tài)。當(dāng)夜間溫度較低時，蓄熱水箱內(nèi)貯存的熱量可以繼續(xù)為采暖房間供熱，而采暖房間的圍護結(jié)構(gòu)通過節(jié)能改造后也可以蓄存部分熱量，即使在無輔助熱源的情況下，采暖房間的溫度在一段時間內(nèi)仍可以保持在要求范圍內(nèi)。圖6 集熱及采暖回路進出水溫變化曲線（陰天）圖7 集熱及采暖回路進出水溫變化曲線（多云）圖8 集熱及采暖回路進出水溫變化曲線（晴天）6 結(jié)論與展望通過該實驗平臺的運行測試結(jié)果可以看出，在采暖季的大部分時間里，太陽能集熱器的日效率都在50%左右，且太陽能集熱系統(tǒng)白天所收集的熱量可以滿足采暖系統(tǒng)白天的供暖要求。當(dāng)夜間溫度較低時，蓄熱水箱

10、里貯存的熱量可以繼續(xù)為采暖房間供熱，當(dāng)貯存的熱量不能滿足需要時，此時需要輔助熱源為采暖房間輸送熱量。本實驗平臺的運行情況分析旨在為太陽能地板輻射采暖的實際工程應(yīng)用提供相關(guān)參考依據(jù)，通過外圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造來提高采暖房間的保溫性能，同時提高太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)的利用效率，從而相對減少輔助熱源在太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)中的運行時間。使該系統(tǒng)可以更加高效的運行達到節(jié)能的目的。為太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)的下一步研究奠定基礎(chǔ)。參考文獻1 鄭瑞澄. 民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20062 何梓年，朱敦智. 太陽能供熱采暖應(yīng)用技術(shù)手冊M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20093 齊政新，陸亞俊，石磊. 太陽能地板采暖技術(shù)在農(nóng)村應(yīng)用的探討J.農(nóng)村能源，2001，44 陳戈，王如竹，代彥軍，翟曉強. 太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)的實驗與數(shù)值模擬分析J.能源技術(shù)，2005，26（2）：77-805 李德英，吳振熒. 太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)的設(shè)計研究C. 北京土木建筑學(xué)會第一屆暖通空調(diào)專業(yè)委員會學(xué)術(shù)年會論文集，2006，23-