一、引言
太陽能地板輻射采暖是一種以采集的太陽能作為熱源，通過敷設于地板中的盤管加熱地面進行供暖的系統，該系統是以整個地面作為散熱面，其輻射換熱量約占總換熱量的60%以上，它是以輻射散熱為主。常規的散熱器是以對流式散熱為主，其采暖效果不夠理想，舒適性和衛生條件欠佳。因此，太陽能地板輻射采暖越來越受到人們的關注。它在北美及歐洲的發在國家已經被廣泛地應用。尤其是地板輻射采暖與其生活習慣、居住方式相協調，例如，韓國和日本以"踏踏迷"居住方式為主，地板輻射采暖在這個兩個經濟發達國家更得到了廣泛的使用。
輻射采暖是依靠輻射傳熱的方式將熱量傳遞到物體和人體表面，在輻射采暖正常運行的情況下，若室外溫度相同，要想達到相同的舒適度，它的周圍空氣溫度比對流采暖條件要求低3℃左右。根據人體的舒適感生理條件要求，地面溫度為24℃～28℃[1]。因為地板輻射采暖的熱媒溫度為40℃～60℃的低溫熱水，這就使利用太陽能集熱器成為可能。太陽能利用技術的進展，將逐步解決日益緊缺的能源問題。所以，太陽能地板輻射采暖將越來越受到人們的歡迎。
二、太陽能地板輻射采暖的技術經濟
目前，由于我國人口增長速度較快，使住宅越來越昂貴，所以使用太陽能地板輻射采暖必然會增加建筑物的初始成本，但是，就建筑物的整個壽命來計，它的費用卻是降低了。所以，采用太陽能地板輻射采暖以后，能使投資得到最高回報的方法
時：
首先，要建立一個高能效的太陽能地板輻射采暖系統，例如它的管距相當，管材的合理使用，所采集能量充分利用等是使投資的回收提高的主要因素。
其次，盡量使系統被動化，也就是，使系統盡量減少輔助熱源，熱水所需熱量均來自太陽能，從而減少采暖運行所需的常規能源。
第三，在采暖期較長的地方使用太陽能地板輻射采暖系統。因為該系統要比傳統的散熱器的初始成本高，但是，我們可以這樣認為，此系統不僅是能量的消耗者，它也是能量的生產者。使用的越頻繁，它所生產的能量越多，也主是利用的太陽能越多，這樣才能使初始的投資得到更多的回報。鑒于此，建議我國北方采暖期較長的地方推廣太陽能地板輻射采暖系統。
三、太陽能地板輻射采暖的工作原理
太陽能地板輻射采暖系統可采用圖1所示的形式：
圖1 太陽能地板輻射采暖系統
典型的太陽能地板輻射采暖系統由太陽能集熱器，控制器，集熱泵，蓄熱水箱，輔助熱源，供回水管，關斷閥若干，三通閥，過濾器，循環泵，溫度計，分水器，加熱器組成。
當T1＞50℃時，控制器就啟動水泵，水進入集熱器進行加熱，并將集熱器的熱水壓入水箱，水箱上部溫度高，下部溫度低，下部冷水再進入集熱器加熱，構成一個循環。當T1<40℃，水泵停止工作，為防止反向循環及由此產生的集熱器的夜間熱損失，則需要一個止回閥。當蓄熱水箱的供水水溫T3＞45℃時，可開啟泵3進行采暖循環。和其它太陽能的利用一樣，太陽能集熱器的熱量輸出是隨時間變化的，它受氣候變化周期的影響，所以，系統中有一個輔助加熱器。
當陰雨天或是夜間太陽能供應不足時，可開啟三通閥，利用輔助熱源加熱。當室溫波動時，可根據以下幾種情況進行調節。如果可利用太陽能，而建筑物不需要熱量，則把集熱器得到的能量加到蓄熱水相中去；如果可利用太陽能，而建筑物需要熱量，把從集熱器得到的熱量用于地板輻射采暖；如果不可利用太陽能，建筑物需要熱量，而蓄熱水箱中以儲存足夠的能量，則將儲存的能量用于地板輻射采暖；如果不可能利用太陽能，而建筑物又需要熱量，且蓄熱水箱中的能量已經用盡，則打開三通閥，利用輔助能耗對水進行加熱，用于地板輻射采暖。尤其需要指出提，蓄熱水箱存儲了足夠的能量，但不需要采暖，集熱器又可得到能量，集熱器中得到的能量無法利用或存儲，只能放棄掉，為節約能源，可以將熱量采用其它方法利用，例如供應生活用熱水。
蓄熱水箱與集熱器上下水管相連，供熱水循環之用。蓄熱水箱容量大小是太陽能地板采暖日需熱水量而定。熱水量的計算將在下文的設計計算中具體敘述。在太陽能的利用中，為了便于維護加工，提高經濟性和通用性，蓄熱水箱已標準化。目前蓄熱水箱以容積分為500升和1000升兩種，外形均為方表。容積500升的水箱外形尺寸為：778×778×800毫米，容積為1000升的水臬外形尺寸為：928×928×1300毫米[2]。
太陽能集熱器的產水能力與太陽照射強度、連續日照時間及背景氣溫等密切相關。夏季產水能力強，大約是冬季的4～6倍。而夏季卻不需要采暖，洗浴所需的熱水也較冬季少。為了克服此矛盾，可以嘗試把太陽能夏季生產的熱水保溫儲存下來留在冬季及陰雨季節使用，這就不僅可以發揮太陽能采暖系統的最佳功能，而且還可以大在降低輔助能的使用。在目前技術條件下，最佳的方案就是把夏季太陽能加熱的熱水就地回灌儲存于地下含水巖層中。不過該技術還需進一步研究和探討。
四、太陽能地板輻射采暖的設計計算
輻射采暖自70年代初在天津推選以來，至今還沒有專門的理論研究書籍出版，規范中也沒有制定多少實用條文。而太陽能地板輻射采暖的設計資料則較少，其他輻射采暖額定工況下的散熱量不像傳統的散熱器一樣有試驗數據或實驗公式可計算，至今也沒有一套完整的太陽能地板輻射采暖的設計計算方法。本文以天津市一普通民宅為例，對其進行設計計算
1．設計參數的確定
地板輻射采暖的表面平均溫度數值如下：住宅地面為24℃～26℃；很少有人停留的地面：28℃～30℃；游泳池及浴池地面為30℃～35℃。無人停留的地面為35℃～40℃可見住宅地板輻射采暖的表面溫度一般都低于30℃，所以就要求熱媒溫度為40℃～50℃，就目前我國北方的太陽能集熱器的利用情況來講，熱媒溫度最高為50℃左右，所以我們設計供回水溫度分別為45℃和30℃。
2．供暖熱負荷的確定
供暖系統的設計熱負荷可用下式表示：Q= Q1+ Q2+ Q3+-Qd （1）
其中，Q1為圍護結構耗熱量，Q2為冷風滲透耗熱量，Q3為冷風侵入耗熱量，Qd為太陽輻射進入室內的熱量。這里我們需要指出的是，由于此系統是以輻射采暖為主（占60%以上），輔以對流傳熱，所以這和以往計算中有所區別的室內計算溫度。根據《暖通規范》及實際工程設計情況，一般民用建筑冬季室內設計溫度取18℃。前面已經指出，輻射采暖的設計溫度比普通散熱器采暖的設計溫度低1℃～3℃，所以我們取為15℃。但這種計算方法繁瑣，且需要條件多。
在工程中，建筑物和房間的設計熱負荷可近似按下式計算： Qf=φQ （2）
式中：Qf--全面輻射采暖的設計耗熱量 φ--修正系數，φ=0.8～0.9
根據《民用建筑采暖通風設計技術措施》所提供的單位面積熱指標法所給出的數值，住宅為40千卡/米2時～60千卡/米2時。我們取天津市普通住宅，所以取Q=50千卡/米2時，根據（2）式，得Qf =0.85×50==42.5千卡/米2時。[3]
3.地板供熱量
地板傳熱主要是由地板內鋪設的加熱盤管中的熱水向外傳熱，此傳熱過程大致可以分為兩個階段，第一階段為由管壁至地板表面的過程，可看作是無內熱源，常物性介質中的二維穩態導熱過程。第二階段為由地板至室內空氣的傳熱過程，可作為熱面朝上的換熱過程。從傳熱利用率角度來講，地板供熱總量
Qz= Qu + Qs w/m2 （3）
Qu為地板向上的有效傳熱量（w/m2），Qs為地板熱傳導損失的熱量。Qs與很多條件有關，如管材的選擇，管距的布置，保溫層的厚度以及地板的材質等等。這里根據經驗，取η=20%，又因為Qu = Qf=42.5千卡/米2時，所以Qz =53 千卡/米2時。
根據工程設計經驗，此種住宅設計可選用排管間距為20mm，周邊排管間距為100mm的木革地面。
4．熱水耗量和總耗熱量
（4）
tg-th為太陽能地板輻射采暖系統的供回水溫度差，為45－30=15℃。
忽略管道的沿程熱損失，則近似認為總耗熱量為Qm=Qz=53千卡/米2時
5．集熱器集熱面積的確定
--集熱器單位平方米的耗熱量
--投身到集熱器單位面積上太陽輻射熱量
Ql--集熱器、管道、水箱總熱損失
取天津市太陽輻射強度I=500千卡/米2時，玻璃透過率 =90，吸收率a=90%。式中影響Ql的因素很多，在熱水器裝置設計中很難用計算方法求得，這里根據經驗取Ql =32千卡/米2時，待整個系統建成后，可以實驗修正。[4]
則 =500×9.0×9.0-32=373千卡/米2時。
每平方米建筑面積所需集熱器采光面積
6．集熱器布置
集熱器可布置在多層建筑屋面上，如果集熱器外形為1m×2m的扁管式集熱器，可以以5只集熱器作為一個組合，根據每棟建筑所需的集熱器面積確定共需多少組集熱器，水箱則置于集熱器東側，不受下午陽光遮蔽的影響。根據每平方米建筑面積所需的采光面積和所需的循環水量可以算出，每個集熱器至少需要產水50升，所以每十只集熱器應配備一個循環水箱。集熱器之間應適當留有空隙，便于維修和管理。需要說明的是，將集熱器布置在屋頂上，一定要查明屋面情況，確定其能否符合集熱器和水箱的重量。
對于高層建筑來時，由于住戶較多，需要的采光面積大。如果仍然將它布置在屋面上，可能出現屋面面積不足，集熱器布置不開的問題。對于這種情況，可以將太陽能集熱器與建筑物分離，單獨對太陽能集熱器進行布置，集中供暖。而且隨著太陽能利用技術和材料技術的發展，未來也可以濃度將太陽能集熱器和建筑物一體化的方法，將太陽能集熱器作為建筑物的一部分，既不影響美觀，又很好地解決了集熱器布置問題。
五、結束語
太陽能地板輻射采暖既是一種能量消耗系統，也是能量生產系統，它具有節能、清潔與環保、舒適性好、便于熱計量等特點，是一種綠色的采暖方式。隨著人們對生活質量要求的提高，太陽能地板輻射采暖系統必將會得到越來越廣泛的應用。
