關于太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統的探討

文/單天紅 中天偉業（北京）建筑設計事務所有限公司 北京 100000

關于太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統的探討

文/單天紅 中天偉業（北京）建筑設計事務所有限公司 北京 100000

太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統的熱源來源于太陽能熱泵，末端就是地板輻射采暖系統，是一種新型的供暖系統，本文圍繞該系統，對它的工作原理、主要特點、設計方法等內容開展了具體討論。

太陽能熱泵；低溫；地板輻射供暖系統

當前，能源供應緊張已經是全球經濟發展面臨的共同問題。為了緩解能源供應緊張的趨勢，開發可再生新能源的需求也越來越迫切。太陽能是一種新型的可再生能源，具有普遍性、清潔性、可再生性等顯著優勢，經濟利用價值高，所以開始在建筑節能系統中被廣泛應用[1]。要對太陽能進行高品質和高效率的利用，就需要借助熱泵技術。為了進一步提高建筑供暖系統的合理設計，本文對太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統從如下方面展開了具體分析。

一、太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統概述

（一）結構組成

集熱系統、熱泵機組、低溫輻射地板供暖板塊、蓄熱設備和控制系統是該系統的五大組成部分。其中，集熱系統包含了多個結構，如太陽能集熱器、集熱水泵、蓄熱器、輔助性熱源和相關的管路設備等。供熱環路則是由循環水泵、地熱盤管、集水器、分水器以及相關的管路設備等共同組成[2]。熱泵裝置和太陽能集熱系統的連接主要是有三種方式：并聯式、串聯式及雙熱源式。在這三種熱泵中，熱源分別為太陽能、環境空氣、太陽能和環境空氣兼而有之。

（二）工作原理

我們圍繞熱泵，對該系統的熱源供應、熱能蓄積和熱量釋放這一基本運行的流程進行說明。在晴朗的白天，太陽的輻射產生的熱能經過轉化之后，就可以由集熱器中的載熱介質(一般為水、空氣及防凍液等)吸收，然后進入到蓄熱的水箱中。水箱中設有換熱盤管，在該裝置的作用下，一部分熱能可以傳送給蓄熱介質[3]。當這些熱能進入到蒸發器之后，就會和熱泵進行熱能交換，通過熱泵循環就可以實現熱能的供應。即熱介質的溫度下降后，經過管道泵，就可以返回到集熱器，完成循環過程。

在晚上或者陰雨天氣，蒸發器中流出的載熱介質就不會經過集熱器，而是會經由旁邊的管道進入蓄熱的水箱，吸取足夠的熱量之后，就會回到蒸發器，在熱泵的作用下供應熱能。如果蓄積的熱量不足，就由輔助熱源加以補充。熱泵中的冷凝器和供熱環路是連接在一起的，當循環介質的溫度升高之后，就會進入地板盤管進行熱能交換和釋放，溫度下降后，再經過循環泵促進冷凝器對熱能的吸收，完成循環。

二、該系統的主要優勢和不足

（一）該系統的主要優勢

①有助于增強室內環境的舒適度。這是因為好該系統的熱量供應主要是通過地下的輻射換熱盤管完成的，充分利用了地面自身所蓄積的輻射，促進了熱量的散發，能夠將這一空間內的狀態保持在一個相對穩定的狀態。這種供暖最大的特點就是足暖頭涼，適應了人體的生理調節特點，所以能給人以舒適感。②有助于節省能源。太陽能是該系統能源的主要來源，因此該系統對常規能源的消耗不多，也為其他新能源的開發和利用提供了新的思路。只需要將1個單位的高位熱能輸入熱泵，就能輸出3個單位的熱能，所以能節約高位能源。要想達到該系統供暖的最佳舒適度，可以將其供暖的溫度，根據室內正常的溫度，降低2～3℃，而且也能夠節約。③有助于降低采集熱能的成本。該系統的集熱器可以選擇低溫平板類型，這樣不僅降低采集熱能消耗的成本，還可以顯著提升聚集熱能的效率。這是因為，該系統的加熱是從比較低的給水溫度開始的，所以可以實現熱能的高效聚集，即使集熱器比較簡單，也可以在日照時間比較短的情況下，高效集熱。普通的單層玻璃集熱器，在涂上黑漆之后，它的集熱效率可以高達70%。

（二）該系統存在的不足

從我國太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統在應用上還存在如下問題需要結解決：

①提高熱泵的性能，對其系統進行優化設計。在保障室內舒適狀態的基礎上，可以對建筑供熱量和熱負荷之間的關系采用動態模型進行模擬，計算出所需要的集熱范圍、儲水箱的容量、建筑的面積以及熱泵容量，以及它們之間的關系，進行最佳匹配。當然，在設計時還要對建筑等因素進行綜合考慮，同時滿足建筑美觀和太陽能的一體化。②合理運用自動控制系統。盡量實現太陽能的集熱系統和熱泵供暖系統的自動切換，按照預先設置參數實現智能化控制，提高集熱效率和熱泵的性能，降低建筑因為供暖產生的能源消耗，實現最佳的節能效益。③結合地區實際情況進行分析，充分考慮太陽的照射角度、當地能源情況和建筑功能等，合理配置太陽能。

三、太陽能熱泵低溫地板輻射供暖系統的設計方法

（一）確定系統設計的具體參數

低溫地板輻射供暖系統對地板表面的平均溫度提出了具體的要求：①若地面經常有人停留，則溫度應該保持在（26±1）℃左右；②若人在地面停留的時間比較短，溫度宜控制在（29±1）℃；③若地面沒有人停留，溫度可以保持在35～40℃左右；④洗浴池或者游泳池的最佳地面溫度在30～35℃之間。

（二）合理安排地板輻射供暖的布局結構

低溫地板輻射采暖系統主要是由基礎層、保溫層、埋管層和覆蓋層等四個層次組成的。保溫層可以采用聚苯乙烯泡沫塑料板和發泡水泥，厚度以30-45mm為最佳，因為這一層次的主要作用就是控制熱量向下的傳遞量[4]。埋管層則可以采用豆石混凝土和水泥砂漿填充。覆蓋層宜采用熱阻小于0.05㎡?K/W的材料。加熱管的直徑應該為De20，主要的材料可以采用交聯聚乙烯、聚丁烯等，這些材料的主要特點就是耐高溫高壓、抗老化和腐蝕的性能較好，具有較好的柔性，能夠為施工提供方便。

結束語

綜上所述，本文在闡述太陽能低溫地板輻射采暖系統的結構和工作原理的基礎上，對其提高舒適度、節省能源和降低集熱成本的優勢進行了討論，并從實際應用情況出發，對其存在的不足和需要優化的問題和設計方法進行了介紹，希望能為提高供暖效率提供借鑒。

[1]許可,王樹剛,蔣爽,等.空氣源熱泵用于低溫熱水地板輻射供暖系統的模擬研究[J].制冷技術,2014,01（29）:12-17.

[2]李雙雙,端木琳,舒海文,等.基于分層室溫控制的太陽能熱水低溫地板輻射供暖系統模擬研究[J].建筑科學,2011,08（19）:61-65.

[3]馬洪亭,張傳龍,宋肖的,等.太陽能-水源熱泵多能互補供暖系統實驗研究[J].太陽能學報,2014,11（03）:2152-2158.

[4]曾玲,吳永明,梁春華.太陽能空氣能地板供暖系統的設計與仿真[J].建筑節能,2015,09 （17）:34-37+41.