太阳能地暖系统设计

太阳能地暖系统 尚而特科技发表于2010年04月23日 地暖，全称为低温热水地板辐射供暖，具有高舒适性、卫生、安全、节能、有益身体健康等优势，早已得到人们的普遍认同，并被广泛地应用于住宅、公寓、别墅、老年社区、幼儿园以及宾馆大厅、游泳池等众多场所，地暖正逐渐成为未来建筑采暖的趋势。 采暖在国内建筑用能中占据较大份额，北方地区采暖占家庭能耗的一半以上，同时利用原煤作为采暖能源是造成冬季大气污染的主要根源。因此，减少和替代采暖用煤最有效的途径是推广使用太阳能采暖等可再生能源技术。太阳能采暖在欧洲等发达国家已大规模推广，已成为太阳能热利用新的应用领域。欧洲到2005年共安装1536万m2太阳能集热器[1]，采暖系统使用集热器约占集热器总量的20%，每年新建太阳能采暖系统约12万个，每个系统可节约常规能源20%~60%。根据国内太阳能市场的发展经验，太阳能供暖必将成为继太阳能热水器、太阳能光电之后的第三次太阳能应用浪潮。 太阳能采暖系统的设计 太阳能采暖系统是利用太阳能集热器收集太阳能并结合辅助能源满足采暖和热水的供热需求的系统，因此常称为太阳能联合系统(Solar Combisystem)。 如图1，太阳能采暖系统主要由三部分构成:?热能提供部分，即太阳能集热器和辅助能源;?储热和换热设备;?热能利用部分，提供生活热水和采暖。 图1太阳能热水/采暖联合系统 太阳能采暖系统与太阳能热水器相比存在以下差异:?采暖负荷在不同月份变化很大，热水负荷四季差别较小;?热水系统进水温度较低，供水温度较高，而采暖系统供回水温差较小;?太阳能与采暖负荷存在明显矛盾:太阳能辐照强度高的月份(3~10月)不需要采暖，太阳辐照强度高的白天采暖负荷较夜 晚低。由于太阳能采暖系统和热水系统存在以上差异，因此在采暖系统设计中不能简单把热水系统放大，必须考虑以下几个方面:?辅助能源;?太阳能保证率;?系统的防冻问;?系统的过热问题;?换热系统的设计。在系统设计中，尤其需注意系统的过热问题和换热水箱的设计。 1.1辅助能源 太阳能辐照强度随着时间、季节和天气是显著变化的，大部分的太阳能采暖系统需配备辅助能源系统，当阴天、夜晚等太阳能满足不了采暖需求时，由辅助能源系统提供全部或部分热能。 辅助能源系统有:?燃煤锅炉;?燃油或气锅炉;?电锅炉;?生物质锅炉;?热泵热水机等。以上辅助能源按出力调控方式不同分两类:一类是可及时控制的能源，如燃油或燃气锅炉、电锅炉和带燃烧器的生物质锅炉;另一类是非及时控制的能源，如燃煤锅炉和烧劈柴锅炉、热泵热水机等。在采暖系统设计中，对于非及时控制的辅助能源，可以利用容量较大水箱进行储热缓冲，保证采暖系统进水温度波动较小，提高采暖的舒适度和便于对水泵和控制阀等部件的控制。 1.2太阳能保证率 太阳能保证率是指太阳能提供的能源占系统热水和采暖所需总热量的比例。对于太阳能采暖系统，其保证率一般在20%~60%，国外也有一些系统采用季节性储热办法达到很高的太阳能保证率，甚至实现热水和采暖所需的热量全部由太阳能提供，但从系统投资回报来说，太阳能保证率在30%~50%比较好。对于太阳能保证率较高的系统，必须考虑储热问题，但季节性储热会大大增加初投资。 1.3系统的防冻问题 太阳采暖系统是一个四季运行的系统，系统须考虑冬季的防冻问题，采取的有:?集热器回路传热工质采用防冻液;?落水式排空防冻系统;?夜晚利用储热水箱中热水回流集热器防冻;?敷设电热带防冻。 1.4系统的过热问题 采暖系统集热器面积较大，非采暖季节会出现太阳能得热量远大于供应热水所需要热量，因此会出现过热问题。如果设计不当，会造成系统温度高于系统部件工作允许温度，导致部件寿命缩短和连接件漏水，甚至会产生安全问题。解决系统过热的措施有:?集热器排空;?集热器闷晒运行;?设计散热系统，以保证系统在安全温度下运行。 1.5采暖系统的储热水箱 太阳能集热系统、热水系统和采暖系统对工作温度要求是不同的:太阳能集热系统的工作温度越低，热效率越高，因此系统设计中应尽量降低太阳能集热系统工作温度，太阳能采暖适宜采用低温地板采暖系统，供水温度在40?左右;生活热水供水温度为50?~60?。为实现不同的供水温度要求，太阳能采暖系统一般采用垂直分层水箱。垂直分层水箱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时，并可以相互不掺混。分层水箱下部布置与太阳能集热器相连的换热器;中部水温适合于采暖，与采暖系统相连;上部水温最高，布置生活热水的换热器。 1.6系统换热设计 太阳能采暖系统之间换热利用换热器实现，换热器种类有:?盘管式换热器;?套筒式水箱壁面换热;?板式换热器。盘管式换热器是太阳能采暖系统使用最广泛的换热方式，目前使用的有铜管、不锈钢波纹管和耐高温塑料管，为提高换热能力，很多厂家使用外翅片管;套筒式水箱是把生活热水水箱放置在储热水箱中，利用内置生活水箱的壁面进行换热;外接板式换热器一般适合集热器面积较大的系统，换热器两侧的工质采用强制循环，优点是换热能力不受换热水箱大小的制约，换热温差较小。 1.7采暖系统的控制 采暖系统的控制主要是根据系统各部分的温度控制水泵和阀门。例如:?集热器回路控制:当集热器出水温度高于储热水箱的换热器处水温时，开启集热器系统循环水泵，否则关闭;?防冻控制:当集热器进水温度低于设定温度(如4?)，开启水泵进行温循环防冻或排空系统工质;?防过热控制:当储热 水箱温度高于设定温度(如75?)，关闭集热器系统循环水泵使集热器系统进入闷晒运行或启用其他防过热措施。 1.8集热器的选择 国外的太阳能采暖系统主要采用平板型集热器，并且其应用还在不断发展壮大，平板太阳能集热器在国外能获得快速的发展和应用，究其原因主要有下面几点: (1)平板太阳能集热器能承压、寿命长、容易组成二次回路系统。国外的太阳能热水器基本上都是双回路承压型分体结构。真空管太阳能热水器若制成承压分体结构产品后,其成本将显著高于平板型产品。相对而言平板太阳能热水器将更受用户欢迎。 (2)平板太阳能集热器容易与建筑结合，安装后能保持建筑的美观。建筑设计师容易接受以平板型太阳能集热器与建筑结合的一体化方案。 (3)平板型太阳能集热器多以铜铝等金属材料为主,其产品材料回收利用率高。 (4)产品热性能好。国外平板型太阳能集热器已研发多年,其产品热性能已接近或等同真空管太阳能集热器。 (5)平板型太阳能集热器和热水系统安全可靠,有效采光面积大，热效率高。国外平板式太阳能热水主要用于热水和采暖。可靠是必要的条件。此外,在同等输出功率条件下，平板太阳能集热器占地面积小(真空管之间有空隙占地面积较大)。