使用太陽(yáng)能的低溫地板輻射供暖研究

張自國(guó)

（長(zhǎng)春工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012）

0 引言

太陽(yáng)能是非常潔凈的能源，作為一種潔凈的可再生能源，太陽(yáng)能在各個(gè)方面都得到了應(yīng)用與推廣。然而，每年我國(guó)建筑能耗占全國(guó)總能耗的27.6%，且仍將繼續(xù)增長(zhǎng)，其中北方地區(qū)供暖能耗占全國(guó)建筑總能耗的36%，約合1.3億t標(biāo)煤/a［1］。我國(guó)北方嚴(yán)寒地區(qū)的建筑消耗中有很大一部分是冬季供暖所消耗，如果能夠用太陽(yáng)能節(jié)約一部分冬季供暖能耗，這部分節(jié)能量將是非?？捎^的［2］。

1 太陽(yáng)能在新能源中的地位

新能源與常規(guī)能源是一個(gè)相對(duì)的概念，隨著時(shí)代的發(fā)展，新能源的內(nèi)涵不斷地變化和更新。目前，新能源主要包括太陽(yáng)能、氫能、核能、化學(xué)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、風(fēng)能、海洋能等［3］。

太陽(yáng)能是人類最主要的可再生能源，每年向宇宙空間輸出的總能量為3.75×1026W，其中穿過(guò)大氣層到達(dá)地球表面的能量約為8.5×1016瓦。這個(gè)數(shù)量遠(yuǎn)大于人類目前能量消費(fèi)總量，相當(dāng)于1.7×1018t標(biāo)準(zhǔn)煤［4］

目前人類利用太陽(yáng)能的基本方式主要有光熱利用、太陽(yáng)能發(fā)電、光化利用、光生物利用。光熱利用：將太陽(yáng)輻射能收集起來(lái)，通過(guò)與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用；太陽(yáng)能發(fā)電：利用太陽(yáng)輻射熱發(fā)電實(shí)現(xiàn)光—熱—電轉(zhuǎn)換，利用光生伏打效應(yīng)將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能實(shí)現(xiàn)光—電轉(zhuǎn)換；光化利用：利用太陽(yáng)輻射能直接分解水制氫的光—化學(xué)轉(zhuǎn)換方式；光生物利用：通過(guò)植物的光合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成為生物質(zhì)能的過(guò)程。

太陽(yáng)能作為一種潔凈、可再生的能源，再加之新技術(shù)的應(yīng)用，越來(lái)越被人們重視。但是太陽(yáng)能資源也存在著相當(dāng)嚴(yán)重的缺點(diǎn)和問(wèn)題：分散性，到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能的總量盡管很大，但能流密度卻很低；間斷性和不穩(wěn)定性，由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔等自然條件的限制，利用太陽(yáng)集熱器對(duì)環(huán)境的要求也比較高，在夜晚和雨雪等陽(yáng)光少的天氣里會(huì)受到限制。

在現(xiàn)有的技術(shù)條件下普通的家用太陽(yáng)熱水器能提供100℃以下的熱水，但是集熱效果與太陽(yáng)輻射有直接的關(guān)系，表現(xiàn)如下：在一天內(nèi)，白天有太陽(yáng)輻射，夜晚沒(méi)有；太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨季節(jié)不同而不同，冬季輻射強(qiáng)度小，夏季輻射強(qiáng)度大；同一季節(jié)隨天氣變化而變化，晴天輻射強(qiáng)度大，陰天輻射強(qiáng)度小甚至沒(méi)有。如果采取一種供回水溫度較低的采暖方式與太陽(yáng)熱水器聯(lián)合的供暖方式則可以減少其他熱源的使用量。近幾年在我國(guó)北方出現(xiàn)的低溫地板輻射采暖方式是一種比較理想的選擇。

2 太陽(yáng)能低溫地板輻射采暖

低溫地板輻射采暖所需要的供水溫度低，供回水溫差為8～15℃，熱媒的傳輸溫度低，熱損失少。與對(duì)流供暖方式相比較，地板輻射采暖方式可使以太陽(yáng)能集熱器中熱水為熱媒的太陽(yáng)能供暖得以實(shí)現(xiàn)。

目前與太陽(yáng)能相匹配的最佳采暖形式為地板輻射采暖［5］，之所以是最佳匹配的采暖形式，是因?yàn)槠涔┧疁囟鹊停?5～50℃）、供回水溫差小（10℃）。對(duì)低溫地板輻射采暖房間的熱力過(guò)程進(jìn)行研究，為了方便分析，作如下假設(shè)：

（1）沿加熱盤(pán)管軸線方向溫度梯度很?。扛P(pán)管長(zhǎng)大約65～70m，熱水進(jìn)口與出口溫差8～15℃），忽略加熱盤(pán)管軸線方向的導(dǎo)熱，地板層內(nèi)的傳熱問(wèn)題可簡(jiǎn)化為平面二維導(dǎo)熱問(wèn)題。（2）加熱盤(pán)管內(nèi)壁溫度等于熱媒平均溫度。（3）加熱盤(pán)管在平面方向均勻布置。（4）加熱盤(pán)管布置于絕熱保溫層上，底部邊界近似認(rèn)為是絕熱邊界條件。（5）地板內(nèi)各層材料為勻質(zhì)常物性，相互接觸緊密，忽略接觸熱阻。

房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)（包括墻上的門(mén)、窗）的平均熱阻為R0，地板填充層到面層的平均熱阻為R1。

房間的換熱量Q可表示為：

聯(lián)立式（3）、（4）得：

在室內(nèi)溫度tn與熱阻R0、R1和Fw、FD為定值時(shí)熱媒平均溫度tmfl僅與室外溫度tw有關(guān)：

從式（6）可以看出盤(pán)管內(nèi)的熱媒平均溫度相對(duì)于室外氣溫的變化率為常數(shù)，式中的負(fù)號(hào)表示盤(pán)管內(nèi)熱媒的平均溫度與室外氣溫的變化相反，室外氣溫升高，熱媒的平均溫度應(yīng)該降低，室外氣溫降低，熱媒的平均溫度應(yīng)該升高。此結(jié)論的導(dǎo)出沒(méi)有考慮日射得熱、冷風(fēng)滲透和冷風(fēng)侵入的影響。

根據(jù)式（6），在建筑物建造完成后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均熱阻R0與總面積Fw為定值，地板基層的熱阻與面積FD也為定值，如果室外氣溫按采暖室外計(jì)算溫度確定，影響平均水溫的因素只有地板的面層材料的熱阻。

舉例計(jì)算滿足供暖條件下地板輻射供暖的最低供水溫度。某房間面積12m2，房間負(fù)荷1 095W，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度18℃（地板輻射采暖主要依靠輻射傳熱，室內(nèi)作用溫度比采用散熱器時(shí)低1～2℃［6］），使用塑料水管（外徑內(nèi)徑＝20mm×16mm）。為了得到較低供水溫度，地面面層采用瓷磚δ＝10mm，不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)表1；盤(pán)管間距取100mm（目前盤(pán)管材料所能施工的最小間距）。

表1 不同材料導(dǎo)熱系數(shù)

由文獻(xiàn)［6］可查得單位地板面積有效散熱量5.01W/（m2·℃）；

所需平均水溫18.2＋18＝36.2℃；

采用供回水溫度為40℃/32℃（溫差為8℃）。

在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)條件下低溫地板輻射供暖的供水溫度可以在40℃左右，非常符合太陽(yáng)能供暖要求的低水溫的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

地板輻射式采暖輻射換熱盤(pán)管內(nèi)的熱媒平均溫度相對(duì)于室外氣溫的變化率為常數(shù)，并且盤(pán)管內(nèi)熱媒的平均溫度與室外氣溫的變化相反，室外氣溫升高，熱媒的平均溫度應(yīng)該降低，室外氣溫降低，熱媒的平均溫度應(yīng)該升高。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算低溫地板輻射供暖的供水溫度可以在40℃左右，可以與太陽(yáng)能聯(lián)合供暖。地板面層對(duì)室內(nèi)采暖效果有很大的影響，應(yīng)盡量使用熱阻小的材料作為面層。

［1］王俊，徐偉，林海燕，等.建筑能耗現(xiàn)狀與節(jié)能途徑［J］.中國(guó)科技成果，2006（19）：14－17.

［2］單軍勇，劉效洲.太陽(yáng)能采暖的可行性分析［J］.工業(yè)鍋爐，2003（6）：41－43.

［3］吳治堅(jiān)，葉枝全，沈輝，等.新能源和可再生能源的利用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［4］翟秀靜，劉奎仁，韓慶.新能源技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［5］王少杰，涂光備，鄭宗和，等.太陽(yáng)熱水器水箱容積與集熱面積的合理配比的探討［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2003，24（5）：629－632.

［6］王子介.低溫輻射供暖與輻射供冷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：31－41.