張自國

（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

太陽能是非常潔凈的能源，作為一種潔凈的可再生能源，太陽能在各個(gè)方面都得到了應(yīng)用與推廣。然而，每年我國建筑能耗占全國總能耗的27.6%，且仍將繼續(xù)增長(zhǎng)，其中北方地區(qū)供暖能耗占全國建筑總能耗的36%，約合1.3億t標(biāo)煤/a［1］。我國北方嚴(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］

目前人類利用太陽能的基本方式主要有光熱利用、太陽能發(fā)電、光化利用、光生物利用。光熱利用：將太陽輻射能收集起來，通過與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用；太陽能發(fā)電：利用太陽輻射熱發(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：通過植物的光合作用來實(shí)現(xiàn)將太陽能轉(zhuǎn)換成為生物質(zhì)能的過程。

太陽能作為一種潔凈、可再生的能源，再加之新技術(shù)的應(yīng)用，越來越被人們重視。但是太陽能資源也存在著相當(dāng)嚴(yán)重的缺點(diǎn)和問題：分散性，到達(dá)地球表面的太陽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，利用太陽集熱器對(duì)環(huán)境的要求也比較高，在夜晚和雨雪等陽光少的天氣里會(huì)受到限制。

在現(xiàn)有的技術(shù)條件下普通的家用太陽熱水器能提供100℃以下的熱水，但是集熱效果與太陽輻射有直接的關(guān)系，表現(xiàn)如下：在一天內(nèi)，白天有太陽輻射，夜晚沒有；太陽輻射強(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)度小甚至沒有。如果采取一種供回水溫度較低的采暖方式與太陽熱水器聯(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能集熱器中熱水為熱媒的太陽能供暖得以實(shí)現(xiàn)。

目前與太陽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?。?0℃）。對(duì)低溫地板輻射采暖房間的熱力過程進(jìn)行研究，為了方便分析，作如下假設(shè)：

（1）沿加熱盤管軸線方向溫度梯度很?。扛P管長(zhǎng)大約65～70m，熱水進(jìn)口與出口溫差8～15℃），忽略加熱盤管軸線方向的導(dǎo)熱，地板層內(nèi)的傳熱問題可簡(jiǎn)化為平面二維導(dǎo)熱問題。（2）加熱盤管內(nèi)壁溫度等于熱媒平均溫度。（3）加熱盤管在平面方向均勻布置。（4）加熱盤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、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)見表1；盤管間距取100mm（目前盤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，非常符合太陽能供暖要求的低水溫的要求。

3 結(jié)語

地板輻射式采暖輻射換熱盤管內(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］.中國科技成果，2006（19）：14－17.

［2］單軍勇，劉效洲.太陽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.太陽熱水器水箱容積與集熱面積的合理配比的探討［J］.太陽能學(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.