太阳能地板采暖系统在农村地区的应用

太阳能地板采暖系统在农村地区的应用2009-11-06山东大学能源与动力工程学院陈文文韩吉田摘要:本文根据我国北方农村住宅相对分散和太阳能资源比较丰富的特点，提出了一种适合我国北方农村住宅的太阳能地板辐射采暖系统。以泰安地区农村住宅为例，对太阳能地板辐射采暖系统进行了分析计算、设备选型和系统集成，并对采暖系统的运行模式进行了探讨。关键词:太阳能地板辐射采暖真空集热器供热系统1.引言我国北方农村的冬季采暖是一个尚未很好解决的问题。我国70%的人口生活在农村，冬季基本上仅靠生火炉等方法维持室内的温度。农村地区住宅比较分散，不太容易通过传统的采暖方式供暖，而我国的能源和环境现状也决定了不可能在广大的农村地区采用传统能源来解决采暖问题。我国幅员辽阔，有着丰富的太阳能资源，农村住宅比较独立分散，可供太阳能集热的空间很大。因此，在农村地区采用太阳能采暖具有良好的发展应用前景。由于我国农村地区经济比较落后，因此，如何发展适合农村特点的价格低廉的太阳能采暖系统具有特别重要的意义。太阳能地板辐射采暖因其具有良好的节能和环保等优点而日益受到人们的重视。太阳能地板采暖系统的工作原理是，太阳能集热器接受太阳辐射，并加热集热介质，将太阳辐射能转化为热能，并储存在蓄热水箱中，水箱中的水在循环泵的作用下，进入供暖地板的管子中对房屋供暖。如图1所示，典型的太阳能地板辐射采暖系统主要由太阳能集热器、蓄热水箱、辅助热源、埋入地板的地热盘管及控制装置等组成。由于太阳能具有不稳定性，阴天下雨及光照不足时，需要采用辅助热源。图1太阳能地板辐射采暖系统图2.太阳能地板辐射采暖在农村地区的应用本文以泰安市的农村为例讨论太阳能地板辐射采暖在农村住宅的应用。泰安位于山东省中部泰山南麓，四季分明，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季晴和气爽，冬季寒冷少雪，空气质量优良天数达350天左右。泰安地区全年平均日照数2600小时以上，年平均太阳辐射总量为6000MJ/m2a,太阳能资源属中等偏上地区。由于泰安地区冬季比较寒冷,每年用于采暖的能耗占该地区全年总能耗的20%左右。因此，利用泰安地区丰富的太阳能资源替代传统的采暖能源,不仅可以减少燃煤和燃气等燃料的消耗量，还可以大幅度减少当地的大气污染。泰安地区冬季较寒冷，太阳能集热系统有冻结的可能，所以集热器内的循环介质应加入防冻或采用防冻油等措施，避免集热器被冻坏。由于太阳辐照的不稳定性，为了能够使系统稳定运行，从经济性和实际应用考虑，采用间接式加热系统较好。即太阳能集热系统和采暖系统要利用换热器进行热量交换。为了保证阴雨天及夜间系统的正常运行，必须配备相应的蓄热装置。由于农村地区经济比较落后，因此在选用蓄热设备时可选用较经济实用的蓄热水箱和其他辅助热源。2.1集热器的选择和面积计算农村住宅的特点是门户独立和分布比较分散，因此，农村住宅太阳能地板辐射采暖宜采用独立供暖系统。2.1.1集热器的选择从农村地区实际出发，应该选用符合采暖要求的最经济的集热器。平板形集热器的价格相对较低，并且平板集热器整体性好，寿命长，故障少，安全，成本造价低，采用排空防冻技术，能很好地解决冬季冻裂的问题。又地板辐射热媒的温度较低，一般低于60℃，根据目前太阳能集热器的实际使用情况，泰安地区安装的太阳能集热器冬季集热温度能够达到45℃，可以达到供暖的要求。平板型集热器能够提供符合地板辐射采暖所需参数的热水。因此在农村地区的太阳能地板辐射采暖系统使用平板型集热器，既能满足地板采暖的热水参数的要求，又适合农村较落后的经济水平。2.1.2集热器的面积计算常用的确定集热器面积的方法主要有下述两种。方法一:先计算出建筑物的日供暖热负荷，然后通过热工计算，算出提供这些热量所需要的热水量，再根据集热器热平衡方程式得到单位面积集热器的日产热水量，即可以计算出集热器的面积。方法二:与方法一原理相似，只是计算过程中思路稍有不同。先根据建筑物的采暖面积确定采暖热负荷Qd，这些热量由集热器供给，计算出单位面积集热器的集热量Qt,采暖热负荷与单位面积集热器集热量的比值就是所需集热器面积。本文采用方法二计算集热器的面积。计算过程如下：在工程中建筑物辐射采暖设计热负荷可以近似按下式计算：式中，Qd全面辐射采暖的设计耗热量，W；F是建筑物的采暖面积，m2；Φ是修正系数，这里取0.85；QF是住宅面积热W/m2；nch是通过窗户传入室内的热量相当于采暖负荷的百分数。泰安冬季采暖室外计算温度为-7℃，室内设计温度为18℃，住宅面积热指标取为54W/m2。考虑到泰安地区冬季晴朗天气较多，假设通过窗户传入室内的热量相当于采暖热负荷的30%，需要采暖的房间面积为120m2，则该建筑物的设计热负荷为：集热器每天的集热量为:所需要的集热器面积为：式中,Qt--集热器的集热量,W/m2；I--太阳辐射平均日总量,W/m2；ηt--集热器效率；%,查阅各厂平板家集热器的样本,其热效率最小为52%；Qd--日负荷，Wf--所需集热面积，m2。利用上面的公式，根据相关资料查出太阳辐射量，计算得到集热器的面积为3.2m2。表1集热器面积计算结果2.2蓄热水箱的选择设计和计算蓄热水箱容量的大小与集热器面积及集热温度有关，1m2集热器所需蓄热水箱容积大约是50～100L。因此，该建筑采暖所需蓄热水箱容积为。本系统选用垂直分层水箱。垂直分层水箱的工作原理是利用水在不同温度下的密度差，实现同一水箱可以产生不同的温度分区，即低温的水位于水箱底部，高温的水位于水箱上部，并可以相互不掺混，垂直分层水箱能够提高整个系统的性能。分层水箱下部的水与集热器内的工质进行换热，因为分层水箱底部的水温最低，这样就降低了集热工质的温度，因此能够提高集热器的效率。同时上层温度较高的水进入采暖盘管用于采暖。分层水箱不但可以提高整个系统的性能，还为太阳能地板采暖系统在热量充裕时提供了供应生活热水的可能性，便于系统以后的改造。2.3辅助热源辅助热源的选取要符合农村的实际。虽然当前农村地区普遍通电了，但本系统的辅助热源选择电加热是不合适的，同样采用燃油燃气锅炉也不可行。在北方的农村人们冬季取暖、做饭大多是用火炉，火炉中使用的燃料一般都是农作物秸秆、树枝等，也有用煤的。因此本系统中的辅助热源可以优先考虑采用火炉。当阴天、下雨、下雪的时候太阳能不足以供暖，可以用火炉加热水来供暖，做饭时排放的废热也可以被充分利用。对于采用沼气的地方，也可以用沼气作为辅助热源。2.4太阳能地板采暖系统的运行模式图2是太阳能地板采暖系统采用的布置方式。平板集热器放置在屋顶上，接受太阳辐射以加热水，被加热的水进入蓄热水箱，蓄热水箱放置在室内以减少散热损失，蓄热水箱中的水进入采暖地板的管子中，以辐射的形式加热室内空气进行采暖。当光照不足时，辅助热源启动。(系统中的蓄热水箱是分层水箱，图中未表现出来)1.集热器2.膨胀水箱3.蓄热水箱4.集热循环泵5.辅助热源6.三通阀7.采暖循环泵8.采暖盘管图2太阳能地板辐射采暖系统图系统可采用温差控制方式。当集热器出口水温高于蓄热水箱水温时，集热循环泵运行，水进入集热器进行集热，当集热器出口水温低于蓄热水箱温度内的水温时，集热循环泵停止运行。采暖部分采用恒温控制，当室内温度低于设定值如18℃时采暖循环泵打开，蓄热水箱的水进入采暖地板。若蓄热水箱中水的温度低于设定值如30℃时，采用辅助热源为系统提供热水。在夜晚、阴雨雪天等温度较低而有可能发生冻结的时候，集热部分不运行，此时应及时排空集热器内的水，避免集热器被冻裂。3.结束语本文提出了一种适合我国北方农村住宅的太阳能地板辐射采暖系统。以泰安地区农村住宅为例，对太阳能地板辐射采暖系统进行了分析计算、设备选型和系统集成，并对采暖系统的运行模式进行了探讨。太阳能地板采暖可望为解决农村住宅的冬季采暖难题，提高农民的生活质量，和推动我国的新农村建设开辟了新路，具有良好的发展和推广应用前景。参考文献1.王子介.低温辐射供暖与辐射供冷.北京:机械工业出版社,20042.郑瑞澄.太阳能低温热水地板辐射采暖.太阳能,2003,(1):14-153.朱敦智.太阳能采暖技术在新农村建设中应用.农业工业学报，2006,22(增1):167-1704.刘小春.泰安地区利用太阳能采暖的技术经济分析.节能技术，2006,24(4):354-3565.齐政新.陆亚俊.太阳能地板采暖技术在农村应用的探讨.RURALENERGY，2001,(4):8-106.萧震宇，王菲.低温地板辐射供暖动态特性及调节研究.建筑热能通风空调，2004,23(5):74-767.梁晶，贾新民，高山.太阳能在低温热水地板辐射采暖中的应用.建筑科技，2003,(5):91-93