王志國(guó)，宋明啟，宮克勤，陳改梅

(1.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318;2.大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 大連 116024;3.青島理工大學(xué) 經(jīng)貿(mào)學(xué)院，山東 青島 266520)

大慶地區(qū)太陽(yáng)能地板輻射采暖研究與經(jīng)濟(jì)分析

王志國(guó)1，2，宋明啟1，宮克勤1，陳改梅3

(1.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318;2.大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 大連 116024;3.青島理工大學(xué) 經(jīng)貿(mào)學(xué)院，山東 青島 266520)

設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能地板輻射采暖系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的工作原理。探討了集熱器單位面積有效利用能和集熱器效率的計(jì)算方法。通過(guò)經(jīng)濟(jì)分析，得到大慶市某60 m2平頂民房安裝太陽(yáng)能地板輻射采暖的年計(jì)算費(fèi)用為1 485元；安裝散熱器采暖年計(jì)算費(fèi)用為1991元。經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果表明，太陽(yáng)能地板輻射采暖系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

太陽(yáng)能;輻射采暖;集熱器;散熱器采暖;經(jīng)濟(jì)分析

太陽(yáng)能作為一種清潔、豐富、可持續(xù)的能源已逐漸被人們重視。我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，年輻射總量約為3 350～8 370 MJ/(m2·a)，年輻射平均值約為5 860 MJ/(m2·a)，絕大部分沒(méi)有被有效利用。合理有效利用太陽(yáng)能資源，對(duì)緩解我國(guó)能源短缺，降低環(huán)境污染及減少霧霾天氣等有重要意義[1]。

美國(guó)的March博士研究表明，21世紀(jì)初太陽(yáng)能利用進(jìn)入了一個(gè)突飛猛進(jìn)階段，并在本世紀(jì)中葉將僅次于核能達(dá)到30%，本世紀(jì)末將取代核能躍居首位[2]。德國(guó)是世界上應(yīng)用太陽(yáng)能的第一大國(guó)，其光伏發(fā)電占全球太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)容量的35%以上。西班牙通過(guò)實(shí)施皇家太陽(yáng)能計(jì)劃及相關(guān)法令，要求所有新建房屋必須安裝太陽(yáng)能熱水器。法國(guó)則大力推廣可供太陽(yáng)能熱水器采用的玻璃外墻。以色列90%以上的住宅樓安裝太陽(yáng)能集熱器。日本政府耗資數(shù)百億美元建立空間太陽(yáng)能系統(tǒng)[3-4]。

王志國(guó)[5-6]等開(kāi)展了太陽(yáng)能開(kāi)采天然氣水合物和在油田勘探開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用研究；宮克勤[7]等提出了太陽(yáng)能地源熱泵式空調(diào)系統(tǒng)的概念，給出了系統(tǒng)的運(yùn)行方式和設(shè)計(jì)思路。

課題組在太陽(yáng)能熱利用及建筑節(jié)能綜合研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套太陽(yáng)能地板輻射采暖輔助電加熱系統(tǒng)，并在大慶市某平頂民房安裝了該系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)1年的實(shí)際運(yùn)行和觀測(cè)，證明該裝置經(jīng)濟(jì)效益可觀、安全可靠、節(jié)能效果顯著，適合在大慶地區(qū)推廣[8]。

1 太陽(yáng)能地板輻射采暖系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

太陽(yáng)能地板輻射采暖系統(tǒng)如圖1所示。其工作原理為：集熱器1采集的太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)中的熱水，熱水流經(jīng)敷設(shè)在地板中的盤管以導(dǎo)熱和對(duì)流的形式進(jìn)行采暖[9-10]。

圖1 太陽(yáng)能地板輻射采暖系統(tǒng)原理圖

當(dāng)T1≥45℃，控制器啟動(dòng)水泵14，水進(jìn)入集熱器加熱，并將集熱器的熱水壓入水箱，水箱內(nèi)形成上高下低的溫度梯度，下部冷水進(jìn)入集熱器繼續(xù)加熱，形成一個(gè)循環(huán)。

當(dāng)T1≤35℃時(shí)，水泵14停止工作，為防止反向循環(huán)和集熱器夜間熱損失，系統(tǒng)中安裝一個(gè)止回閥。

當(dāng)T3≥30℃時(shí)，開(kāi)啟水泵5進(jìn)行采暖循環(huán)。

雨雪天或夜間太陽(yáng)能供應(yīng)不足時(shí)，開(kāi)啟電閘，利用輔助熱源加熱。

1.2 控制器方案

控制器設(shè)計(jì)思想：調(diào)整太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、可靠的運(yùn)行方案。該工程中的控制器，主要通過(guò)感溫探頭等控制元件采集各控制點(diǎn)的溫度輸出信號(hào)給執(zhí)行設(shè)備。

2 集熱器設(shè)計(jì)計(jì)算模型

對(duì)于太陽(yáng)能地板輻射采暖而言，集熱器設(shè)計(jì)應(yīng)按照冬季采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，電加熱作為輔助采暖形式。太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)原則：在冬季最冷晴朗天氣時(shí)，太陽(yáng)能集熱器獨(dú)立工作能夠滿足房間采暖標(biāo)準(zhǔn)[11-13]。

一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能集熱器的熱損失包括：頂部熱損失、底部熱損失和邊緣熱損失三部分，考慮到集熱器四個(gè)側(cè)壁總面積與集熱器面積之比很小，則在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)忽略邊緣熱損失系數(shù)。

頂部熱損失系數(shù)Ut按式(1)計(jì)算

太陽(yáng)能月保證率

f=(1+0.0892hw-0.1166hwεp)(1+0.07866N)

(1)

當(dāng)0°<β<70°時(shí)，c=520(1-0.000051β2)；當(dāng)70°<β<90°，c用β=70°計(jì)算；e=0.43(1-100/Tp,m)

式中N——玻璃層數(shù)；

β——集熱器傾斜角；

εc——玻璃發(fā)射率；

εp——平板發(fā)射率；

Ta——環(huán)境溫度；

Tp,m——平板平均溫度；

hw——風(fēng)的對(duì)流換熱系數(shù)。

底部熱損失系數(shù)Ub按式(2)計(jì)算

(2)

式中k——底部絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)；

L——底部絕熱層厚度。

集熱器總的熱損失系數(shù)按式(3)計(jì)算

UL=Ut+Ub

(3)

化簡(jiǎn)后的集熱器的效率因子如式(4)所示

(4)

式中D——管子間距；

Cb——結(jié)合處導(dǎo)熱系數(shù)；

Di——管子內(nèi)直徑；

hf,i——管內(nèi)流動(dòng)的對(duì)流換熱系數(shù)。

集熱器流動(dòng)因子按式(5)計(jì)算

(5)

式中m——單塊集熱器質(zhì)量流率；

Cp——水的定壓比熱；

Ac——單塊集熱器的面積。

集熱器的熱遷移因子按式(6)計(jì)算

FR=F″F′

(6)

單位面積有效利用能按式(7)計(jì)算

qu=FR[S-UL(Ti-Ta)]

(7)

式中S——吸熱板吸收的太陽(yáng)輻射量；

Ti——環(huán)境溫度；

Ta——集熱器進(jìn)口水溫。

集熱器效率按式(8)計(jì)算

(8)

式中IT——集熱器傾斜面上太陽(yáng)輻射量。

3 經(jīng)濟(jì)分析計(jì)算方法

將太陽(yáng)能地板輻射采暖與散熱器采暖進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析。

3.1 太陽(yáng)能地板輻射采暖經(jīng)濟(jì)分析

太陽(yáng)能地板輻射采暖包括設(shè)備費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)等。可以利用動(dòng)態(tài)分析的方法對(duì)年計(jì)算費(fèi)用進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)分析[14]。計(jì)算中將初期投資折算成使用期內(nèi)的年折算費(fèi)用，然后再與年運(yùn)行經(jīng)營(yíng)費(fèi)用相加，計(jì)算出該方案的年計(jì)算費(fèi)用，如式(9)所示

R=K×Q+Z

(9)

式中R——年計(jì)算費(fèi)用；

K——初期投資；

Q——資金回收系數(shù)；

i——資金利率；

n——使用年限；

Z——年維修或經(jīng)營(yíng)費(fèi)用。

3.2 散熱器采暖經(jīng)濟(jì)分析

采用散熱器采暖，初期投資主要是散熱器、管材。散熱器散熱面積按式(10)計(jì)算

k=2.489Δt0.8069

(10)

式中Q——散熱器的散熱量；

k——鋼制散熱器傳熱系數(shù)；

tpj——散熱器內(nèi)熱媒平均溫度；

tn——采暖室內(nèi)計(jì)算溫度；

β1——散熱器組裝片數(shù)修正系數(shù)；

β2——散熱器連接片數(shù)修正系數(shù)；

β3——散熱器安裝形式修正系數(shù)；

Δt——供回水平均溫度與室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算溫度的差值。

散熱器片數(shù)按式(11)計(jì)算

(11)

式中F——散熱器散熱面積；

f——每片散熱器的散熱面積。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 采暖房間參數(shù)

建筑物為大慶市某平頂民房，建筑面積60 m2(12 m×5 m)，高3 m，正面朝東，左右兩側(cè)各有其他民房；外墻240 mm厚磚墻，80 mm厚保溫層(石棉水泥隔熱板)，外表面15 mm厚砂漿(石灰、水泥、砂、砂漿)，粉刷白色外料；單框兩層玻璃窗、面積2.7 m2(1.5 m×1.8 m)；實(shí)體單層木質(zhì)門、面積3 m2(1.5 m×2 m)；頂棚為200 mm厚鋼筋混凝土樓板，內(nèi)表面15 mm厚抹灰砂漿(石灰、砂、砂漿)，160 mm厚保溫層(石棉水泥隔熱板)，30 mm厚瀝青油氈防水層鋼筋混凝土頂棚。

4.2 太陽(yáng)能地板輻射采暖實(shí)例分析

表1太陽(yáng)能地板輻射采暖系統(tǒng)設(shè)備表

設(shè)備數(shù)量單價(jià)型號(hào)/規(guī)格集熱器8塊500元/塊2m2/塊保溫水箱1個(gè)1300元/個(gè)φ1000×1500控制器1只160元/只220V普通閥門3個(gè)11元/個(gè)φ25止回閥1個(gè)20元/個(gè)φ25三通閥門1個(gè)30元/個(gè)φ25×φ20水泵3個(gè)400元/個(gè)220V、50Hz、128W過(guò)濾器1個(gè)198元/個(gè)φ25溫度計(jì)1個(gè)22元/個(gè)0～100℃分集水器1套260元/套φ25傳感器3個(gè)12元/個(gè)-55～125℃鋼管20m25元/mφ25PE管60m5元/mφ25其他760元

表1給出了安裝太陽(yáng)能地板輻射采暖的各項(xiàng)費(fèi)用。按中國(guó)建設(shè)銀行年利率3.25%；大慶市電價(jià)第一檔電量小于等于170 kW·h，電價(jià)為0.51元/kW·h；第二檔電量171～260 kW·h(含)，電價(jià)為0.56元/kW·h；第三檔電量高于260 kW·h的部分，電價(jià)為0.81元/kW·h。根據(jù)實(shí)際安裝中的各項(xiàng)費(fèi)用和大慶市電價(jià)對(duì)太陽(yáng)能地板輻射采暖的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)表1，太陽(yáng)能地板輻射采暖初期投資為8819元，使用壽命為15年[15]。由式(9)可知太陽(yáng)能地板輻射采暖的年折算費(fèi)用為

輔助電加熱，設(shè)用電效率為92%，按大慶市電價(jià)梯度價(jià)格計(jì)算。根據(jù)1年實(shí)際運(yùn)行可知年電力消耗量為996 kW·h，輔助電加熱的年消耗費(fèi)用為

Z電=170×0.51+90×0.56+736×0.81≈733元

太陽(yáng)能地板輻射采暖輔助電加熱的年計(jì)算費(fèi)用為

R=R1+Z電=752+733=1485元

4.3 與散熱器采暖的對(duì)比分析

表2給出了安裝散熱器采暖的各項(xiàng)費(fèi)用，利用前述方法計(jì)算出該方案的年折算費(fèi)用。

表2散熱器采暖系統(tǒng)設(shè)備表

設(shè)備數(shù)量單價(jià)型號(hào)/規(guī)格散熱器24片22．5元/片600×120鋼管11m25元/mφ25普通閥門2個(gè)11元/個(gè)φ25其他200元

根據(jù)表2，散熱器采暖初期投資為1037元，使用壽命為20年[15]。由式(10)可知散熱器采暖的年折算費(fèi)用為

按大慶市供熱公司住宅采暖收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為32元/(m2·a)，則1年需繳納采暖費(fèi)用為

Z熱費(fèi)=60×32=1920元

散熱器采暖年計(jì)算費(fèi)用為

R=R2+Z熱費(fèi)=71+1920=1991元

利用動(dòng)態(tài)分析方法對(duì)兩種采暖方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)分析的結(jié)果見(jiàn)表3。

表3兩種采暖方式經(jīng)濟(jì)對(duì)比

名稱年折算費(fèi)用/元年計(jì)算費(fèi)用/元太陽(yáng)能地板輻射采暖7521485散熱器采暖711991

5 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能地板輻射采暖裝置，并對(duì)該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行1年，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析可以得到以下結(jié)論：

(1)在大慶市采暖期內(nèi)，所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能地板輻射采暖裝置能夠滿足采暖要求。

(2)探討了太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程，得到大慶市冬季晴朗天氣下熱管式真空管集熱器的平均瞬時(shí)效率68%，單位面積有效利用能670 W。

(3)通過(guò)經(jīng)濟(jì)分析，太陽(yáng)能地板輻射采暖年折算費(fèi)用為752元，散熱器采暖年折算費(fèi)用為71元；而太陽(yáng)能地板輻射采暖的年計(jì)算費(fèi)用為1485元，散熱器采暖年計(jì)算費(fèi)用為1991元。由此可知太陽(yáng)能地板輻射采暖經(jīng)濟(jì)效益更可觀。

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DaqingAreaSolarRadiantFloorHeatingResearchandEconomicAnalysis

WANGZhi-guo1，2，SONGMing-qi1，GONGKe-qing1，CHENGai-mei3

(1.InstituteofCivilEngineering，NortheastUniversityofPetroleum，Daqing163318，China; 2.InstituteofEnergyandPower，DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China;3.InstituteofEconomicandTrade，QingdaoUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266520，China)

In this article solar radiant floor heating system was designed and the working principle of the system was introduced. The efficiency of collector unit area and the calculation method of the collector efficiency were discussed. Through economic analysis，a 60 m2flat roofed house in Daqing with installation of solar radiant floor heating calculation costs RMB 1 485 and installing the radiator heating calculation costs RMB 1991. Economic analysis results showed that solar radiant floor heating system had a good economic benefit.

solar;radiant heating;collector;radiator heating;economic analysis

2014-02-21修訂稿日期2014-05-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51176023)

王志國(guó)(1966～)，男，博士后，教授，研究方向?yàn)闊崃W(xué)及油氣開(kāi)采交叉科學(xué)。

TK511+.2

A

1002-6339 (2014) 06-0523-04