2024年2月26日发(作者：)
建材世界 ２０１１年第３２卷第６期 北京农村住宅太阳能地板采暖系统的诊断优化 谢静超 ，杨 威 ，王皆腾 ，徐俊芳 ，严 乐 ，李 悦 （１．北京工业大学，北京１００１２４；２．北京市房地产科学技术研究所，北京１０００２１） 摘 要： 以北京房山区某农村整体上楼实际工程中的太阳能地板采暖系统为研究对象，通过对太阳能贡献率及太 阳能系统节能效率的计算，得知该系统太阳能贡献率达到设计要求，太阳能系统节能效率低，据此对系统进行优化设 计。文章指出太阳能地板采暖系统性能评价指标中除太阳能贡献率之外，还需加入太阳能系统节能效率。 关键词： 太阳能地板采暖系统； 能耗诊断； 太阳能节能效率； 太阳能贡献率； 相变 Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｆｌｏｏｒ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｒｕｒａｌ Ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｉｎ Ｂｅｉｊ ｉｎｇ ＸＩＥＪｉｎｇ－ｃｈａｏ ，ＹＡＮＧ Ｗｅｉ ，ＷＡＮＧ Ｊｉｅ－ｔｅｎｇ ，ＸＵＪｕｎ－ｆａｎｇ ，ＹＡＮ Ｌｅ ，ＬＩ Ｙｕｅ （１．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１２４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｄｅ ｆｏｒ Ｒｅａｌ Ｅｓｔａｔｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｓｏｌａｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｆｌｏｏｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｒｕｒａｌ ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｉｎ Ｂｅｉｊｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｖａｌｕａｔｅｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｎ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｓｏｌａｒ ｆｌｏｏｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔ ｉｓ ｉｍｐｅｒａｔｉｖｅ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｅｘｃｅｐｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｆｒａｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｏｌａｒ ｆｌｏｏｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ； ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ； ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ； ｓｏｌａｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｆｒａｃｔｉｏｎ 近年来，随着经济的发展，建筑能耗已占到全国总能耗的２Ｏ ～３Ｏ 。降低建筑能耗是减少全国总能 耗的重要措施。随着农村地区人民生活水平的不断提高，农村生活用能逐渐增大，尤其是北方农村采暖用煤 量逐年增加，因此降低北方农村采暖用能已成为我国建筑节能的重要课题。该文以北京房山区某农村整体 上楼实际工程中的太阳能地板采暖系统为研究对象，通过对太阳能贡献率及太阳能系统节能效率的计算，得 知该系统太阳能贡献率达到设计要求，太阳能系统节能效率低，据此对系统进行优化设计。 １测试概况 １．１测试对象 本次测试对象为北京房山区某农村，该村共有４８栋新建二层居住建筑，全部为二层砖混结构，坡屋顶、 屋面挂沥青瓦（图１）；建筑物为东西朝向；户型组合分别为一栋四户一居建筑面积２１４ ｍ ，一栋四户二居建 筑面积２９９ ｍ ，一栋四户三居建筑面积３６５ ｉｎ 。尽管这些建筑的户型不同，但建筑的朝向、围护结构做法等 收稿日期：２０１１—１１—０３． 基金项目：北京市科技计划课题（１３Ｏ８０４０９０２８９０８０２）和国家科技支撑计划（２０１１ＢＡＥ１４Ｂｏ６￣ｏ７） 作者简介：谢静超（１９７６一），讲师，博士．Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉｅｊｃ＠ｂｊｕｔ．ｅｄｔｈ ｃｎ １３７
建材世界 ２０１１年第３２卷第６期 ２换气次数 对于建筑本身，房间气密性对于建筑物的影响是十分显著的。保证建筑具有良好的气密性，也是一种降 低建筑物能耗的技术措施。采用ＣＯｚ示踪气体法，对建筑整体气密性进行了实测。 经过计算三居室房间换气次数为０．２７次／ｈ；二居室房间换气次数为０．３４７次／ｈ。《实用供热空调设计 手册》中民用及公共建筑规定换气次数为１次／ｈ，该建筑气密性良好。 ３ 围护结构外墙传热系数Ｋ 传热系数的测试方法主要有热流计法，热箱法和常功率平面热源法。本次测试采用热流计法。热流计 法的基本工作原理是当热流通过墙体时，由于墙体具有热阻，在其厚度方向的温度梯度表现为衰减过程，所 以在墙体的两面存在温差。利用温差与热流量之间的对应关系进行热流量的测定，同时测得墙体两侧的温 度，即可以计算出被测墙体的热阻和传热系数。 计算外墙传热系数平均值为０．３６ Ｗ／（ｍ ・Ｋ），据《北京市居住建筑设计节能标准》，对于３层及３层以 下建筑外墙传热系数值为≤０．４５ ｗ／（ｍ ・Ｋ），本次测试建筑的传热系数值满足这一标准。 ４室内外温度分析 自动气象站测试室外的温度记录如图４所示。 赠 Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ ｌ 『Ｉ Ｉ ｌ Ｉ ｌ・ｌ ｌ Ｉ Ｉ Ｉ ｌ 『 Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ ｌ ｌＩ ｌｎ ｎ卜 ｌｎ ｎ卜０ ｎ卜Ｈ ｌｎ ｎ ｔ＂－Ｈ寸。。ｔ＂ｑ ０寸ｏＯ寸。ｏ ０ ０＿一 ｎ ０ ０ Ｈ ｎ ０ ０＿＿ ０ ０ Ｉ ｌ Ｉ Ｉ ｌ ｌ Ｉ Ｉ ｌＩ Ｉ Ｉ ｆ Ｉ ｌ Ｊ Ｉ Ｉ Ｉ ｌ Ｉ Ｊ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ ｌＩ ＿＿ 一＿一 ＿一 ｎ ｎ ｎ ｎ 一 Ｈ 一０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ 时间 图４室内测点和室外温度图 由图４可明显看出山区室外温度的特征：昼夜温差大。测试期间每天室内外温差最大值为１６．２℃，最 小值为７．９℃，测试时间内室外平均温度为一３．９℃。 室内温度测试采用温度自动记录仪，设置客厅，卧室及厨房３个测点，测试结果如图４所示。 计算得知，室内采暖平均温度为１２．２℃，温度较低， 室内外平均温差为１６．１℃。 图５选取２０１０年１月２５日房山区室外温度与北京 城区内室外温度作为对比，由温度分析，可见山区温度的 特征：昼夜温差大，低温持续时间长，最高气温与北京城 区温度相同，出现时间点相同。 ５系统能耗分析 ５．１太阳能地板采暖系统节能效果分析 对太阳能地板采暖系统节能效率进行计算分析，用式（１）定义太阳能节能效率 １３９
建材世界 ２０１１年第３２卷第６期 户号 三居室 检测日期 ２０１０．１１．２５～２０１１．０３．１８ 提供总热量／ＧＪ ３９．４１ ３４．０４ 消耗总电量／（ｋＷｈ） １１ １３２ １０ ０２１ 消耗总电量（以热量计）／ＧＪ ３８．Ｏ５ ３４．６６ 二居室 表２中提供总热量为系统向室内提供的热水热量，消耗总电量为系统中辅助电加热炉和伴热带所耗电 量，电量转换成热量按转换效率１００ 计算，即１ ｋＷｈ＝３．６×１０～ＧＪ。 则：三居室的太阳能节能效率为３．５ ，二居室的太阳能节能效率一１．８ 。显而易见，此太阳能地板采 暖中，太阳能集热的效果差。 ５．２热量 用热量表记录系统向室内提供的热量，用热水表记录测试时间内两栋建筑的供热系统热水耗量，用热电 偶及二次表测量热水温度，测试数据记录于表３。 加 ｍ 分析热量，对于三居室，采暖面积为３１５．２ ｍ ，采暖期间内，热表记录热量总计３９．４１ ＧＪ，三居室采暖热 、删赠交 州指标为１２．６９ Ｗ／ｍ ，同理，二居室采暖热指标为１３．５４ ｗ／ｍ 。符合以节能６５ 为目标的北京市《居住建 筑节能设计标准》中的相关规定（采暖热指标为１４．６５ Ｗ／ｍ ）。 通过热量的数据分析，得知围护结构性能良好，热指标合理。 表３热表测量数据表 ５．３电量 图６将电加热炉日耗电量与室内外温差进行了对比，由图６可见电加热炉的日耗电量的总体趋势随着 室内外温差的减小而减小。 ’ 图７将平均每小时耗电量与室内外温差进行对比，可见两者趋势相同，并且平均每小时耗电量相对于平 均每小时室内外温差存在延迟现象。 ０ —面唧 锄 皿 蓁： 罂 萎 ＝ 譬 ＝２ 高 二 时间 ２０ １芝 罱 螽 斟－ 鞲 时间 ６ Ｏ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １Ｏ１１１２１３１４１５１６ １７ｌ８ｌ９２０２ｌ２２２３ 图５日耗电量与室内外温差对比图 图７平均小时用电量与室内外温差对比图 电加热炉平均小时耗电量最大值１１．６ ｋＷｈ，最小值０．３ ｋｗｈ；夜间平均每小时耗电量１Ｏ．２ ｋＷｈ，白天 平均每小时耗电量３．０ ｋｗｈ，即夜间耗电量是白天耗电量的３倍多。 图８为用智能电量测量仪测得的三居室的辅助电加热炉的瞬时功率。由图，夜间瞬时功率集中在 ７．５～９．５ ｋＷ，平均１０．２ ｋＷ；而白天瞬时功率集中在０．０６～Ｏ．１ ｋｗ，平均３．０ ｋＷ；夜间瞬时功率是白天的 ３倍多。此外，电加热炉的耗电量总计７ １３６ ｋＷｈ。 图９为用智能电量测量仪测量三居室太阳能系统的耗电量，测试期间太阳能系统耗电量总计 １１ １３２ ｋＷｈ，平均每天耗电量９７．５ ｋＷｈ。与图７的电加热炉的耗电量相比，多出的３ ９９６ ｋｗｈ即为集热水 箱与室外管路中的伴热带的耗电量。 对其采暖费按０．５元／ｋＷｈ进行计算，三居室采暖费１７．３６元／ｍ ，二居室采暖费１８．５１元／ｍ 。根据 京价（商）字￣２００１３３７２号文件，燃煤锅炉（间供方式）供应的民用采暖季供暖价格为１９元／ｍ 。由此可见该 １ ４０
建材世界 ２０１１年第３２卷第６期 ０００ ・夜晚 口白天 加热炉累积耗电量 ０００ ０００ 面８ 薹 ８ ０００耀 躔 ０００ 藿 ２ ０００ ０００ ｌ ｌ Ｊ ｌ Ｉ Ｉ Ｊ ｌ Ｉ ＩＩ Ｉ Ｉ Ｉ ｌ ｆ Ｉ ｌ Ｉ Ｉ Ｉ ｌ Ｉ Ｉ ｌｎ０．寸 －＿ ＿＿ 卜ｔ＂ｌ ｒ、 ０ ｎ０ｌｎ０Ｖ－Ｉ Ｉｎ０寸 ００寸 ＿＿ ０。ｏｎ０ 。ｏｎ ｏ。 ０ ０ｌｎ０ 一 Ｃ－Ｉ 卜 Ｉｎ ０ ｌｎ ＿＿ Ｉ Ｉ ｌ Ｉ ｌ ｌ Ｉ Ｉｌ ｌｌ Ｉ Ｉ Ｉ ｌ ｌ Ｉ ｌ Ｊ Ｉ Ｉ ｌ Ｉ Ｉ ｌ ｌ ｌＩ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ ｌＩ Ｉ ｌ Ｉ －－ ｛ ｛ 一…一 Ｃ＇Ｉ ｜ ｔ＂４ｎｍｎｎ Ｈ一 ｃ，ｌ ｎ ｎ －一一 ＿一 －＿００００００００００００００００ 时间 时间 图８白天和夜晚电加热炉瞬时功率图 图９太阳能系统累积耗电量图 系统较燃煤锅炉采暖系统相比并没有达到良好的经济效果。 分析耗电量的特点，表现为夜间耗电加剧，伴热带耗电量大。而该系统太阳能节能效率公式中的消耗总 电量包含了集热水箱和室外管路中伴热带的耗电量，且在无太阳辐射时段，回水经过循环至楼顶储水箱时， 由于房山地区室外温度低，已经散热使温度降低甚至低于补给水的温度，在这一时段，系统中太阳能集热器 成为散热元件向室外散热，而此部分热量由伴热带提供。故系统太阳能节能效率低。 ５．４太阳能贡献率 表４三居室热负荷表 对太阳能贡献率进行研究，将三居室的供热负荷分为白天 （１０：００￣２２：ｏｏ）和夜间（２３：Ｏ０～９：００）进行计算，应用公式Ｑ— ＫＦ△ ，室内外温差平均值：白天１５．４℃，夜晚２ｏ．２℃，结果如 表４所示。 计算太阳能贡献率，假设夜间地板采暖回水不经过太阳能集热器而直接汇人电加热炉，太阳能贡献率为 被动太阳能建筑的供热负荷中太阳能获热所占的百分率，也称太阳能供暖保证率ＳＨＦ（Ｓｏｌａｒ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｆｒａｃ— ｔｉｏｎ）。 ’ ＳＨＦ＝ 式中，总净太阳能得热量用热负荷与白天电加热炉平均功率之差计算，维持室温时的总耗热量用总热负荷计 算，依表４ ＳＨＦ＝ 趟 监 一 ｒｆ￣ｏ＝２４．８ 对于太阳能贡献率，根据图８，白天电加热炉平均功率小，所以太阳能贡献率符合要求，说明太阳能集热 器有效。 综合系统能耗分析，虽然该系统太阳能贡献率达到设计要求，但太阳能节能效率低。应考虑对系统进行 改善优化。 ６ 系统优化及改进措施 在图２的基础上加入三通阀，水泵１，闸 阀和旁通管，优化后如图１０的形式。 结合图７，在１１：００至２１：ＯＯ通过自控 系统启动太阳能集热器加热热媒水，在其他 时段启动辅助加热炉加热水。在太阳能集 热器不工作时，为了保证管道内水不被冻 结，加旁通管，起到循环水的作用。为提高 集热效率，建议在蓄水箱中加入相变材料加 强其蓄热性能。 自 ７结 论 地板辐射采暖 图１Ｏ采暖系统优化图 ａ．山区室外温度的特征是昼夜温差大。 测试期间每天室内外温差最大值为１６．２℃，最小值为７．９℃， １４１
建材世界 ２０１１年第３２卷第６期 测试时间内室外平均温度为一３．９℃；室内采暖平均温度１２．２℃，室内外平均温差为１６．１℃。 ｂ．电锅炉电功率夜间集中在７ ５００￣９ ５００ Ｗ，白天集中在６０￣１００ Ｗ，夜间的电功率是白天的１００倍左 右。电锅炉平均时耗电量最大值１１．６ ｋＷｈ，最小值０．３ ｋＷｈ；夜间平均每小时耗电量１０．２ ｋｗｈ，白天平均 每小时耗电量３．０ ｋＷｈ。 ｃ．太阳能系统平均每天耗电量９７．５ ｋＷｈ，三居室住户采暖费１７．３６元／ｍ ，二居室住户采暖费１８．５１ 元／ｍ。，没有明显的经济效果。 ｄ．三居室的太阳能节能效率为３．５ ９／６，二居室的太阳能节能效率一１．８９／６，系统设计不合理，优化后系统 节能效果可约为２５ ９／６。 ｅ．太阳能地板采暖系统性能评价指标中除太阳能贡献率之外，还需加入太阳能系统节能效率。 参考文献 ＥＩ］江亿．我国建筑能耗趋势与节能重点Ｅｌｉ．绿色建筑特刊，２００６． Ｅ２］陆耀庆．实用供热空调设计手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００７． ［３］北京市地方标准．居住建筑节能设计标准．３．０．１．ＤｌＢＪＯ１—６０２－－２００４ ［４］京价（商）字（２ＯＯ１］３７２号文件． ［５］袁家普，张广顺，张进峰．太阳能热水系统手册［Ｍ］．化学工业出版社，２００８（１０）． ［６］赵群，李桂文．被动太阳能建筑太阳能贡献率的影响因子［Ｊ］．低温建筑技术，２００８（１）． Ｅｓ］李涛．北京农村住宅采暖节能研究及太阳能一蓄热地板传热特性理论分析［Ｄ］．重庆大学，２００７． ［６］何梓年．太阳能热利用与建筑结合技术讲座三太阳能采暖系统［Ｊ］．可再生能源．２００５（２）． １４２
