論太陽能聯合蓄電供地板輻射供暖的優越性

撖 文 輝

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

論太陽能聯合蓄電供地板輻射供暖的優越性

撖 文 輝

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

針對北方農村分散性單體建筑、野外常年有人辦公的建筑等不能實現集中供熱，且北方冬季干旱少雪，太陽輻射強度大的特點，提出了太陽能—低溫地板輻射供暖，并以某野外二層辦公單體建筑為例，基于地板輻射供暖模式，確定了該模式下的系統設備，經實踐表明太陽能聯合蓄電在地板輻射供暖系統中具有優越性，對于解決此類型建筑的供暖問題具有非常積極的作用。

太陽能，地板輻射供暖，熱負荷，保溫性能

根據2010年全國人口普查，居住在農村的人口仍占全國人口總數的50.3%，絕大多數農村建筑沒有集中供熱。同時有很多建筑由于工作特性，也不能實現集中供熱，例如水文監測站、氣象監測站、天文觀測點等等。以上此類建筑由于位置特性在供熱方面處于很低的水平，其次，由于國家的能源政策，對于小型燃煤鍋爐的限制，區域供暖的能源選擇受到很大限制。太陽能作為一種可再生的清潔能源，具有便于采集，取之不盡的特點。同時可轉化為熱能、電能。綜合以上特點，可將太陽能作為建筑供暖的熱源，在國家大力提倡建筑節能的今天具有長遠意義。

本文以二層獨棟建筑為例，將太陽能轉化為熱能與電能，二者聯合使用。在不同天氣、不同時間段進行分析，使太陽能在建筑供暖系統中功能更加完善。分析各種設備選型，優化太陽能聯合蓄電低溫地板供熱系統。

1 系統簡介

1.1 系統原理

如圖1所示，太陽能集熱板與光伏板聯合，為建筑提供冬季所需熱量，在天氣較好的情況下，太陽能集熱板滿足熱負荷需求，在夜晚或者天氣不好的情況下，光伏板所產生的電能為鍋爐提供輔助能源。

1.2 傳統供暖形式

圖2為傳統供暖形式原理圖，在白天太陽能不能為建筑提供足夠的熱負荷或者夜晚蓄熱水箱不能提供足夠的熱負荷情況下，為蓄熱水箱提供能源的輔助熱源為電能。這樣，在極端天氣下，為建筑物供暖所消耗的電能會較多。

1.3 二者比較特點

極端天氣情況下包括夜晚，單靠太陽能不能滿足建筑熱負荷的需求，必需使用電能滿足建筑熱負荷需求，這樣二次能源消耗較大；太陽能聯合蓄電則能滿足此種情況下的建筑熱負荷要求。正常天氣情況下，太陽能可以滿足建筑熱負荷的需求；此時，太陽能蓄電則可以作為建筑夜晚熱負荷蓄熱不足情況下的補充。單靠太陽能供熱，生活熱水的供給，在極端天氣下，不能充分滿足每個人的需求；而太陽能聯合蓄電則足以滿足對生活熱水的需求。對于初投資而言，前者的投資較小，后者相對于前者，增加了太陽能光伏板與蓄電裝置兩塊，初投資增大(見表1)。

表1 傳統太陽能與太陽能蓄電兩種供熱方式對比

1.4 采用太陽能蓄電的優點

太陽能發電是利用半導體的光電效應，將太陽能轉化為電能。太陽光線照射在電伏板上并被接納，發生光電作用，產生電能。光伏板吸收光線越多，產生的電能越多。即光伏板面積越大，產生的電流越大。

所以光電效應具有以下優點：

1)太陽能具有取之不盡，用之不盡的優點，只要有太陽光線，即可發生光電效應。不受地域及其他因素影響。

2)太陽能發電具有隨取隨用，不受地域遠近限制的特點。

3)光電效應原理比較簡單，沒有機械過程，沒有損耗等過程。

因此光電效應效率較大，開發的潛力比較大。

4)光電效應過程不會產生任何有害氣體，噪聲，不會對環境產生任何破壞作用，是可再生的綠色能源。

5)工作性能比較穩定可靠，使用壽命比較長，壽命可達20年以上。蓄電池的壽命也可達20年以上。

6)光伏發電組件結構簡單，體積小，重量輕，便于運輸和安裝。

太陽能發電作為新型能源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優點。一戶一用的太陽能發電系統，以上特點是其他能源無法達到的優點。

2 工程實例

以太原二層別墅為例，別墅總面積420 m2，無地下室。一層為餐廳、廚房、工人房間。二層為客廳、臥室。

白天同時采用太陽能集熱與光伏發電效應。正常天氣情況下，太陽能集熱板即可滿足房間熱負荷要求。同時太陽能光伏板蓄電為夜晚太陽能不足的情況下，為建筑物彌補所需能源。

圖3為建筑物平面圖。

2.1 熱負荷計算

計算熱負荷，采用室外采暖計算溫度，T=-11 ℃。室內不同功能房間的溫度也不盡相同，各房間溫度見表2。

表2 各房間溫度 ℃

圍護結構的基本耗熱量，按下式計算：

q=KF(Tn-Tw)α。

式中：K——圍護結構傳熱系數，W/(m2·℃);F——圍護結構的傳熱面積，m2；Tn——冬季室內設計溫度，℃;Tw——冬季室外計算溫度，℃；α——圍護結構溫差修正系數。

計算負荷時，需考慮建筑物朝向修正、風力附加等。同時考慮冷風滲透耗熱量、冷風侵入耗熱量等。經過計算，此建筑物一天內的熱負荷曲線圖見圖4。

從圖4中可以看出，在中午13:00～14:00得熱量最大，熱負荷較低。而此時，太陽的輻射強度較大，太陽集熱器得熱量最大，太陽能光伏板的光電效應也最大。在一天中熱負荷最低的時候，建筑物通過集熱器與光伏發電板獲得的能量也是最多的時候，通過集熱器與光伏發電板將太陽能轉化成不同形式儲存，到夜晚或者天氣不好的情況下，釋放能量彌補建筑物所需熱負荷。

2.2 太陽能集熱器與光伏發電板面積計算

太陽能集熱器分為平板集熱器與真空集熱器兩種。真空管集熱器具有保溫性能好，低溫效率高的特點，太陽能的吸收率可達95%左右，熱輻射系數小于6%，適合在北方嚴寒及寒冷地區使用。

集熱板的面積可通過下列公式計算：

式中：Qw——熱水流量，m3/h； JT——太陽能輻射量，kJ/m2； ηcd——集熱板效率。

太陽能光伏發電板根據電池容量計算，電池容量可根據以下公式計算：

Bc=AQlNlTo/CCAh。

其中，A為安全系數；Ql為熱水器耗電量，kW；Nl為最大陰雨天數;CC為蓄電池放電深度。

2.3 建筑物供暖運行效果

經過計算，建筑物一天當中最大的熱負荷為16.8 kW，所需的熱水量為1.5 t/h，集熱器面積為2.5 m2～4 m2。太陽能光伏板的面積為8塊單晶硅光伏發電板。正常天氣情況下，在晚上蓄電完全滿足建筑物熱負荷要求，陰雨天氣時，太陽能不能滿足建筑物熱負荷要求時，太陽能光伏發電量可彌補熱負荷的需求。

3 結語

使用太陽能集熱器聯合蓄電，不僅能滿足建筑物熱負荷的需求，彌補陰雨天氣太陽能集熱器的不足，同時還可以為生活熱水提供足夠的能源。

[1] 張自國.使用太陽能的低溫地板輻射供暖研究[J].長春工程學院學報，2012(36)：98.

[2] 劉華斌.太陽能供暖空調系統設計探討[J].暖通空調，2011(11)：13.

[3] 穆立茂.太陽能地板輻射供暖制冷系統模型仿真[J].建筑節能，2015(8)：98-99.

The superiority theory of solar energy consociation electricity in floor radiation heating

Han Wenhui

(ShanxiAcademyofBuildingResearch,Taiyuan030001,China)

The article aim at dispersion and transact buildings that would not get concentrate heating， at the same time it is dry and high radiation strength solar， put forward the point that use energy consociation electricity in floor radiation heating. Aimed at a two floor building in wild， assurance the equipment of this heating mode. Analysis this mode get out the superiority comparison the other, there is aggressive function in solve these questions.

solar energy, the floor radiation heating, heat load, thermal insulation properties

1009-6825(2017)01-0140-03

2016-10-23

撖文輝(1980- )，男，工程師

TU832.17

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