太阳能地板供暖系统实验研究

太阳能供暖包括以空气为介质的系统和以水为介质的系统。太阳能空气供暖系统由空气集热器、蓄热装置、风机、辅助热源以及风道等组成，与后者相比，它可以避免集热器的冻结以及腐蚀等问题，其缺点是风机电耗较高、蓄热装置的体积较大、空气渗漏较严重、集热效率较低^[1]。以水为介质的太阳能供暖系统是太阳能热水系统的进一步发展，它的集热效率比太阳能空气供暖系统高，通过适当增加太阳能集热器的采光面积，太阳能供暖系统可以和太阳能热水系统以及太阳能空调系统联合使用。目前，在十分重视环境保护的欧美国家，已经建成大批集太阳能热水和供暖于一体的复合系统。

与传统的对流散热器以及风机盘管供暖系统相比，低温热水地板辐射供暖系统（简称为地板供暖系统）是近几年才在我国应用的一种新型供暖方式。它以整个地面作为散热面，地板与室内空气进行对流换热的同时，与其他围护结构表面进行辐射换热，从而使围护结构内表面的温度升高，减少了四周表面对人体的冷辐射，提高了舒适度；地板供暖系统的优点还体现在它能利用低品位的能源作为热源，并且能使室内温度分布比较均匀、温度梯度小，是一种减少建筑能耗，提高热舒适性的较理想的供暖系统^[2]。采用地板供暖系统时其室内设计温度可以比散热器供暖方式低2～3℃，从而节约能量20%～30%^[3-4]。地板供暖由于使用地面作为散热源，所以一般要求地面温度不能过高，人员长期停留的地点，一般不能高于29℃^[5]，地板供暖的供水温度一般在60℃以下^[6]，特别适合于热源温度低的形式，太阳能由于其自身的热密度较低，集热温度很难达到较高水平，所以利用太阳能是地板供暖的最佳方式。

Flouquet等人对法国的太阳能地板供暖系统进行了理论模拟，分析认为这种系统对于中等太阳辐射强度是有潜力的^[7]。Athienitis采用显式非线性有限差分网络模型分析了太阳辐射得热量较高的情况下，地板供暖系统的热性能，该模型考虑了地板表面过热的现象，并提出地板蓄存太阳辐射得热，同时防止过热的控制策略^[8]。此外，Alkhalaileh等人提出太阳能与地板供暖相结合的系统，理论分析表明，在约旦该系统基本可以满足冬季供暖的需要，太阳能利用率可达到80%～100%，由于投资较高，该系统仅适用于区域供热系统^[9]。

我国目前已有较多太阳能地板供暖示范工程，然而，详细的实验报道以及数据分析较少。本文以上海市建筑科学研究院生态建筑示范楼为实验平台，设计并搭建了一套太阳能地板供暖系统；详细描述了冬季典型工况下太阳能地板供暖系统的运行特性；分析了环境参数对太阳能地板供暖效果的影响。

在生态建筑屋面布置150 m²真空管太阳能集热器（包括60 m²热管式真空管太阳能集热器以及90 m²U形管式真空管太阳能集热器），作为地板供暖系统的驱动热源。根据建筑使用功能以及实际的太阳能集热器面积，该地板供暖系统供暖面积为460 m²。采用德国某公司生产的cuprotherm地板供暖盘管，规格为Ф12×0.7 mm，由优质纯铜材料制成，外包一层橙色保护膜，可以抵御化学侵蚀以及机械损害。此外，该系统具有导热性好、耐老化、不渗漏等优点。地板供暖盘管安装时，在地板表面铺设30 mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板作为保温材料，以减少热损失；供暖盘管铺设好后，现浇碎石混凝土，厚度为70 mm。热量蓄积在混凝土层，而后主要以辐射传热方式传人室内。

图1为太阳能地板供暖系统流程图。选用一个容积为2.5 m³的蓄热水箱作为太阳能集热循环与地板供暖循环的中介。采集数据主要包括太阳能集热器阵列进出口温度(t₁，t₂)，地板供暖进出口温度(t₃，t₄)，蓄热水箱温度（下部水温t₅中部水温t₆上部水温t₇），太阳能集热循环流量以及地板供暖循环流量。通过控制t₁和t₅的温差控制集热循环泵的启停；通过控制t₇控制供暖循环泵的启停。

   
图1 太阳能地板供暖系统流程图

选择冬季典型工况的实验结果考察太阳能地板供暖系统的运行情况。图2为实验当天的环境温度以及太阳辐射强度变化曲线，由图可得，日总太阳辐射量为18. 25 MJ/ m²，日平均环境温度为1. 98℃。地板供暖开机温度设定为35℃。

图3和图4分别为热管式真空管太阳能集热器阵列以及U形管式真空管太阳能集热器阵列全天运行过程中的水温变化曲线。图中点1表示太阳能集热器阵列的防冻循环开启，点2表示太阳能集热循环自动开启，点3表示太阳能集热循环停止。实验表明，全天总的太阳能集热量为971.39 MJ，热管式真空管太阳能集热器阵列日平均集热效率为37.44%，U形管式真空管太阳能集热器阵列的日平均集热效率为35. 56%，二者平均为36. 29%。

图2 实验当天环境温度以及太阳辐射强度变化曲线

图3 热管式太阳能集热器阵列进出口水温变化曲线

图4 U形管式太阳能集热器阵列进出口水温变化曲线

图5 蓄热水箱温度变化曲线

图5为蓄热水箱的温度变化曲线，从图中可以看出，防冻循环使水箱中的温度降低8℃。点4表示地板供暖循环水泵自动开启，点5表示太阳能地板供暖系统停机。随着太阳能集热系统开启，水箱温度迅速升高，从图中可以看出蓄热水箱有一定的分层现象，上下温差平均约为1℃。下层水温较低主要是因为地板供暖系统回水直接进入水箱下部。而上部水温较高主要是由于太阳能集热器阵列的出水直接进入水箱上部，蓄热水箱中部与上部水温非常接近。水箱温度分布特点是由蓄热水箱的结构决定的，而这种温度分层现象有助于提高太阳能集热效率，同时可以使地板供暖保持较高的供水温度。太阳能集热系统停止运行后，地板供暖单独运行，水箱温度急剧下降，直到停机。

图6 地板供暖供回水温度变化曲线

图7 地板供暖供热量变化曲线

图6为地板供暖供回水温度变化曲线，从图中可以看出，供回水温度具有相似的变化规律，地板供暖供回水温度几乎以相同的速度逐渐上升。供水温度在14：40时达到最大值65. 76℃，之后逐渐降低，尤其在太阳能集热循环停止后，供水温度加速下降，导致供回水温差减小。地板供暖运行期间，平均供水温度为51. 17℃，平均回水温度为44. 48℃，供回水温差平均为6.69℃。地板供暖供回水温度是影响供暖供热量的决定性因素，图7为地板供暖供热量的变化规律。供暖系统运行初期，受管网热容的影响，回水温度较低，与来自蓄热水箱中的供水相比，具有较大的温差，从而导致地板供暖供热量较大，但随着系统进入稳定运行状态，供回水温差变化趋于平缓，供热量在迅速减小后，总体上与供暖供水温度的变化趋势类似，供暖系统连续运行12 h内的平均供热量为21. 74 kW，在9:00～17:00之间的工作时间内，平均供热量为25. 04 kW，单位面积平均供热量为54. 43 W/m²。

图8 地板供暖房间与非供暖房间全天温度变化曲线

通过与非供暖房间的比较，可以说明太阳能地板供暖系统的效果。图8表示了地板供暖房间和非供暖房间全天空气温度以及地板温度的变化规律。图中，t_a为环境空气温度；t_air,h,t_air,nh分别为地板供暖房间、非供暖房间空气平均温度；t_f1,h，t_f1,nh分别为地板供暖房间、非供暖房间地板平均温度。由图可见，非供暖房间的地板温度以及空气温度变化很小，对于地板供暖房间，地板温度以及空气温度随着供暖系统的运行而升高，大约在16：00达到最大值，而后由于太阳辐射照度减小，水箱温度降低，地板温度以及空气温度开始下降，但是由于地板具有较强的蓄热能力，供暖系统停止运行后，地板仍可保持较高的温度，即使在凌晨，地板温度降到最低值时，也会高于非供暖房间地板约6℃。在工作时间内，地板温度平均为23. 71℃，比非供暖房间地板高16. 10℃；空气温度平均为17. 10℃，比非供暖房间空气温度高9. 16℃，满足室内热舒适要求。

总结整个冬季太阳能地板供暖系统的实验数据表明，晴天以及多云天太阳能地板供暖系统基本可以满足室内的供暖需求。工作时间室内平均空气温度约为14. 91℃，地板平均温度约为22. 80℃。统计结果表明，冬季地板供暖的太阳能保证率约为56%。

针对日总太阳辐射量以及日平均室外空气温度两个主要的环境参数，通过大量的实验数据分析太阳能地板供暖系统的主要性能随环境参数的变化规律。图9表示蓄热水箱初始温度为35℃、日平均室外空气温度为2℃ 时，地板供暖系统性能随日总太阳辐射量的变化曲线。日总太阳辐射量直接影响太阳能集热量，太阳能集热量用来提高蓄热水箱温度，在蓄热的同时，为地板供暖提供热量，因此，太阳辐射是整个太阳能地板供暖系统性能的决定性因素。由图可以看出，地板供暖供热量随日总太阳辐射量的增加近似线性增加；日平均太阳能集热效率随日总太阳辐射量的增加而增加。

图9 太阳能地板供暖系统性能随日总太阳辐射量的变化曲线

图10表示蓄热水箱初始温度为35℃，日总太阳辐射量为18 MJ/m²时，地板供暖系统性能随日平均室外空气温度的变化曲线，由图可知，日平均太阳能集热效率随着室外空气温度的升高而升高，从而导致地板供暖供热量随之增加。此外，从图中可以明显看出，与日总太阳辐射量相比，室外空气温度对地板供暖系统性能的影响较弱。

 
图10 太阳能地板供暖系统性能随环境平均温度的变化曲线

4.1 冬季典型工况下，太阳能地板供暖房间地板温度平均为23. 71℃，比非供暖房间地板温度高16. 10℃；空气温度平均为17. 10℃，比非供暖房间空气温度高9.16℃，满足室内热舒适要求。

4.2 冬季地板供暖的太阳能保证率约为56%。

4.3 太阳辐射是太阳能地板供暖系统性能的决定性因素。与日总太阳辐射量相比，室外空气温度对地板供暖系统性能的影响较弱。

参考文献：

[1] Duffie J A, Beckman W A Solar engineering of thermal process[M]. 2nd edition New York:John Willy&Sons，Inc，1991

[2] 冯晓梅，肖勇全．低温地板辐射供暖的动态仿真[J].山东建筑工程学院学报．2002，17 (1)：18- 23

[3] 齐政新，杨基春，石磊．利用太阳能地板采暖减少建筑能耗[J].中国能源，2001(6)：28- 30

[4] Normom A B Application of radiant heating saves energy[J]. ASHRAE Journal, 1989, 31(9): 17-26

[5] ASHRAE ASHRAE Handbook-Fundamentals[M]. Atlanta: American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, 1989

[6] 齐政新，李岩．太阳能低温地板辐射采暖系统的探讨[J].煤气与热力，2003，23(5):312-315

[7] Flouquet F 0, Kernevez N.Study of the performance of the solar heating system of a multifamily building[J]. Energy and Buildings, 1976, 13(2):109-118

[8] Athienitis A K.Numerical model of floor heating system[G]//ASHRAE Trans, 1994, 100: 1024-1030

[9] Alkhalaileh M T, Atieh K A, Nasser N G, et al.Modeling and simulation of solar pond floor heating system[J]. Renewable Energy, 1999, 18:1-14

*国家科技支撑计划(编号：2006BAA04803)和上海市科委科研计划(编号：07D212022)资助