相變蓄熱式太陽能低溫輻射采暖解決方案經(jīng)濟性分析

蔡小青，孔亮

（重慶大學城市科技學院，重慶 402167）

利用地埋管內(nèi)的低溫熱水使地面溫度升高，進而放 射遠紅外線刺激人體，使人體感覺不到寒冷的采暖方法即低溫輻射采暖[1]。低溫輻射采暖是由下而上進行的，與人體生理學特征相符，因此被廣泛地應用到建筑采暖中。然而低溫輻射采暖方案的消耗較其他采暖方案要大，因此相關研究學者致力于尋找一種既環(huán)保又節(jié)能的方式降低低溫輻射采暖方案的消耗。

文獻[2]提出利用太陽能作為采暖解決方案中的供熱能源，并通過數(shù)值仿真與實測數(shù)據(jù)定量評估地區(qū)太陽能輻射資源；但忽略了氣候、季節(jié)及晝夜交替導致的間斷性影響以及穩(wěn)定性差的問題。文獻[3]驗證了太陽能作為低溫輻射采暖解決方案供熱源的可行性，但供熱過程中對太陽能的浪費情況較為嚴重且存在經(jīng)濟性差的問題。文獻[4]提出了太陽能采暖解決方案的經(jīng)濟性分析方法，使用石蠟和聚乙烯熔融制成的復合相變儲熱材料，并應于在室內(nèi)輻射采暖方面；但未考慮儲蓄的太陽能消耗情況，因此，該方法存在供暖持續(xù)性差的問題。

針對上述文獻中存在的問題，提出相變蓄熱式太陽能低溫輻射采暖解決方案，其包括太陽能集熱器、相變蓄熱器、保溫水箱和供暖系統(tǒng)四部分。在太陽輻照度較高時利用太陽能供暖的同時，將多余的熱量存儲起來；并在太陽能輻照度較低或無太陽能輻照時，釋放存儲的熱量提供供暖，實現(xiàn)具有較高經(jīng)濟性的太陽能低溫輻射采暖。

1 相變蓄熱式太陽能低溫輻射采暖解決方案

1.1 方案概述

太陽能集熱器、相變蓄熱器、保溫水箱及供暖系統(tǒng)四部分共同組成了相變蓄熱式太陽能低溫地板輻射采暖系統(tǒng)方案。方案選用平板型太陽能集熱器，此集熱器采用鋼制殼體和雙層玻璃蓋板，吸熱體外層覆蓋無光黑漆，主要負責接收太陽能輻射并向其傳熱工質(zhì)傳遞熱量[5]。由于無機水合鹽CaCl2·6H2O具有相變潛熱大、熔點低的優(yōu)勢，因此將其作為相變蓄熱器內(nèi)的蓄熱介質(zhì)可提升蓄熱器容量、降低相變發(fā)生概率[6]。將3%的硼砂作為成核劑加入CaCl2·6H2O內(nèi)，避免CaCl2·6H2O由于過冷造成熱量無法釋放的現(xiàn)象。方案采用雙“回”型方式布設供暖系統(tǒng)內(nèi)的管線，因其具有熱形變性、耐磨性、耐化學藥品性、耐應力開裂等特性，故將交聯(lián)聚乙烯管（PEX）作為加熱盤管材料。在相變蓄熱器內(nèi)存儲的熱量無法保障室內(nèi)適宜溫度（18℃）的情況下，需開啟電加熱系統(tǒng)輔助供暖。

1.2 方案的運行模式

控制相變蓄熱式太陽能低溫輻射采暖方案運行的關鍵條件是天氣情況及室內(nèi)溫度，根據(jù)天氣情況及室內(nèi)溫度的不同將運行模式具體劃分為五種，如下[7]:

1）相變蓄熱器單獨蓄熱。在太陽輻照度較強、室外溫度較高的條件下，不使用采暖方案，建筑室內(nèi)溫度同樣可以保持室內(nèi)適宜溫度（18℃）。相比相變蓄熱器內(nèi)蓄熱介質(zhì)的相變溫度，太陽能集熱器的出水溫度更高，在這種情況下，太陽能集熱器將獲取的熱量儲存到相變蓄熱器內(nèi)。

2）相變蓄熱器蓄熱與太陽能集熱器向建筑物室內(nèi)供暖同時進行。在太陽輻照度較強、室內(nèi)溫度維持在15～18℃的條件下，相比相變蓄熱器內(nèi)蓄熱介質(zhì)的相變溫度，太陽能集熱器的出水溫度更高，此時太陽能集熱器在確保建筑室內(nèi)溫度升至18℃后，將多余的熱量儲存至相變蓄熱器內(nèi)[8]。

3）太陽能集熱器只對建筑物供暖。在白天太陽輻照度較弱、建筑室內(nèi)溫度低于15℃時，相比相變蓄熱器內(nèi)蓄熱介質(zhì)的相變溫度[9]，太陽能集熱器的出水溫度較低，太陽能集熱器只對建筑物室內(nèi)供暖，確保建筑物室內(nèi)溫度達到適宜溫度（18℃）。

4）相變蓄熱器對建筑物室內(nèi)供暖。在無太陽輻照、建筑室內(nèi)溫度為16～18℃，以及相變蓄熱器的出水溫度高于43℃的條件下，通過相變蓄熱器保障建筑物室內(nèi)供暖，運行方式如圖1所示。

圖1 相變蓄熱器單獨供暖時方案的運行方式Fig.1 Operation mode for separate heating solution of phase-change heat accumulator

5）通過電加熱裝置對建筑物室內(nèi)供暖。在持續(xù)無太陽輻照的天氣環(huán)境，建筑物室內(nèi)溫度和相變蓄熱器的出水溫度分別低于15℃和35℃的條件下，使用電加熱系統(tǒng)向建筑物室內(nèi)供暖，保障建筑物室內(nèi)溫度達到適宜溫度（18℃）。

2 實驗分析

實驗以我國某村中建筑面積為62 m2的樣板房為實驗對象，實驗對象所處區(qū)域室外溫度較低，所以白天室內(nèi)采暖負荷大概是100 W/m2，假設實驗對象的使用面積為50 m2，那么建筑物室內(nèi)每小時所需熱量為16.6 MJ。

實驗選擇冬季晴天典型日進行分析，以確保太陽能低溫輻射采暖解決方案運行的狀態(tài)及性能更加準確穩(wěn)定。實驗中太陽能低溫輻射采暖解決方案運行模式包括:日間太陽能集熱器獲取的熱量分別用于直接供暖和相變蓄熱器蓄熱；夜間通過相變蓄熱器保障室內(nèi)供暖，在室內(nèi)溫度無法達到適宜溫度的條件下，利用電加熱系統(tǒng)輔助供暖。

實驗分別從本文方案下太陽能集熱器運行情況和相變蓄熱器運行情況兩個方面，驗證本文提出的相變蓄熱式太陽能低溫輻射采暖解決方案的經(jīng)濟性。

2.1 太陽能集熱器運行情況分析

圖2為實驗日白天有太陽輻照的7 h內(nèi)，采用本文方案后太陽輻照度以及建筑物室外溫度的波動狀態(tài)。

圖2 實驗日白天太陽輻照度及建筑物室外溫度波動狀態(tài)Fig.2 Fluctuation state of solar irradiance and outdoor temperature of building during daytime of experimental day

分析可得，實驗日白天太陽輻照度的最高值和平均值分別是946.1 W/m2和707.5 W/m2。因為在實驗中實驗對象所使用的本文采暖解決方案內(nèi)共使用6塊太陽能集熱器，所以實驗日白天太陽能集熱器獲取的太陽輻照量為47.6 kW·h。通過圖2還能夠得到，實驗日白天建筑物室外的溫度和平均溫度分別為-9.0～5.1℃和-4.1℃。

圖3為實驗日白天，采用本文方案后太陽能集熱器的能量與熱量之間的轉換比率（COP）及建筑物室內(nèi)溫度的波動狀態(tài)。

圖3 實驗日白天室內(nèi)地表溫度、室內(nèi)溫度與太陽能集熱器COP的波動狀態(tài)Fig.3 Fluctuation state of indoor ground surface temperature，indoor temperature and COP of solar energy heat collector during daytime of experimental day

分析圖3能夠得到，太陽能集熱器工作過程中，當太陽輻照度逐步提升時，太陽能集熱器的COP也隨之提升。在10:00左右，太陽能集熱器的COP為6.3，是全天COP最高值。實驗日白天，太陽能集熱器的COP保持在4以上，表明采用本文方案后太陽能集熱器的工作是高效、穩(wěn)定的；由圖3還能夠得到，室內(nèi)地表溫度和室內(nèi)溫度分別為20.4～24.6℃和15.7～20.8℃。實驗結果表明，本文方案可以使建筑物室內(nèi)白天的溫度達到適宜溫度以上，滿足采暖需求。

圖4為實驗日白天本文方案的能量分配情況。

圖4 實驗日白天，本文方案的能量分配圖Fig.4 Diagram for energy distribution of scheme proposed in this paper during daytime of experimental day

分析圖4可得，實驗日白天太陽能集熱器總供熱量達到218 MJ，其中，建筑物室內(nèi)供暖和相變蓄熱器耗熱量分別為115.2 MJ和102.8 MJ，分別占總供熱量的52.8%和47.2%。實驗結果表明，使用本文方案能夠實現(xiàn)“削峰”的作用，通過相變蓄熱最大程度地利用太陽能集熱器所提供的熱量。

2.2 相變蓄熱器運行情況分析

圖5為實驗日夜間相變蓄熱器工作狀態(tài)下，采用本文方案后建筑物室內(nèi)溫度、建筑物室內(nèi)地表溫度和室外溫度的波動狀態(tài)。分析可得到，實驗日16:00以后，太陽輻照逐漸消失，建筑物的室外溫度低于-10℃；然而因為本文方案中存在相變蓄熱器在經(jīng)過白天的蓄熱后，開始運行放熱，建筑物室內(nèi)地表溫度達到20℃以上，室內(nèi)溫度保持在18℃左右，大致上能夠保障室內(nèi)的適宜溫度（18℃），基本滿足采暖要求。

圖6為實驗日夜間，采用本文方案后相變蓄熱器供熱狀態(tài)。分析圖6能夠得到，通過相變蓄熱器對建筑物室內(nèi)供暖時，相變蓄熱器中溫度保持在相變點47℃左右。因為相變蓄熱材料存在較多的潛熱，所以相變蓄熱器的進水溫度和出水溫度分別達到40.5～42.7℃和36～38.1℃；平均供水溫度和平均回水溫度達到41.7℃和37.1℃；建筑物室內(nèi)保持低溫采暖的狀態(tài)。7 h內(nèi)，相變蓄熱器對建筑物室內(nèi)提供的總熱量為102.8 MJ，占晚間總供熱量的43%。實驗結果表明，使用本文方案能夠實現(xiàn)“填谷”的作用，極大程度上減少了夜間室內(nèi)供暖消耗，提升了太陽能低溫輻射采暖解決方案的經(jīng)濟性。

圖5 實驗日夜間，室內(nèi)、外溫度的波動狀態(tài)Fig.5 Fluctuation state of indoor and outdoor temperatures at night of experimental day

圖6 實驗日夜間相變蓄熱器的供熱狀態(tài)Fig.6 Heating state of phase-change heat accumulator at night of experimental day

3 結論

太陽能作為一種新型環(huán)保資源具有存量豐富、不受地域限制的優(yōu)點，因此以太陽能作為供熱源進行低溫輻射采暖被越來越廣泛地應用于建筑物供暖中。然而太陽能受季節(jié)、氣候和晝夜影響較大，并且在使用過程中存在較為嚴重的浪費行為。針對上述問題，本文提出相變式太陽能低溫輻射采暖解決方案，通過相變蓄熱器將太陽輻照度較高時的多余熱量存儲起來，在無太陽輻照時釋放存儲的熱量保障室內(nèi)的供暖。實驗結果表明，實驗日白天，采用本文方案后太陽能集熱器的COP保持在4以上，室內(nèi)地表溫度和室內(nèi)溫度分別為20.4～24.6℃和15.7～20.8℃，供暖和蓄熱耗熱量分別占總供熱量的52.8%和47.2%；實驗日夜間，室內(nèi)地表溫度達到20℃以上，室內(nèi)溫度保持在18℃左右，相變蓄熱器提供的熱量占晚間總供熱量的43%。實驗結果表明，本文方案能夠起到“削峰”和“填谷”的作用，提升了太陽能低溫輻射采暖解決方案的經(jīng)濟性。