太阳能地板采暖技术在工业建筑中的应用

Industrial Construction Vol.40，No.8，2010工业建筑2010年第40卷第8期57太阳能地板采暖技术在工业建筑中的应用曲航1，3于晓2赵军3岳仁文1（1.鲁东大学应用技术学院，山东烟台264025；2.鲁东大学土木工程学院，山东烟台264025；3.天津大学机械工程学院，天津300072）摘要：对于位于我国严寒地区和寒冷地区的工业建筑来说，采暖在其总能耗中占据相当的比例。

传统采暖方式在能耗和环保等方面存在诸多不足，与地板采暖相结合的太阳能采暖这一可再生能源技术具有较好的发展前景。

在对该项技术进行介绍的基础上，详细分析此类系统的若干关键问题：蓄热、保温以及集热器倾斜角对系统性能的影响；指出采用水泥蓄热体和集热器立面安装的特点和优势，可为该项技术的推广提供参考。

关键词：工业建筑；太阳能采暖；立面安装；地板采暖APPLICATION OF SOLAR FLOOR HEATING TECHNOLOGY ININDUSTRIAL BUILDING WITH FLOOR HEATINGSQu Hang 1，3Yu Xiao 2Zhao Jun 3Yue Renwen 1（1.School of Applied Technology ，Ludong University ，Yantai 264025，China ；2.School of Civil Engineering ，Ludong University ，Yantai 264025，China ；3.School of Mechanical Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ）Abstract ：For the industrial buildings in the extremely cold and cold regions in China ，the space heating has a considerable proportion in their total energy consumption.Traditional space heating has disadvantages from both energy consumption and environment.The renewable energy technology ：solar space heating technology has the potential to develop.This paper introduced this technology and studied the critical issues including heating storage ，insulation and collector tilt angle.The characteristics and advantages of concrete slab storage and facade installation were revealed.The results may be a reference for popularizing this technology.Keywords ：industrial building ；solar space heating ；fa ade installation ；floor heating第一作者：曲航，男，1969年出生，博士研究生。

E －mail ：quhang0922@收稿日期：2010－03－10我国地域辽阔，各地区气候条件相差较大。

对于按照建筑气候分区地处严寒地区（进一步划分为A 区及B 区）以及寒冷地区［1］的企业来说，厂房和仓库的采暖在其总能耗中占据相当的比例，如果能利用太阳能这一可再生能源进行采暖，不但可以大大降低采暖费用、减少企业的生产成本，而且可以节约一次能源，减少温室气体排放，符合可持续发展的理念和当前的政策导向。

从太阳能资源分布的角度来说，我国可以分为由高到低四个资源带［2］。

其中资源丰富带（年辐射总量不小于6700MJ ·m －2·a －1）和较丰富带（年辐射总量为5400 6700MJ ·m －2·a －1）几乎涵盖华北、西北全境以及东北部分地区，与我国建筑分区的前两类地区吻合程度较为理想，具备发展太阳能采暖技术的资源条件。

就工业建筑本身而言，与住宅和办公楼相比，厂房和仓库有其自身特点，其室内高度为5 10m ，室内温度要求为15 18ħ。

这种较低的温度要求非常适合于应用太阳能光热转化技术，具有较大的市场潜力。

1传统的厂房采暖系统厂房的采暖主要可分为直接式和间接式两种。

直接式即直接点火的燃气辐射采暖，以使用天然气为主，也可使用液化天然气和煤气，大多见于国外（图1），这种方式不适合与太阳能系统相结合。

间接式是目前国内较为传统的工业厂房采暖方式，它利用热水或蒸汽锅炉提供热源，通过系统管路58工业建筑2010年第40卷第8期图1燃气式取暖器Fig.1Gas combustion heater和散热设备加热厂房内空气，通过对流换热的方式达到采暖的目的［3］。

天棚辐射采暖和风机盘管系统都属于此类（图2、图3），此两种系统的缺点是工作温度相对较高（50 70ħ），能耗也相对较大。

图2天棚辐射采暖Fig.2Radiant ceilingheater图3风机盘管Fig.3Fan coil unit2地板采暖系统介绍2.1地板采暖系统的优势有鉴于此，另一种间接式采暖方式———地板采暖在欧美国家厂房类建筑中的应用正变得日益广泛，图4和图5分别为德国BMW 公司的地板采暖施工现场和采用地板采暖系统的德国LTU 航空公司飞机修理库。

与风机盘管相比，其不仅改善了室内热环境，而且节能效果较好，运行成本也降低了20%以上［4］。

更为重要的一点是，由于其较低的工作温度使其非常适合于与太阳能相结合，理论上只要太阳能集热器的出口温度高于厂房内环境温度即可。

即使考虑到管路系统各个环节的热损失，地板采暖的工作温度（指循环水温）要求也仅为40 65ħ。

图4BMW 公司的地板采暖系统施工现场Fig.4Construction site of floor heating system inBMW图5采用地板采暖系统的LTU 飞机修理库Fig.5Maintenance workshop with floorheating system of LTU aircraft从使用效果和舒适性方面进行对比，传统的散热器以对流方式传热，地面附近温度最低，而热空气集中在顶棚一线，影响了采暖效果，并造成能源的浪费。

一方面，高大的厂房又将这种劣势急剧放大；另一方面，空气对流会将细小的尘埃带离地面，不利于环境卫生和员工健康。

地板采暖则以辐射方式传热，这种方式自然而舒适。

由于各个表面吸收地板辐射的热量后成为二次辐射体，使整个厂房得到均匀加热。

2.2地板采暖系统的特点许多生产企业不仅可以提供适于住宅的地板采暖系统，还可根据厂房的特点设计有针对性的系统。

此类系统不仅可铺设在普通的厂房地面下，也可以不同形式铺设于承载结构楼板（图6）。

1—边缘保温层；2—加强条；3—混凝土板；4—管扎；5—管栅；6—聚乙烯隔层；7—混凝土板层；8—保温层；9—采暖管路图6结构楼板采暖系统Fig.6Structural floor heating system保温层在地板采暖系统中可以在很大程度上避免热量向下传递，起着非常重要的作用；另一方面，此保温层还可以作为建筑本身的保温层，并减少其采暖负荷。

在设计时地面的总传热系数（U值）可参照相关国家和国际标准确定。

厂房地板采暖系统的管路埋设深度需综合考虑实际情况，比如机器设备用地脚螺栓固定时，需要在铺设混凝土地面时事先予以考虑，以避免对管路的破坏；另一方面，从采暖效果来说，管路安装深度加大将导致厂房升温时间延长等负面影响。

对于管路安装深度较大的系统，需采取提前开机的控制策略。

3厂房的采暖需求厂房的采暖负荷是设计地板采暖系统的主要依据，它取决于保温情况、厂房的具体形式、用途等。

厂房用途的差异将决定厂房的内部得热量、热损失和通风损失，进而直接影响厂房的采暖负荷。

多数厂房的混凝土楼板较重，而墙和顶棚则为轻质结构。

这种轻质结构大多为两层金属薄板内衬保温层，此类金属板可采用异型钢板或者波纹板。

预制式的三明治板现在使用也较多。

从传热角度分析，这种轻质结构的热损失很低。

如果厂房本身能够按照“被动式太阳房”的标准建造，则可以从根本上达到节能的目的［5］。

在工业建筑的太阳能采暖系统设计时，建筑的采暖需求应当尽可能准确，而这又直接取决于当地的气象条件、建筑的具体情况（屋顶、外墙及窗户的总传热系数U（W·m－2·K－1）值），以及工业建筑内部的得热情况（人员、照明灯具、设备及换热率）。

TRNSYS软件集成了各个地区的典型气象参数，可以用来对某一特定地区的太阳能采暖系统进行仿真分析［6］。

4太阳能地板采暖系统的配置以及若干关键问题4.1太阳能地板采暖系统的组成图7为工业建筑太阳能地板采暖系统的配置图，此系统还可同时满足生活热水需求、办公室的采暖需求和工艺过程供热。

集热器吸收太阳辐射，通过换热器将所转化的热量储存在水泥蓄热体中，并进一步供给地板采暖系统。

为了保证集热器在冬季的正常工作，采用复合回路系统：其中一个回路由集热器和换热器组成，使用乙二醇等不冻结的传热介质，将集热器收集到的太阳能通过换热器传递给水泥蓄热体；第二个回路为供热水回路。

从简化系统减少设备投资以及减少换热损失的角度出发，可以取消换热器，并在整个系统中充以防1—集热器阵列；2—水泥蓄热体；3—地板采暖系统；4—换热器；5—备用锅炉图7与地板采暖相结合、采用水泥蓄热体的太阳能系统Fig.7Underfloor heating system with directcharging of floor slab from solar collectors冻液，但这样也导致整个系统充注的防冻液数量大大增加，提高了相应的成本。

4.2蓄热的问题蓄热是太阳能系统建设的关键要素之一。

太阳辐射受到季节、时间和天气变化的影响，蓄热装置是保证太阳能系统全天候运行所必需的。

较为常规的蓄热方法是采用蓄热水箱，而上文中采用的水泥蓄热体是一种因地制宜的作法，它所根据的是水泥比热较大的特点，以及工业建筑水泥地面相对较厚，且室内温度要求低于民用住宅的特性。

水泥蓄热体的厚度和管路安装深度是系统设计的关键指标，这些指标在进行设计时可通过仿真或试验方法加以评估和确定。