摘要：我国大部分地区都需要供暖，供暖能耗是冬季建筑能耗的主要组成部分。太阳能属于低位可再生能源，具有清洁、环保、可再生等优点。如果能充分利用太阳能作为采暖系统的辅助热源，在冬季进行采暖，既可以减少化石能源的消耗，又可提高太阳能在建筑供暖能源中的利用率，同时，也减少了因化石能源消耗造成的污染排放，节约了高品位能源消耗，大幅降低了运行成本。
关键词：太阳能集热器；低温辐射；节能减排；优化运行
0 引言
目前，全球能源危机日益严重。利用太阳能等可再生能源是解决这一问题的有效方法之一。我国多数地区太阳能资源丰富，年日照量在2200h以上，年辐射总量大约为3340～8360MJ/m2，相当于110～250kg标准煤/m2[1]。未来能源发展的趋势，太阳能节能更是建筑节能中最关键的一点。
本文研究了太阳能低温地板辐射采暖系统的环境效益与经济效益，得到了太阳能地板采暖系统在运行期间内有着良好的环境效益和经济效益。虽然初投资较高，但运行费用低廉，并且长期运行该系统可大大减少二氧化碳排量，有利于缓解全球变暖，同时也减少了酸性气体和悬浮颗粒物的排放量。
1 工程概况
传统的太阳能采暖装置的系统运行不够稳定，易出现温度波动。夜间采暖效果不好，能量利用率低。
本装置提出一双循环电辅助热管太阳能地板辐射采暖装置，该装置适用于太阳能资源丰富的别墅、低层办公室建筑及农村住宅的冬季供暖，装置特征在于由热管式太阳能集热系统、电辅助加热系统和地板辐射采暖系统组成的综合供暖空调系统，传统模式电加热辅助太阳能采暖装置采用了一个大水箱，并把电辅助加热装置放入了大水箱，本装置的关键技术在于采用双循环供热模式，增加了一个小水箱，并把电加热装置放入了小水箱中，可以明显缩短电辅助加热的时间，改善电辅助加热的效果。节约了加热大水箱的能量，使系统温度稳定。做到了既节能又舒适。集热器安装如图1[2]。
2 理论模型建立及能耗分析
为研究系统的适用性和节能性，本文选择在我国华北地区的城市――北京市，建立一栋小型别墅模型。该建筑模型采用太阳能集热系统和电辅助加热系统并联，以改善辅助加热采暖效果。在该建筑模型内分别用dest和ansys作能耗分析，通过软件模拟计算得出本工程能源消耗量并分析，为双循环电辅助热管太阳能地板辐射采暖装置在我国太阳能资源丰富地区的推广及运行情况做理论上的指导。
室内的设计工况以及室外气象参数是负荷的主要影响因素。Dest软件本身集成了193个典型城市的气象数据，这些气象数据是由气象模型Medpha所生成，其基础是20年的实测数据和随机气象数据模型[3]。本工程采用的是地板辐射采暖，设计室内温度略低于市政供暖室温。但是辐射采暖的舒适度高于对流采暖舒适度，所以可以达到舒适度要求。工程中设计室内温度最低为13.5℃，最高温度17℃。
使用dest对建立本工程模型，将系统的数据参数输入程序，用dest计算作能耗分析各计算结果如表1所示。
Dest作分析计算后得出室内负荷及面积热指标列入表1。
Dest作分析计算后得出房间热荷统计列入表2。
Dest对本系统分析后统计得出采暖季单位面积平均热指标为19.63W/m2，则平均热负荷为2355.6W。
3 数据分析
本章对双循环系统性能进行数据分析，数据来自北京地区实验实测记录，分别对双循环系统在不同运行工况下的能耗和室内状态及理论分析，为实际的双循环系统提供理论依据。
3.1 大循环工况分析
太阳能的蓄热主要从早上7：00开始持续到下午5：00，但是由于水箱的蓄热，大循环可以持续到23：00。以2015年2月11号为例分析一天中逐时温度变化分析。 主要温度变有以下几方面：①图3中室内温度T8基本稳定在15℃。室内温度没有因室外温度变化而波动，适合人的居住活动。这也体现了本系统的供热的稳定性。②图2中从7：30以后集热管温度T2、T3开始急剧上升，温度达到大水箱温度时开始对水箱加热，集热管的温度变化变缓。③图2中大水箱里的水经水泵循环到集热器，在集热器中加热，大水箱与集热器温度变化趋势几乎一致。④16：00以后集热管集热能力下降，不足以承担室内负荷，大水箱温度降低。17：30之后几乎无集热（此时热管温度曲线与大水箱温度曲线分离），但由于大水箱有较高温度，因此可以继续为室内供热。
系统中温度的波动主要体现在太阳能加热方面，早上因为太阳辐射，集热管对大水箱加热。大水箱开始蓄热，温度逐渐上升，至最高峰15：30以后集热管集热量小于冷负荷，大水箱开始释放储存的热量，温度开始降低。
大水箱温度约在早上8：10达到30℃，此时大循环开始。在刚开始由大水箱供热时，太阳辐射强度不能够承担热负荷，所以大水箱温度有一小段下滑。随着太阳高度的变化，吸收的太阳能越来越多，大于室内负荷。此时大水箱开始蓄热，大水箱总能量上升，温度增加。太阳能热管吸收的能量一部分承担室内负荷，另一部分转储存在大水箱中。一天中焓值最高出现在15：30，此时热管吸收的太阳能刚好等于室内负荷，大水箱储热达到最大值。此后，被吸收的太阳能小于室内负荷，大水箱储存的热量开始承担室内负荷。按照2kW的负荷计算，大约在22：00以后大水箱温度低于25℃。系统也由此进入小循环工况。
如图4，在14：30之前蓄热功率时大于放热功率的。这段时间水箱的温度会持续增加，之后则持续减少。放热功率曲线与时间轴围城的曲线要大于蓄热功率与时间轴围城的曲线的。水箱蓄热平均功率在3.55kW，放热平均功率在3.31kW。则蓄热能效计算如下：
蓄热量=蓄热功率×蓄热时间=115020kJ
放热量=放热功率×放热时间=96520kJ
蓄热能效=放热量/蓄热量×100%
蓄热能效=83.916%
3.2 小循环工况分析
当大水箱温度低于25℃时，则不足以保证室内舒适的温度。系统自动切换到小循环工况，由辅助加热器提供热量。与太阳能加热不同，电加热更稳定。当系统切换到小循环工况时，加热器迅速加热小水箱。如图3.4所示，小水箱水温稳定在32～35℃之间，室内温度稳定在14.3℃。循环供水温度为30.51℃，循环回水温度为24.44℃，供回水温差为6.07℃。
太阳能集热器持续吸收热量加热大水箱，当大水箱温度大于30℃时，系统切换为大循环工况，电辅助加热停止工作。
3.3 辅助加热效率分析
式中：Q1表示被室内利用的热量kW；C表示热媒水的比热kJ/kg；M表示热媒水的质量流量kg/s；ΔT表示热媒水的供回水温差℃；η表示热量利用效率；P表示辅助加热器的功率kW。
η=4.18×0.073×6.07/2×100%
=92.6%
3.4 节能减排及经济效益分析
本工程面积为120平方米，则每年供暖费用为2880元。
电辅助加热器的功率为2kW，平均工作时间为夜间23：00至次日8：00，时长九个小时。耗电量18千瓦时（每月消耗电量540千瓦时）。北京市供暖时长为120天，总耗电量为2160千瓦时。
北京市居民基准电量为240千瓦时/月。现按每户日常用电量为240千瓦时/月计算。则当年11月份到次年3月份用电量分别为510千瓦时、780千瓦时、780千瓦时、780千瓦时、510千瓦时。
按阶梯电价收费标准，则每月采暖用费计算如下：
11月：160×0.5383+110×0.7883=172.841元
12月：160×0.5383+380×0.7883=385.682元
1月：160×0.5383+380×0.7883=385.682元
2月：160×0.5383+380×0.7883=385.682元
3月：160×0.5383+110×0.7883=172.841元
合计=172.841+385.682+385.682+385.682+172.841=1502.728元/年。
本工程出投资约为2万元。北京市对太阳能采暖补贴如下：
太阳能热利用。农村住户在自有住房和村集体在公用建筑安装太阳能采暖设施的费用由市发展改革委固定资产投资承担30%、农村住户或村集体承担三分之一，剩余部分由区县政府承担。除去政府补贴实际投资为6670元，每年采暖费用节省费用为1377.272元，所以五年内收回初投资。
以后每年节约1377元的建筑能源费用，相当于节约了1747千瓦时的电量（6289.2MJ）。1kg标准煤能够产生3.2kg的CO2，同时1kg标准煤能够产生20908kJ的热量约为5.8度电。所以一年可以节约燃煤301kg，减少CO2排放量963kg。
4 结论
从数据分析中可以得出若一间120m2的房间适应双循环地板辐射采暖系统的话，则每年可以节约用费1377元，节约用煤301kg，减少CO2排放963kg。同时，在除去极端天气情况下。室内温度可以维持在14℃以上，由于辐射采暖的舒适度还略高于对流采暖。本系统不仅高效的利用了太阳能，还解决了传统太阳能采暖夜间能耗大、温度不稳定的问题。
具体结论如下：
①本系统可以节能减排，减少化石燃料使用。
②系统是环境友好型技术，是有利于环境的生产和消费方式，促进走向环境友好型社。
③我国应加大投资力度，降低生产成本，大力开发利用农村太阳能资源，大面积推广使用本系统，争取能形成规模效应，在国际碳交易市场出售减排额。这样不但可以减少温室气体排放，有助于国家积极应对气候变化，还可以显著增加农村人口经济收入，促进农村地区的经济发展，推动社会主义新农村建设和国家的可持续发展。
参考文献：
[1]王倩，高新宇.太阳能采暖系统应用现状与发展[J].区域供热，2009.
[2]于国清，王小兵.小型太阳能复合供热系统的应用与设计[J].暖通空调，2007.
[3]燕达，谢晓娜，宋芳婷.建筑模拟技术与Dest发展简介[J].暖通空调，2004.
