山東省建筑設計研究院      王宗華   王慧

北京市文物建筑保護設計所      遲少靜

山東宏海卓邦置業有限公司      曹雪靜

摘   要：以煙臺招遠地區20萬平方米的住宅小區為例，設計了間接式太陽能低溫地板采暖系統，計算了太陽能系統的運行參數，并進行了經濟性分析及投資回收期計算。太陽能地暖系統的建設費用為3000萬元，是集中供暖的84%、燃氣鍋爐的125%；而一個采暖期的運行費用為422.10萬元，是集中供暖的86%，燃氣鍋爐的70%。投資回收期相對于燃氣鍋爐采暖系統僅需3.36年。因此，太陽能地暖系統應用于山東沿海地區具有可行性。從可持續發展和建筑節能的角度上，推廣太陽能在建筑中的應用具有深遠的意義。

關鍵詞：太陽能；地板采暖；經濟；節能

       0   前言

       改革開放使我國的經濟社會得到迅猛發展，成為世界上發展最快的發展中國家、僅次于美國的世界第二大經濟體。然而，經濟的飛速增長也帶來了巨大的能源消耗。煤炭、石油、天然氣等常規能源過度開采，甚至面臨枯竭的可能。面對尖銳的能源問題，研究、開發和利用可再生能源勢在必行。

       由于在總能耗中，建筑耗能所占比例高達25%~40%，而空調和采暖能占到建筑能耗的70%^[1]，因此建筑節能在國家能源節約戰略中有著重要的地位。建筑節能具有兩方面的含義，一方面是減少建筑的總能耗，二是在建筑中使用可再生能源^[2]。

       我國的太陽能資源十分豐富，年輻射總量可達3340~8360MJ/m²，相當于110~250kg 標準煤/m²，具有良好的開發利用條件^[3-4]。地板輻射采暖具有良好的熱舒適性和熱穩定性，并且可以充分利用太陽能這種低品位能量，降低采暖能耗。因此，從能源節約和建筑節能這兩個方面考慮，太陽能低溫地板采暖系統是解決建筑采暖能耗大的最佳方案。

       文章以山東煙臺招遠地區的住宅小區為例，計算了工程項目的熱負荷，設計了太陽能低溫地板采暖系統，并與進行了經濟性分析，以探討其應用于山東沿海地區的可行性。

       1   太陽能低溫地板采暖系統

       太陽能低溫地板采暖系統^[5]是一種以采集的太陽能作為熱源，通過敷設于地板中的盤管加熱地面進行供暖的系統，其組成包括太陽能集熱器、太陽能儲熱水箱、輔助能源、太陽能水泵、供暖循環泵、控制系統等主要部件。

       按集熱系統運行的方式，太陽能采暖系統可分為直接式和間接式^[6]。直接系統指的是利用水泵使水在太陽能集熱器中直接循環加熱供給使用端的系統，要求自來水水質較高，系統價復雜，造價較高；間接式系統指的是太陽能集熱器加熱傳熱工質，通過熱交換器加熱供給使用端的系統，利用水泵使傳熱工質循環加熱，易保證系統水質和防凍，管線布置靈活，系統復雜，造價高。文章介紹的工程案例采用了間接式系統。

       1.1   太陽能低溫地板采暖系統的工作原理

       太陽能低溫地板采暖系統的工作原理如圖1所示。

圖1   太陽能低溫地板輻射采暖系統示意圖

       太陽能集熱器收集太陽能的熱量，加熱集熱器中的傳熱工質。傳熱工質通過太陽能循環泵，與貯熱水箱中的低溫水進行換熱，從而使得貯熱水箱中的水溫度不斷升高。供暖循環泵將水箱中的熱水輸送到地暖系統中。同時，在地暖分水器入口側安裝溫度探頭，用以控制太陽能集熱器出水端（貯熱水箱進水側）的電磁閥和輔助熱源的工作狀態，控制地暖側供水溫度。當貯熱水箱的水溫小于采暖設定溫度時，輔助熱源開始工作，加熱水箱中的水至設定溫度；當貯熱水箱的水溫大于采暖設定溫度時，太陽能傳熱工質的電磁閥和輔助電源均關閉，使地暖側供水溫度保持在設定溫度。

       1.2   太陽能低溫地板采暖系統的計算

     （1）直接式太陽能集熱器面積計算

       式中：A_d為直接系統集熱器采光總面積（m²）；         Q_h為建筑物耗熱量（W）；J_T為當地集熱器采光面上的采暖期平均日太陽輻照量（J/m²），本工程取12900400 J/m^{2 [6}]；f為太陽能保證率（%），本工程選取30%；η_cd為太陽能集熱器采暖期平均集熱效率，本工程選取0.45；η_L為管路及貯熱裝置熱損失率，本工程選取0.15。

     （2）間接式太陽能集熱器面積計算

  

       式中：A_d為直接系統集熱器總面積（m²）；U為集熱器總熱損系數，對平板型集熱器，U可取4~6W/(m2·℃)；U_hx為換熱器傳熱系數，kW/(m²·℃)；Ahx為間接系統熱交換器換熱面積（m²）；

     （3）間接式太陽能集熱系統熱交換器設計

       ① 熱交換器換熱量Q_hx的計算

       式中：Qhx為間接式集熱系統熱交換器換熱量（kW）；k為太陽輻照度時變系數，取1.5~1.8，取高限對太陽能利用有利，但會增加造價；Sy為設計月平均單日日照時間（h）。

       ② 熱交換器換熱面積Ahx的計算

       式中：ε為結垢影響系數，取0.6~0.8；Δtj為傳熱溫差，宜取5~10℃，集熱器性能好，溫差取高值，否則取低值；ηL為貯熱水箱到熱交換器的管路熱損失率，一般可取0.02~0.05。

   （4）太陽能集熱器傾角

 

     根據相關文獻，當集熱器冬季使用時，最佳傾角為當地緯度+10º，煙臺市地處北緯37º52′，故冬季最佳傾斜角為47º52′。

     （5）太陽能儲熱水箱容積計算

       根據經驗，每平方米太陽能集熱器面積需要的貯熱水箱容積可確定如下：小型太陽能熱水系統每平方米太陽能集熱器面積對應貯熱水箱容積為40~100L，短期蓄熱的太陽能采暖空調系統為50~100L；帶季節蓄熱的太陽能采暖空調系統為1400~2100L，水箱保溫較好，系統太陽能保證率較大時宜取高值，否則按低限選取水箱容積。
     （6）供暖需水量的計算

       式中：q為采暖系統熱負荷指標（W/m²）；Cp為水的平均定壓比熱容，4.18kJ/(kg·K)；ΔT為采暖供回水溫度差（℃），低溫地板采暖供回水溫度差為8~15℃，本工程取10℃。

       2   工程案例

       2.1   工程概況

       玖都匯花園項目位于煙臺招遠市溫泉路北側，天府路西側。項目可建設用地面積11.75公頃。住宅建筑面積20萬m²，2500戶，每戶建筑面積80m²。

       2.2   負荷計算

       煙臺地區冬季室外計算參數及室內計算參數如表1和表2 所示，每戶采暖熱負荷為4kW，熱負荷指標為50W/m²。

表1   冬季室外計算參數

表2   冬季室內計算參數

       2.3   設計方案

       根據公式1~6，文章對太陽能低溫地板采暖系統的集熱器面積、熱交換器換熱量、熱交換器換熱面積、供暖需水量等設計參數進行了計算，結果如表3所示。

表3   太陽能低溫地板采暖系統的設計參數

       3   經濟性分析

       文章計算了太陽能地暖系統和其他供暖系統的建設初投資費用及運行成本，結果如圖2和表4所示。

圖2   不同供暖方式運行建設初投資費用比較

       注：民用集中供暖開戶費為78元/m²；太陽能集熱系統的造價為8000元/戶。

表4   不同供暖方式運行費用比較（一個采暖期）

       注：招遠地區集中供暖價格采用家庭收費平均價格為24.5元/m²；電價按0.675元/(kW·h)，電加熱效率90%；太陽能集熱系統承擔55%的熱負荷，其余由電輔助系統承擔；天然氣價格按3.69元/(N·m³)，鍋爐效率為85%；循環水泵的揚程30m，流量430m³/h，功率55kW，兩用一備。

       從圖2中可以看出，在建設期，太陽能地暖系統的投資費用介于集中供暖和燃氣鍋爐采暖之間，約3000萬元，為集中供暖的84%、燃氣鍋爐的125%。然而，從表3中可以得到，太陽能地暖系統的運行費用最低，為集中供暖的86%，燃氣鍋爐的70%。投資回收期相對于燃氣鍋爐采暖系統僅需3.36年。由此可知，太陽能地暖系統應用于山東沿海地區是可行的。

       4   結論

       通過對太陽能地暖系統的運行參計算和經濟效益分析可以得出，太陽能地暖系統在山東沿海地區的應用具有可行性。雖然太陽能地暖系統的建設初投資較高，但是由于其有效利用了豐富的太陽能資源，因此在取得同樣的采暖效果前提下，太陽能地暖系統最為環保和經濟。

       中國擁有相當豐富的太陽能資源，因此太陽能利用事業也擁有著極大的開發潛力和廣闊的發展前景。研究和發展太陽能與建筑一體化設計，推廣太陽能在建筑中的應用，使太陽能越來越多地為建筑服務，無論從環保節能，還是從經濟效益的角度，都具有重要的意義。

參考文獻

       [1] 江億, 楊秀. 我國建筑能耗狀況及建筑節能工作中的問題[J]. 中華建筑, 2006,2:12–18.

       [2] 聶磊. 太陽能采暖技術及其應用研究[D]. 燕山大學,2014.

       [3] 甄霞, 尹綱領. 濟南地區采用太陽能作為地板輻射采暖熱源的可行性分析[C]. 全國暖通空調制冷2006年學術年會論文集,2006.

       [4] 宋卓然, 陳國龍, 赫鑫, 等. 光伏發電的發展及其對電網規劃的影響研究[J]. 電網與清潔能源, 2013,29 (7):92–96.

       [5] 公維嘉. 太陽能地板輻射采暖在小型住戶中的應用[J]. 山東暖通空調,2010,3:50–54.

       [6] 中國建筑科學研究院. 06K503. 太陽能集熱系統設計與安裝[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2006.

備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年3月刊總第3期。
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