济南地区采用太阳能作为地板辐射供暖热源的可行性分析

作者：山东建筑工程学院    甄霞¹  尹纲领

摘  要  本文首先从采暖期内建筑物所需热负荷出发，得到了建筑物的日需水量。然后根据济南地区的气象资料，由已知的水平面上的太阳总辐射值，通过计算，得到了倾斜面上的太阳总辐射的月平均值，结合太阳能集热器的能量平衡方程，计算出了单支太阳能真空集热管的日产水量，而后计算了单位建筑面积需要的集热器面积，分析了济南地区利用太阳能采暖的可行性，指出在济南地区采用太阳能作为地板辐射采暖的热源是一种经济、可行的方式。

关键词   太阳总辐射  建筑耗热量指标  日产水量

 

0 前言

我国是太阳能资源十分丰富的国家,三分之二的国土年日照在2200小时以上，年辐射总量大约在每年3340~8360 MJ/m²,相当于110~250 KG标准煤/m²。根据我国气象部门测量年辐射总量的大小,一般将我国大陆部分划分为四个太阳辐射资源带,即一类地区（≥6700 MJ/m²），二类地区（5400~6700 MJ/m²），三类地区（4200~5400MJ/m²），四类地区（＜4200MJ/m²），即使我国太阳能较差的地区，年辐射总量也接近东京（4220 MJ/m²），高于伦敦（3640 MJ/m²）汉堡（3430 MJ/m²）这些世界上太阳能利用较好的城市，山东地区属于上述的第三类资源带内,其太阳能资源大有潜力可挖。

地板辐射采暖由于热舒适性、热稳定性都比传统的采暖方式好，节能效果显著，因此得到广泛应用。由于其热媒是低温热水,一般在60℃以下。太阳能由于自身热密度较低，集热温度很难达到很高的水平，从而使利用太阳能作为热源成为可能。因此，采用低温热水地板辐射采暖,是充分利用太阳能这种低品位能量的最佳方式。本文以济南地区某办公楼为例，从采暖期内所需热负荷出发，分析太阳能作为地板辐射采暖热源的可行性。

1 采暖期内的热负荷计算

以济南地区某办公楼为例，根据规范规定,民用建筑供热指标取45~70W/ m²,取建筑热负荷指标50W/m²。采用地板辐射采暖其热负荷等于常规负荷值乘以系数0.9~0.95^[1]。则

采暖设计热指标：q¹= W/ m²

由于上述设计热指标是按采暖室外计算温度 条件下计算出来的，计算采暖期的耗热量时，应该将其折算成面积平均热指标（即建筑耗热量指标）。可以采用下式进行计算^[1]：

                                             (1)

式中， ——面积平均热指标（W/ m²）；

—— 室内计算温度（℃），这里按18℃计；

——月平均温度（℃）；

——采暖室外计算温度（℃），济南地区为-7℃。

根据平均热指标，按照各个月的平均温度可以得出采暖期内各月的月平均面积热指标，进而算出每个月的采暖热负荷及采暖期内的总负荷,如表1所示。

根据详细热工计算，可将热负荷换算成水量,列于表1。

     g/s                                             (2)

式中:

——采暖系统热负荷指标, W/m²；

——水的平均定压比热容,4.18KJ/(kg·K)；

——采暖供回水温度差（℃）,低温地板采暖供回水温差为8~15℃,这里暂取10℃。

 

表1  采暖期内各月的采暖热负荷

 

说明:假定太阳能集热器每天运行9小时。

2 太阳能集热器的集热量

全玻璃真空太阳集热器的热量平衡方程式,其总集热量等于有效太阳得热量减去热量损失,数学表达式为:

                             (3)

式中， ——闷晒水量（kg）；

——T1~T2范围内水的平均定压比热容， =4.18 KJ/(kg·K)；

——水的初始温度（℃）；

——水的终止温度（℃）；

——玻璃管的太阳透射率；

——吸收涂层的太阳吸收率；

——累积太阳辐照量（KJ/m²）；

——集热管采光面积（m²）；

——T1~T2范围内水的平均热损系数（W/m²·K）；

——累积辐照时间（h）；

——散热面积（m²）。

则一根全玻璃真空太阳能集热管日产热水量的计算式为：

                                              (4)

式中 取采暖期日平均累积太阳辐照量（KJ/m²·d）

根据太阳能厂家提供的样本及其他资料，以上公式中的性能参数取以下值：

=0.88, =0.9, =0.062 m², =0.9 W/m²,  =0.137 m²。

3 采暖期日平均累积太阳辐照量的确定

济南地区采暖期从11月26日到3月6号，共101天。相关文献指出^[2]，当集热器冬季使用时,最佳倾角为当地纬度加10º,济南市地处北纬36º41¹,故冬季最佳倾斜角为46º。由济南地区气象资料，可得到济南市水平面上的太阳总辐射日总量的月平均值，任意倾斜角度的太阳辐射值，需通过计算得到。

根据文献[1]，在水平面上的太阳辐射已知时，任意倾斜角度的太阳辐射值可用下式计算：

                     （5）                    

式中， ——倾斜面上的总辐射平均值（W/m²）；

——水平面上的总辐射（W/m²）；

——水平面上的直接辐射的平均值（W/m²）；

——水平面上的散射辐射的平均值（W/m²）；

——倾斜面上和水平面上时直接辐射的比值；

 ——地表的平均反射率，这里取0.2；

对于向南的倾斜面， 由下式给出：

                      （6）                 

式中， ——斜面与水平面的倾斜角（º）；

——当地纬度（º）；

——太阳赤纬角（º），可由下式确定：

                                         （7）

式中， ——某一天在一年中的日期序号。

根据上述公式（5）~（7），可得到济南市倾斜角46º时的采暖期内的月平均日太阳总辐射的值。列于表2中。

 

表2 倾斜角46º时的采暖期内的月平均日太阳总辐射的值

 

因此，采暖期日平均累积太阳辐照量 为1261.28/140=9.009 MJ/m²。

4 集热器的日产水量

将计算出的采暖期日平均累积太阳辐照量 及太阳能集热器性能参数代入公式(4)中,可计算出一根全玻璃真空太阳能集热管日产热水量为10.32 kg·d。

因此，采暖期内单位建筑面积上需要的集热器面积可以通过计算得出^[4][5]，列于表3中。

表3 采暖期内单位建筑面积上需要的集热器面积

 

一般全玻璃真空管太阳集热器由15至20根真空集热管组装而成,所以每组日产水量约为155~206kg的热水。因此,只要采用适当的集热器面积，就可满足采暖期内的热负荷要求。从表3中可以看出，采暖期内每月需要的负荷是不同的，因此各月计算出的集热器面积也各不相同。选用较大面积的太阳能集热器会增加初投资，但在以后的使用过程中，会节约常规能源的使用，节省运行费用，并且太阳能是一种免费、丰富、不会造成环境污染的能源。因此，应根据各地区常规能源的情况，通过经济性分析与比较，选择适当的集热器面积，达到最为经济合理的使用效果。

5 结论

  本文从济南地区采暖期内建筑物所需的热负荷出发，结合济南地区太阳辐射的情况，根据太阳能集热器的能量平衡方程，得出了济南地区单位建筑面积所需集热面积的值，指出只要采用适当的集热器面积,太阳集热器上集取的太阳辐射量就可以满足采暖期内热负荷要求,从而得出在济南地区利用太阳能作为地板辐射采暖的热源是一种完全可行的方式。

 

 

参考文献

[1]王荣光，沈天行.可再生能源利用与建筑节能.北京：机械工业出版社，2004

[2]田中俊六.太阳能供冷与供暖.北京:中国建筑工业出版社,1977

[3]郑瑞澄.太阳能低温热水地板辐射采暖.太阳能,2000(1):14~16</