散熱器對流采暖、低溫地板輻射采暖熱力學分析

國麗榮，李寶昌

(1.東北林業(yè)大學 土木工程學院，哈爾濱150040;2.哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱150090;3.黑龍江建筑職業(yè)技術學院，哈爾濱150025)

社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展促進人民生活水平日益提高，對供暖房間室內(nèi)舒適性的要求也不斷提高，現(xiàn)代科學技術的高速發(fā)展，使建筑物內(nèi)部采暖方式多樣化，低溫地板輻射采暖和散熱器對流采暖是現(xiàn)在常用的兩種采暖方式.隨著煤、石油等常規(guī)能源的日漸緊缺，而人類對能源需求量卻在不斷上升，國家在尋求新能源的同時，對節(jié)能減排也提出了更高的要求，在利用常規(guī)能源和新能源的同時應做到高效、節(jié)能，已經(jīng)成為人們關注的重點.而供暖方式的節(jié)能也已成為建筑采暖技術的發(fā)展要求.

近些年來關于地板輻射采暖和散熱器對流采暖已經(jīng)做了許多富有成效的研究[1－4].本文以熱力學分析為基礎，從熵和火用兩方面討論計算這兩種常用的采暖方式的節(jié)能性.

散熱器作為傳統(tǒng)的供暖末端設備，通過散熱表面與周圍空氣進行自然對流換熱，同時與圍護結(jié)構(gòu)進行輻射換熱.散熱器采暖是以自然對流換熱為主，輻射換熱為輔的供暖方式.

低溫熱水地板輻射采暖系統(tǒng)是采用建筑內(nèi)部地面暗敷設循環(huán)盤管，以低溫熱水為熱媒，由供暖熱水載荷加熱采暖房間地板，并以地板作為散熱面，與四周墻體、頂棚進行輻射換熱，同時，以熱面朝上的方式與室內(nèi)空氣進行換熱.地板采暖是以輻射散熱為主，自然對流換熱為輔的供暖方式.作為一種新型采暖方式，以其特有的舒適保健、環(huán)保節(jié)能、節(jié)省空間等優(yōu)點，越來越多的的工程和家庭裝修時選用這種新型采暖方式.

1 熵分析

熵是熱力學系統(tǒng)無序程度的量度，熵的數(shù)值表征系統(tǒng)接近平衡態(tài)的程度.能量梯級利用的原則是:能量利用過程中，能級差越大，熵增越大，能量損失越大.節(jié)能最重要的是減少能量利用過程的能級差，使熵增減小.在相同的供暖設計熱負荷下，低溫熱源的能級差比較小，熵增較小，就有利于供暖系統(tǒng)的節(jié)能.

1.1 熵方程

對于固體與液體的熵變計算，利用熵的定義式dS=δQT，其中，δQ=dU+pdV，dU 是系統(tǒng)存儲能變化，pdV是容積功.因為固體與液體體積變化極小，容積功可忽略，所以δQ=dU=mcdT.一般情況下，固體與液體的比熱容cp=cv=c，則

1.2 熵計算

散熱器、地板供暖系統(tǒng)均可以和室內(nèi)環(huán)境看成一個孤立系統(tǒng)，模型[5]如圖1所示.

本文將通過比較普通散熱器采暖系統(tǒng)和地板采暖系統(tǒng)的熵增大小，來衡量該兩種供暖系統(tǒng)的節(jié)能性.本文涉及的普通散熱器供暖系統(tǒng)的供回水溫度設定為95～70℃，地板供暖供回水溫度設定為55～40℃.室內(nèi)設計溫度定為18℃，散熱器供暖系統(tǒng)內(nèi)水的質(zhì)量流量為m1，低溫地板輻射供暖系統(tǒng)內(nèi)水的質(zhì)量流量為m2.

圖1 孤立系統(tǒng)模型

供暖末端的熵增由2部分組成:供暖系統(tǒng)內(nèi)水溫與環(huán)境溫度差引起的熵增和管道內(nèi)流體流動摩擦引起的熵增.本計算中不考慮摩擦引起的熵增.

假設各供暖系統(tǒng)的供暖負荷相等，則工作流量可按下式求得:

其中:Q為供暖負荷，W;c為比熱容，J/(kg·K);m為質(zhì)量流量，kg/s;Δt為供回水溫差，K.

由于水的比熱在0～150℃范圍內(nèi)變化不大，如不考慮換熱損失，換熱器內(nèi)的流量比等于供回水溫差比，因此:

求解散熱器的熵增大小計算如下:將散熱器和室內(nèi)環(huán)境看成一個孤立系統(tǒng)，則此孤立系統(tǒng)總熵的變化為

其中散熱器系統(tǒng)的熵變?yōu)?/p>

室內(nèi)環(huán)境引起的熵變?yōu)?/p>

所以，

同理計算得到:55～40℃地板供暖系統(tǒng)，在相同供暖負荷條件下的熵增為:

由此可以看出，在相同供暖負荷條件下，地板輻射采暖的熵增較散熱器對流采暖的熵增小.

故達到相同的供暖效果，地板輻射供暖系統(tǒng)比散熱器供暖系統(tǒng)節(jié)能百分數(shù)為:

2 ?分析

?分析法的本質(zhì)是從能量的數(shù)量和質(zhì)量相結(jié)合的角度出發(fā)，分析和揭示裝置或設備在有效能的轉(zhuǎn)化、傳遞、利用和損失的情況.

?是一種能量，具有能量的量綱和屬性，但它與傳統(tǒng)習慣上的能量的含義并不完全相同，一般地說，能量的“量”與“質(zhì)”是不統(tǒng)一的，而?卻代表能量中“量”與“質(zhì)”統(tǒng)一的部分，火用表征能量轉(zhuǎn)換為功的能力和技術上的有用程度.?是能量可用性、可用能、有效能的總稱，它把能量的“量”和“質(zhì)”結(jié)合起來評價能量的價值，更深刻地揭示能量在傳遞和轉(zhuǎn)換過程中能質(zhì)退化的本質(zhì)，為合理用能、節(jié)約用能指明了方向.

2.1 ?方程

在熱力學中，把在周圍環(huán)境條件下任一形式能量中理論上能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰糠Q為該能量的?，能量中不能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰糠Q為該能量的火用，任一形式的能量都可看成是由火用和火用組成的，即能量=?+?，?減少量恒等于物系的火用增加量，即能量總和不變.對于采暖系統(tǒng)，其火用平衡方程可以表示為:

式中:Ex，in為進入系統(tǒng)的?;

Ex，out為流出系統(tǒng)的?;

Ex，gain為系統(tǒng)內(nèi)?變化.

在利用采暖設備進行采暖時，其收益?為向室內(nèi)提供的有效能量Ex，gain，代價?為供水的有效能量Ex，in，則采暖的?效率可以表示為:

在采暖系統(tǒng)中，如圖2所示，設熱水在進入開口系統(tǒng)時的狀態(tài)參數(shù)為:壓力P，溫度T，熵S，焓H，流速c，相對某參考系高度為Z;在環(huán)境為惟一熱源條件下，設流出系統(tǒng)時的狀態(tài)為環(huán)境狀態(tài)參數(shù):壓力P0，溫度T0，熵S0，焓H0，且流速為c0=0，高度為Z0=0.在微元狀態(tài)變化過程中從環(huán)境吸熱δQ0，對外做出有用功δWA.根據(jù)熱力學定律，對于穩(wěn)定流動系統(tǒng)有:

圖2 采暖系統(tǒng)物流?分析圖

已知環(huán)境狀態(tài)下流速c0=0，高度z0=0，將上式從進口狀態(tài)積分到出口狀態(tài)，得該穩(wěn)定流動系統(tǒng)單位質(zhì)量物流的最大有用功為:

相應的火用為:

在環(huán)境狀態(tài)下，把工質(zhì)的宏觀位能和動能作為機械能?處理時，穩(wěn)定物流的?就僅考慮焓一種形式的能量?[6]，在采暖系統(tǒng)中，可近似認為P=P0，從而有

2.2 ?計算

由于低溫地板輻射采暖系統(tǒng)與散熱器對流采暖系統(tǒng)這兩種供暖系統(tǒng)均為穩(wěn)定流動的開口系統(tǒng)，故采用以上穩(wěn)定物系的物理模型[7－8]，其?分析如下.

1)散熱器對流采暖系統(tǒng)進口工質(zhì)?為:

出口工質(zhì)火用為:

?效率

2)低溫熱水地板輻射采暖系統(tǒng)

進口工質(zhì)?為:

出口工質(zhì)火用為:

?效率

可以看出，地板輻射采暖的火用效率63.5%遠遠高于傳統(tǒng)散熱器采暖的火用效率52.1%，且地板輻射采暖的供水溫度低于散熱器采暖的供水溫度，因此可充分利用低溫熱源，減少能量損耗.

3 結(jié)論

1)當?shù)匕遢椛洳膳到y(tǒng)供回水溫度為55～40℃，傳統(tǒng)的散熱器對流采暖供回水溫度為95～70℃時，達到相同的供暖效果，由熵增原理，進行熵分析計算，地板輻射供暖系統(tǒng)的熵增為0.033 m1，散熱器供暖系統(tǒng)的熵增為0.07 m1，地板輻射供暖系統(tǒng)比散熱器供暖系統(tǒng)熵增小，地板輻射供暖系統(tǒng)比散熱器供暖系統(tǒng)節(jié)能百分數(shù)為52.86%;

2)進行火用分析時，低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的火用效率為63.5%，散熱器對流采暖的火用效率為52.1%，低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的火用效率大約高11.4%.

3)低溫地板輻射采暖較散熱器對流采暖是一種能量利用率較高的供暖方式，且低溫地板輻射采暖系統(tǒng)所需供水溫度較低，可以充分利用各種低溫熱源及工業(yè)廢熱等低品位能量，從而提高了能源的利用效率，是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ墓?jié)能型采暖方式.

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