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【摘要】根据新疆太阳能资源比较丰富的特点，提出了住宅以太阳能热源为主的地板采暖+热水系统，并有效结合壁挂锅炉热源，实现集采暖、生活热水为一体的家居舒适系统。阐述了系统构造、水循环系统、控制系统等技术特点及原理,并对地板辐射采暖系统进行了分析计算、设备选型和系统的运行模式进行了探讨。关键词:太阳能、地板采暖、生活热水、壁挂炉、流量平衡罐真空集热器
随着石油和煤炭等资源的减少，可再生能源的利用已经成为国家发展节能的战略措施。我区拥有丰富的太阳能资源，全年日照时数2500-3550
2.太阳能＋壁挂炉系统双热源并机原理系统采用太阳能、燃气壁挂锅炉两种热源，通过一个“流量平衡罐”将两种热源有效并机，使整个系统自动化控制，实现地板采暖、生活热水的两大功能。太阳能循环系统对双盘管换热水箱加温，换热盘管(图-H2)、水泵P3形成一个循环系统，将太阳能的热源水送至流量平衡罐。与壁挂锅炉的热水，在流量平衡罐内混合。流量平衡罐是两个热源系统并机的关键部件，起到热源混合与水力、流量平衡分配的作用。
地暖、生活热水-太阳能+壁挂炉系统原理图 图
3.4蓄热水箱的计算蓄热水箱容量的大小与集热器面积及集热温度有关，1㎡集热器所需蓄热水箱容积大约是50～100L。因此，该建筑采暖所需蓄热水箱容积为 V=f×v=75×3.2=240L。 本系统选用垂直分层水箱。垂直分层水箱的工作原理是利用水在不同温度下的密度差, 实现同一水箱可以产生不同的温度分区, 即低温的水位于水箱底部, 高温的水位于水箱上部, 并可以相互不掺混，垂直分层水箱能够提高整个系统的性能。分层水箱下部的水与集热器内的工质进行换热，因为分层水箱底部的水温最低，这样就降低了集热工质的温度，因此能够提高集热器的效率。同时上层温度较高的水进入采暖盘管用于采暖。分层水箱不但可以提高整个系统的性能，还为太阳能地板采暖系统在热量充裕时提供了供应生活热水的可能性，便于系统以后的改造。
3.5 集热器的选择和面积计算 热水工程中，太阳能集热器一般是固定角度安装，其单位面积日有效得热量随季节的变化和每日内太阳辐照强度的变化，并不是一个固定值。其影响因素主要有集热器的安装角度、系统运行工况、所在地气象参数和太阳辐照量等。不同的集热器类型具有不同的集热效率，其有效得热量也不同，所以在实际应用中一般根据集热器生产厂家提供的集热器集热效率等性能参数和太阳辐照资料进行分析计算，取全年平均值。3.5.1 集热器的选择 应该选用符合采暖要求的最经济的集热器。平板形集热器的相对较低，并且平板集热器整体性好，寿命长，故障少，安全，成本造价低，采用排空防冻技术，能很好地解决冬季冻裂的问题。地板辐射热媒的温度较低，一般低于60℃，根据目前太阳能集热器的实际使用情况，太阳能集热器冬季集热温度能够达到45℃，可以达到供暖的要求。平板型集热器能够提供符合地板辐射采暖所需参数的热水。屋面为平板集热器，室内为“分体承压型水箱”的太阳能热水系统方案。3.5.2 集热器的面积计算 确定集热器面积的方法主要有以下两种： 方法一：先计算出建筑物的日供暖热负荷，然后通过热工计算，算出提供这些热量所需要的热水量，再根据集热器热平衡方程式得到单位面积集热器的日产热水量，即可以计算出集热器的面积。 方法二：与方法一原理相似，只是计算过程中思路稍有不同。先根据建筑物的采暖面积确定采暖热负荷Qd，这些热量由集热器供给，计算出单位面积集热器的集热量Qt,采暖热负荷与单位面积集热器集热量的比值就是所需集热器面积。 本文采用方法二计算集热器的面积。计算过程如下： 在工程中建筑物辐射采暖设计热负荷可以近似按下式计算：（1） 式中，Qd全面辐射采暖的设计耗热量，W；F 是建筑物的采暖面积，㎡； Ф是修正系数，这里取0.85； Qf是住宅面积热W/㎡； nch是通过窗户传入室内的热量相当于采暖负荷的百分数。 住宅面积热指标取为54W/m2。考虑到冬季晴朗天气较多，检测设通过窗户传入室内的热量相当于采暖热负荷的30%，需要采暖的房间面积为120㎡，则该建筑物的设计热负荷为： W 集热器每天的集热量为: (2) 所需要的集热器面积为：(3)式中,QT ——集热器的集热量,W/㎡； I——太阳辐射平均日总量,W/㎡； ηt——集热器效率；%，查阅各厂平板家集热器的样本，其热效率最小为52%； Qd——日负荷，W f ——所需集热面积，㎡。 利用上面的公式，根据相关资料查出太阳辐射量，计算得到集热器的面积为3.2㎡。表
随着石油和煤炭等资源的减少，可再生能源的利用已经成为国家发展节能的战略措施。我区拥有丰富的太阳能资源，全年日照时数2500-3550
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小时，在3000h以上地区约占全疆面积的2/3，年总太阳辐射量5000~6400MJ/m2，热量丰富，空气干燥。因此，在建筑领域大力发展太阳能应用成为当前降低建筑能耗的需要，建筑太阳能采暖及热水系统便是充分高效利用太阳能的途径之一。1.太阳能集热系统对建筑的要求
太阳能集热器作为后期设备安装，很难在造型上与建筑结合，影响美观而且容易破坏结构和设备等其它系统，因此在设计初期就应该预留位置以及水管电路，合理布置太阳能循环管路。同时考虑集热板（管）与屋面或墙体的结合等细部处理，包括防雨构造、各组件之间的连接等。实现两者的协调统一。为减少对建筑立面的影响，可选择厚度较小的平板集热器（8cm），采用阳台式、坡屋顶镶嵌式、屋顶排列式等较为全面的结合形式，巧妙实现了太阳能构件与建筑的融合，增添了建筑动感，最大程度利用太阳能资源和最大程度满足建筑设计要求。2.太阳能＋壁挂炉系统双热源并机原理系统采用太阳能、燃气壁挂锅炉两种热源，通过一个“流量平衡罐”将两种热源有效并机，使整个系统自动化控制，实现地板采暖、生活热水的两大功能。太阳能循环系统对双盘管换热水箱加温，换热盘管(图-H2)、水泵P3形成一个循环系统，将太阳能的热源水送至流量平衡罐。与壁挂锅炉的热水，在流量平衡罐内混合。流量平衡罐是两个热源系统并机的关键部件，起到热源混合与水力、流量平衡分配的作用。
地暖、生活热水-太阳能+壁挂炉系统原理图 图
一、强制循环型太阳能热水器原理图图二
3.太阳能集热系统 3.1系统形式：采用分体式串并联强制循环型。真空管集热器采用串并联组合方式通过管道与储水箱相连，根据真空管的水温与水箱的水温之差，用循环泵使真空管的水与水箱的水进行强制热交换。①当储水箱水温低于设定值１时，有以下两种情况：a、若真空管水温高于设定值１，则循环泵工作，水箱水温逐渐升高，当真空管的热水与水箱水温平衡时，循环泵停止工作。b、若真空管水温低于设定值１，则开启辅助热源。②当储水箱水温等于设定值2时，循环泵或辅助热源停止工作。③恒温水箱采用定温式出水，即当水温高于设定值3时向水箱供冷水，当水温等于设定值3时向用户供水。 3.2太阳能集热系统的原理图见图二：1.集热器2.下循管 3.止回阀4.上循环管5.循环泵6.水箱.
3.3太阳能集热换热循环系统承压式太阳能集热板、太阳能循环泵、双盘管换热水箱的一组盘管（图-H1）形成一个闭式循环系统。太阳能循环泵（图-P5）受温度控制进行介质内循环运转，循环介质为专用的防冻液。由于防冻液受温度影响而产生防冻介质的体积、压力变化，需在管路中安装膨胀阀、安全阀、膨胀罐。3.4蓄热水箱的计算蓄热水箱容量的大小与集热器面积及集热温度有关，1㎡集热器所需蓄热水箱容积大约是50～100L。因此，该建筑采暖所需蓄热水箱容积为 V=f×v=75×3.2=240L。 本系统选用垂直分层水箱。垂直分层水箱的工作原理是利用水在不同温度下的密度差, 实现同一水箱可以产生不同的温度分区, 即低温的水位于水箱底部, 高温的水位于水箱上部, 并可以相互不掺混，垂直分层水箱能够提高整个系统的性能。分层水箱下部的水与集热器内的工质进行换热，因为分层水箱底部的水温最低，这样就降低了集热工质的温度，因此能够提高集热器的效率。同时上层温度较高的水进入采暖盘管用于采暖。分层水箱不但可以提高整个系统的性能，还为太阳能地板采暖系统在热量充裕时提供了供应生活热水的可能性，便于系统以后的改造。
3.5 集热器的选择和面积计算 热水工程中，太阳能集热器一般是固定角度安装，其单位面积日有效得热量随季节的变化和每日内太阳辐照强度的变化，并不是一个固定值。其影响因素主要有集热器的安装角度、系统运行工况、所在地气象参数和太阳辐照量等。不同的集热器类型具有不同的集热效率，其有效得热量也不同，所以在实际应用中一般根据集热器生产厂家提供的集热器集热效率等性能参数和太阳辐照资料进行分析计算，取全年平均值。3.5.1 集热器的选择 应该选用符合采暖要求的最经济的集热器。平板形集热器的相对较低，并且平板集热器整体性好，寿命长，故障少，安全，成本造价低，采用排空防冻技术，能很好地解决冬季冻裂的问题。地板辐射热媒的温度较低，一般低于60℃，根据目前太阳能集热器的实际使用情况，太阳能集热器冬季集热温度能够达到45℃，可以达到供暖的要求。平板型集热器能够提供符合地板辐射采暖所需参数的热水。屋面为平板集热器，室内为“分体承压型水箱”的太阳能热水系统方案。3.5.2 集热器的面积计算 确定集热器面积的方法主要有以下两种： 方法一：先计算出建筑物的日供暖热负荷，然后通过热工计算，算出提供这些热量所需要的热水量，再根据集热器热平衡方程式得到单位面积集热器的日产热水量，即可以计算出集热器的面积。 方法二：与方法一原理相似，只是计算过程中思路稍有不同。先根据建筑物的采暖面积确定采暖热负荷Qd，这些热量由集热器供给，计算出单位面积集热器的集热量Qt,采暖热负荷与单位面积集热器集热量的比值就是所需集热器面积。 本文采用方法二计算集热器的面积。计算过程如下： 在工程中建筑物辐射采暖设计热负荷可以近似按下式计算：（1） 式中，Qd全面辐射采暖的设计耗热量，W；F 是建筑物的采暖面积，㎡； Ф是修正系数，这里取0.85； Qf是住宅面积热W/㎡； nch是通过窗户传入室内的热量相当于采暖负荷的百分数。 住宅面积热指标取为54W/m2。考虑到冬季晴朗天气较多，检测设通过窗户传入室内的热量相当于采暖热负荷的30%，需要采暖的房间面积为120㎡，则该建筑物的设计热负荷为： W 集热器每天的集热量为: (2) 所需要的集热器面积为：(3)式中,QT ——集热器的集热量,W/㎡； I——太阳辐射平均日总量,W/㎡； ηt——集热器效率；%，查阅各厂平板家集热器的样本，其热效率最小为52%； Qd——日负荷，W f ——所需集热面积，㎡。 利用上面的公式，根据相关资料查出太阳辐射量，计算得到集热器的面积为3.2㎡。表