严寒地区太阳能地板辐射供暖研究

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1、严寒地区太阳能地板辐射供暖研究吉林建筑工程学院刘晔长春工程学院张自国摘要本文在理论研究的基础上，建立了实验系统对严寒地区利用太阳能在冬季供暖的可行性进行研究。经过一个采暖季的实验研究证实，太阳能地板辐射采暖在严寒地区是可行的，能够节约能源，且在4年内可以收回投资。关键词严寒地区；太阳能；地板辐射；供暖0引言随着经济的快速发展，能源消耗的激增，传统能源的蕴藏量已经不能满足发展的需要。世界正面临着前所未有的能源危机。人们迫切的希望找到新的能源来代替传统化石类能源，太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能和氢能等新能源和可再生能源的开发利

2、用得到了很大的重视。传统能源的开发和利用，是造成大气和其他类型环境污染与生态破坏的主要原因之一。目前全球气候变暖主要是由燃烧化石类能源排放的CO2等温室气体所造成，因此，限制和减少温室气体的排放成为国际社会减缓全球气候变化的重要组成部分。作为清洁干净，只有很少的污染物排放的新能源和可再生能源将成为人类社会未来能源的基石[1]。太阳能用之不尽取之不竭占有举足轻重的地位。虽然人们在太阳能利用的道路上经历了很多波折，但是太阳能利用的脚步始终没有停止。1太阳能地板辐射采暖系统每年我国建筑能耗占全国总能耗的27.6%，且仍将继续增长，其中北

3、方地区供暖能耗占全国建筑总能耗的36%，约合1.3亿吨标煤/年[2]。以煤炭、石油和天然气为主要能源的时期，将是一个不太长的历史时期，它们终将走向枯竭而被新能源取代，保护好人类赖以生存的地球生态环境，已成为全球的重大课题。因此，在我国北方严寒地区开发利用太阳能供热，不仅可以节约建筑采暖消耗的化石能源[3]，而且还可以减少造成环境污染物的排放，具有显著的社会、经济和环境效益。虽然人类利用太阳能的历史已非常久远，但是作为一种洁净、可再生的能源，再加之新技术的应用，越来越被人们重视。但是太阳能资源也存在着相当严重的缺点和问题：分散性到达

4、地球表面的太阳辐射能的总量尽管很大，但能流密度却很低；间断性和不稳定性，由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔等自然条件的限制，利用太阳集热器对环境的要求也比较高，在夜晚和阴天阳光少的天气里会受到限制如果用太阳集热器加热水，以水为媒介为室内供热，在夜晚或阴天阳光少的时候，只能用白天储存在蓄热水箱内热水进行供暖，如果水温达不到供暖需要的温度则需要用辅助热源提高水温。如果采取一种供回水温度较低的采暖方式与太阳热水器联合的供暖方式则可以减少使用辅助热源。近几年在我国北方出现的低温地板辐射采暖方式是一种比较理想的选择。地板辐射采暖是一种热媒温

5、度为30~60℃的采暖方式。与传统采暖方式相比，地板供暖系统供水温度低，加热水消耗的热量少，输热过程热损失也少。地板采暖主要依靠辐射传热，提高了室内平均辐射温度，使人体辐射散热大量减小，增强了人体舒适感，因此室内作用温度比采用散热器时低1～2℃[4]。特别是地板埋管的水媒辐射采暖，由于混凝土热容量大，采用间歇采暖时室温波动小，因此太阳能适用于地板辐射采暖系统[5]，其原理如图1-1所示。图1-1系统原理2太阳能地板辐射采暖系统理论研究太阳能供暖系统由集热器、蓄热器、辅助热源、控制器以及热用户等主要部分组成。2.1集热器面积的确定对

6、于吸热表面，热平衡可知（+）-（+）=（2-1）其中：太阳辐射得热量：（2-2）天空辐射得热：（2-3）对流失热量：(2-4)表面辐射失热量：(2-5)可利用的太阳辐射热为：(2-6)根据有关文献[6]介绍真空管太阳集热器的吸收率=0.92～0.94，发射率=0.07～0.08。太阳热水器吸收的可用能量应当等于用户热负荷即：(2-7)在实际条件下，在严寒地区全部用太阳能供暖实现不了。这里引入太阳能保证率的概念：供热负荷中太阳能获得热量所占的百分数，用表示则有：(2-8)则有：(2-9)最终可由(2-9)式来确定集热器的面积。2.2

7、蓄热器的选择蓄热器是太阳能供暖系统中非常重要的设备，蓄热器有很多种形式,国外对太阳能热水供应与供暖联合系统的蓄热器做过实际研究。房间的总负荷（2-10）设蓄热器（也亦贮热水箱）体积为，在系统质量流量一定的情况，太阳能供暖占全部供暖负荷的比例可以表示为太阳能循环时间占系统总循环时间的比例，则有：（2-11）将式（2-10）代入式（2-11）中可得：（2-12）式（2-12）中温差直接式系统取5～15℃，考虑到系统应对阴雪天的能力上式按蓄存两天的热量计算则有：（2-13）增大了蓄热器的体积系统在运行前需要的蓄热时间要延长。2.3辅助热

8、源的确定在严寒地区只靠太阳能供暖在我国现有的条件是不能实现的，所以必须有其它的热源来补充由太阳能承担的供暖负荷以外的那部分负荷。目前，可实现与太阳能联合供暖的热源有很多如太阳能辅助电采暖、太阳能辅助燃油锅炉采暖、太阳能辅助燃气锅炉采暖等。辅助热源热