國(guó)麗榮，李寶昌

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

社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促進(jìn)人民生活水平日益提高，對(duì)供暖房間室內(nèi)舒適性的要求也不斷提高，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)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(duì)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(duì)能源需求量卻在不斷上升，國(guó)家在尋求新能源的同時(shí)，對(duì)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(shí)應(yīng)做到高效、節(jié)能，已經(jīng)成為人們關(guān)注的重點(diǎn).而供暖方式的節(jié)能也已成為建筑采暖技術(shù)的發(fā)展要求.

近些年來關(guān)于地板輻射采暖和散熱器對(duì)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(xué)分析為基礎(chǔ)，從熵和火用兩方面討論計(jì)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(shè)備，通過散熱表面與周圍空氣進(jìn)行自然對(duì)流換熱，同時(shí)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輻射換熱.散熱器采暖是以自然對(duì)流換熱為主，輻射換熱為輔的供暖方式.

低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)是采用建筑內(nèi)部地面暗敷設(shè)循環(huán)盤管，以低溫?zé)崴疄闊崦剑晒┡療崴d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(jìn)行輻射換熱，同時(shí)，以熱面朝上的方式與室內(nèi)空氣進(jìn)行換熱.地板采暖是以輻射散熱為主，自然對(duì)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(diǎn)，越來越多的的工程和家庭裝修時(shí)選用這種新型采暖方式.

1 熵分析

熵是熱力學(xué)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(jí)利用的原則是:能量利用過程中，能級(jí)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(jí)差，使熵增減小.在相同的供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷下，低溫?zé)嵩吹哪芗?jí)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(duì)于固體與液體的熵變計(jì)算，利用熵的定義式dS=δQT，其中，δQ=dU+pdV，dU 是系統(tǒng)存儲(chǔ)能變化，pdV是容積功.因?yàn)楣腆w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(jì)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(gè)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(shè)定為95～70℃，地板供暖供回水溫度設(shè)定為55～40℃.室內(nèi)設(shè)計(jì)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(dòng)摩擦引起的熵增.本計(jì)算中不考慮摩擦引起的熵增.

假設(shè)各供暖系統(tǒng)的供暖負(fù)荷相等，則工作流量可按下式求得:

其中:Q為供暖負(fù)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(jì)算如下:將散熱器和室內(nèi)環(huán)境看成一個(gè)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(jì)算得到:55～40℃地板供暖系統(tǒng)，在相同供暖負(fù)荷條件下的熵增為:

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

故達(dá)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?jǐn)?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(shè)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(xí)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(shù)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(píng)價(jià)能量的價(jià)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(xué)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(duì)于采暖系統(tǒng)，其火用平衡方程可以表示為:

式中:Ex，in為進(jìn)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(shè)備進(jìn)行采暖時(shí)，其收益?為向室內(nèi)提供的有效能量Ex，gain，代價(jià)?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(shè)熱水在進(jìn)入開口系統(tǒng)時(shí)的狀態(tài)參數(shù)為:壓力P，溫度T，熵S，焓H，流速c，相對(duì)某參考系高度為Z;在環(huán)境為惟一熱源條件下，設(shè)流出系統(tǒng)時(shí)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(duì)外做出有用功δWA.根據(jù)熱力學(xué)定律，對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)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(jìn)口狀態(tài)積分到出口狀態(tài)，得該穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)單位質(zhì)量物流的最大有用功為:

相應(yīng)的火用為:

在環(huán)境狀態(tài)下，把工質(zhì)的宏觀位能和動(dòng)能作為機(jī)械能?處理時(shí)，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(rèn)為P=P0，從而有

2.2 ?計(jì)算

由于低溫地板輻射采暖系統(tǒng)與散熱器對(duì)流采暖系統(tǒng)這兩種供暖系統(tǒng)均為穩(wěn)定流動(dòng)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(duì)流采暖系統(tǒng)進(jìn)口工質(zhì)?為:

出口工質(zhì)火用為:

?效率

2)低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)

進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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?zé)嵩?，減少能量損耗.

3 結(jié)論

1)當(dāng)?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(duì)流采暖供回水溫度為95～70℃時(shí)，達(dá)到相同的供暖效果，由熵增原理，進(jìn)行熵分析計(jì)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?jǐn)?shù)為52.86%;

2)進(jìn)行火用分析時(shí)，低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的火用效率為63.5%，散熱器對(duì)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(duì)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?zé)嵩醇肮I(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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