太阳能在别墅地暖系统中的设计与分析

摘要：从节能环保角度出发，以上海某别墅建筑为实例，分析太阳能集热技术与地板辐射采暖系统相结合的可行性、节能性和经济性。

关键词：太阳能集热；别墅地暖；节能

1. 引言

地板辐射采暖系统（简称地暖系统）是指采暖空间所需要的热量是由置于地板内的供热系统提供的一种供暖方式。与传统的散热片系统相比，地暖系统更符合人体舒适度的要求，也成为国内夏热冬冷地区冬季采暖的重要途径之一。

太阳能作为一种清洁的可再生能源，已经成为重要的能源之一；随着技术的不断发展，人们对太阳能集热技术的运用也越来越广泛。下面以上海某别墅建筑为例，探讨太阳能集热技术作为辅助热源与地暖系统的结合。

2. 别墅地暖系统

通常别墅建筑为单元式建筑，建筑面积较小且具独立性，屋顶多为平面或斜面。同时，别墅建筑与其他住宅或商用建筑相比，建筑高度要低得多，并且别墅周边空间大，在自然光利用方面条件优越。因此适合采用太阳能系统和中央制冷采暖系统。

地板辐射采暖是以55℃左右的热水，在埋置于地板下的盘管系统内循环流动，加热整个地板，通过地面均匀地向室内辐射散热的一种供暖方式。它的主要特点是：

1.房间温度分布均匀，给人以脚暖头凉的舒适感觉，符合人体的生理学特点；

2.高效节能，节约能源。由于采暖的辐射面大，相对要求的供水温度低；

正是基于以上原因，太阳能集热系统作为别墅供暖的热源才成为了可能。

3. 太阳能集热技术

目前国内的太阳能集热器主要有全玻璃真空管集热器、平板型集热器等。

全玻璃真空管集热器的使用寿命较低，系统的可靠性并不高，而且后期的清理比较困难，水垢的存在容易使得热量在某处聚集，导致传热不均匀，效率衰减严重。

在本方案中，将采用新型回流式平板太阳能集热器，具有集热快、承压高，耐热冲击性能好等特点。太阳能集热系统不工作时，集热板及管路中为空气，太阳能循环液（即加热媒介）回流到储水箱内盘管；系统工作时，系统循环泵启动，将太阳能循环液输入管路及集热板，空气循环到水箱内盘管上部，从而推动循环液的流动，对水箱中的水进行换热，达到加热的目的；系统工作结束后，太阳能循环液再次回流到水箱盘管中，也避免了系统发生冰冻或是过热爆管的现象。

4. 项目概况

该别墅位于上海市，包括地下部分在内一共4层。具体信息详见下表：

序号 项目 内容

1 建筑朝向 南

2 建筑面积 520平方米

3 建筑高度 12m

4 地上层数 3层

5 地下层数 1层

6 屋顶形式 尖顶

7 设计温度 冬季：22℃

8 电价(元/kWh) 峰：0.617；谷：0.307

9 天然气价格(元/m³) 2.1

10 常住人口 3-4人

该别墅的建筑面积约为500平方米，其中一层至三层业主需要地暖。原计划采用燃气锅炉提供采暖热源，另外设计容积式集热器或是采用燃气锅炉带储水罐的形式提供生活热水。从安全性及节能环保考虑，拟采用太阳能集热与燃气锅炉联动的形式进行供暖和生活热水供应，实际运行时，优先使用太阳能，燃气锅炉作为补充。

5. 具体设计

5.1负荷计算及管路配置

5.1.1 采暖热负荷

首先需针对该别墅的需求，根据行业规范要求，对所需的采暖热负荷进行计算。

根据上海地区冬季气候特点、住宅设计规范、以及现行的地面辐射供暖技术规程，采暖季中平均单位热负荷的数值为100~120W/m2；同时根据各个房间的采暖面积的大小，对采暖盘管的分配布局进行设计调整，同时对各个区域的温度控制做出布置，尽可能满足业主的生活习惯和舒适要求。具体计算及配置详见下表：

序号 楼层 区域 面积 单位负荷 总负荷 管道 温控 分水器

m2 W/m2 W 路 只 型号

1 一

层 餐厅+娱乐区 35.6 120 4272 4 1 7+7

2 厨房 4.2 120 504 ―― ――

3 卫生间1+玄关 12.2 120 1464 ―― ――

4 客厅 33.7 120 4044 3 1

5 二

层 卧室1 15.1 120 1812 2 1 7+7

6 卧室2 10.7 120 1284 1 1

7 书房+起居室 15.6 120 1872 2 1

8 外卫 3.2 120 384 ―― ――

9 主卧+更衣室 17.5 120 2100 2 1

10 内卫 4.6 120 552 ―― ――

11 三

层 女儿房+内卫 24.4 120 2928 2 1 2+2

12 过道 2.4 120 288 ―― ――

合计 179.2 21504 16 7

通过上表可知，在采暖季中，该别墅的设计热负荷为21.6kW。

5.1.2. 生活热水负荷计算

根据设计要求，生活热水温度取40℃，别墅中的主要的热水用水点如下表所示：

楼层 热水用水点

地下室 洗手池×1

1层 厨房水池×1，洗手池×1，淋浴×1

2层 洗手池×2，淋浴×2，按摩浴缸×1

3层 洗手池×1，淋浴×1

由于不同的用水设备的水流速不同，导致了不同的用水设备对热水出水流速有不同的要求，根据建筑给水排水设计规范，洗手池龙头的一次用水量为2L，淋浴的一次用水量为80L，浴缸的一次用水量取150 L，水温为40℃。

考虑到常住人数为3-4人，预计每天使用洗手池龙头8~12次，浴缸使用0~2次，淋浴使用2~4次，预计每日40℃的热水用量为：

2 L×(8+12)/2 +80 L×(2+4)/2+150 L(0+2)/2

=20+240+150=410L

由于太阳能集热器的最高供水温度可以达到75℃，因此预计每日75℃热水的实际需求量为：

Q=410L×(40-5)/(75-5)=410×35/70=205 L

考虑到现场的实际安装条件，仅能安装1个250L的高温热水蓄热水罐，因此根据上面的数据，可知为满足410L的40℃生活热水，250L的蓄热水罐中的最低水温为：

410×35/250+5=62.5℃，考虑到蓄热水罐的热损失，建议最低温度为65℃。

5.2 热源设计及选型

5.2.1 太阳能集热系统的设计选型

由上述计算可知159L的95℃高温热水可以产生410L的40℃生活热水。但是选取太阳能的储水罐型号却不能以这个数据为准，因为在本系统，太阳能集热系统还将承担部分采暖热负荷。因此，太阳能集热系统集热面积可按以下公式进行计算：

式中：

Ac ――系统集热面积，；

Qw ――日均用水量，250kg；

tend――水的设计温度（出水温度），75℃；

Cw ――水的定压比热容，4.18KJ/（•℃）；

ti ―― 水的初始温度，5℃；

Jt ――日平均辐照量；14MJ/；

f ――太阳能保证率，无量纲；0.5

ηcd――集热器全日集热效率（实验测量值）；0.5（厂方提供）

ηl ――管路及储水箱热损失率，0.2；

K ――间接系统的补偿系数，1.01

计算得出：Ac=6.59m2

由于所用产品的集热板的有效集热面积为2.33m2，因此，太阳能集热板的数量为：

6.59m2/2.33m2=2.83

所以，可选取250L储水罐，配套3块集热板。

5.2.2 燃气锅炉的选型

燃气锅炉的选型应考虑整个别墅采暖需求的最大值。考虑到燃气锅炉的实际热效率约为80%，则需要的燃气锅炉额定输出功率为：

Q额定= Q÷=21.6÷80%=27 kW

因此，选取额定功率为28kW的燃气锅炉作为采暖系统的辅助热源。

5.3 系统的主要构成以及安装示意图

通过以上数据的计算分析，本别墅采暖系统的设计思路是：选用太阳能集热系统和燃气锅炉双热源，冬季采暖时，当蓄热水箱中的水温超过65℃时，多余的热量可以为别墅采暖提供热量；当水温低至65℃，则停止使用蓄热水箱内的热水为别墅进行供暖。在日常的使用当中，生活热水蓄热水罐内水温较低时，也可以启动燃气锅炉加热生活以满足正常使用需求。系统原理图如下所示：

关于太阳能系统和燃气锅炉的安装位置，根据建筑的设计布局，将燃气锅炉和太阳能站以及储水罐均设置在别墅一层的洗衣房中，太阳能集热板则安装在斜面屋顶处。大致的系统示意图如下：

5.4 太阳能采暖的经济性分析

太阳能具有很强的季节性，夏天日照时间长，强度高，冬季日照时间短且强度较弱。所以在非采暖季节，太阳能集热器的经济性优势十分显著，基本可以承担日常生活热水的供应。一旦遇到连续阴雨天气等极端气候，也可以利用燃气锅炉进行加热。由于太阳能系统的运行时间与采暖系统的使用时间存在交错性，如太阳能集热板的运行集热时间主要在白天(8 :00~17 :00)，而采暖系统的使用时间大多集中在17 :00至次日8 :00 间的15小时之间，这就使得在天气状况允许的情况下，太阳能集热器在白天进行集热换热，为夜间的采暖所需能量进行储备，从而达到节能的效果。因此在冬季晴好时，日常的热水供应及部分采暖负荷可以由太阳能集热器完成。

目前该别墅项目已完成施工，尚未投入使用。但是可以为其初期成本投入和后期的使用成本做个预估，与传统的燃气锅炉供热系统相比，有着很好的经济性，如下表所示：

热源 系统初期投入成本 采暖季使用成本 非采暖季使用成本

太阳能+燃气锅炉 70000 20元/天 0元/天

燃气锅炉 62000 30元/天 6元/天

上海地区的采暖季一般为11月~来年3月，约为5个月（150天），非采暖季为3月~11月，约为7个月（210天）。则根据上述表格中的数据，预计增加投入的投资回收期为3年以内。在节省运行费用的同时，增加了别墅供热系统的安全性，也减少了对环境的污染。

6. 结语

太阳能集热技术与地板辐射采暖系统的结合技术日益成熟, 在欧洲已规模化应用,比较适宜低层节能建筑；从实际的计算分析结果来看，投资回收期合理，节能效果明显，而且环保效益显著。

就目前的太阳能产品而言，新型回流式平板太阳能集热产品的性能高于全玻璃真空管太阳能产品，使用寿命长且安装运输相对便捷，在此，希望国内的平板式太阳能产品能有新的突破，拥有和进口平板式太阳能产品抗衡的实力，这样，太阳能地板辐射采暖系统就可以在国内得到更好的使用和推广，被越来越多的用户接受。

参考文献

[1].《采暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019-2003）.北京：中国计划出版社，2003

[2].郑瑞澄.《太阳能低温热水地板辐射采暖》

[3].葛新石等.《太阳能工程》北京-学术期刊出版社.1998

[4] 徐培富. 国内太阳能热利用简况[J ] . 能源工程,2002.

[5] 钱思洁. 关于太阳能系统设计[J ] . 安徽建筑,1998 ,5.

[6] 德国威能产品技术手册，2011版

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。