（制冷及低温工程专业论文）地板辐射采暖供冷系统温度场的数值模拟与实验研究.pdf

摘要 随着城镇人民生活水平的不断提高和国民经济的高速发展，人们对室内环境质量有了 越来越高的要求。严峻的能源利用形势促使人们不断思考能源问题，对合理用能提出了新 的挑战。于是，低温地板辐射采暖系统作为一种舒适、卫生、节能的新型采暖方式，顺应 此潮流而逐步发展起来。若冬季采用地板辐射供暖，而夏季采用另外的设备进行供冷，必 将加大初投资，造成资源的浪费。因此将辐射地板用于夏季供冷是一种可供选择的方案。 本文首先引入地板辐射供暖的数学物理模型。本文建立了一个二维、稳态导热问题的 数学模型，并利用f l u e n t 数值模拟软件对地板辐射采暖( 供冷) 的地板构造层传热过程 进行了c f d 计算，分析了管间距、供水温度、管材、有无保温等因素对地板构造层传热的 影响。分析探讨了在辐射采暖与辐射供冷共用一套设备时地板布管的选择，为地板辐射采 暖( 供冷) 系统的设计、优化提供了一定的参考资料。 其次，建立了地板辐射采暖( 供冷) 实验台。室内同时装有风机盘管、挂壁式散热器 等装置。在各种工况下，对地板辐射采暖、供冷的地板构造层传热规律及室内温度场的分 布进行了实验研究。研究水的流速、供水温度、保温层、管材等因素对地板构造层传热和 室内温度场的影响，并确定各影响因素的重要程度，优化设计方案。并且通过实验比较了 三种采暖方式下室内温度场的分布情况，为采暖设备的优化、选择提供参考。 然后，本文利用l a b v i e w 语言编制了地板辐射供冷、太阳能相变蓄热采暖系统的控制 程序，并将地板辐射供冷控制系统成功运用到实验过程中，为地板采暖、供冷的推广提供 条件。 最后，通过对数值模拟和实验结果进行比较，验证了模拟结果的可靠性。通过比较可 以看出，模拟计算与实验结果基本相符，为地板辐射采暖、供冷在实际工程中的应用提供 了设计参考依据。 关键词：地板辐射采暖，地板辐射供冷，垂直温度梯度，数值模拟 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft h el i v i n gl e v e lo ft h ep e o p l el i v i n gb o t hi nc i t y a n dt o w na n dt h eh i g h r a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y ，p e o p l eb e g i nt oh a v eh i g h e r a n dh i g h e rr e q u i r e m e n t so nt h eq u a l i t yo ft h ei n d o o re n v i r o n m e n t t h es e r i o u ss i t u a t i o no f e n e r g yu s i n gp r o m o t e sp e o p l et oc o n s t a n t l y 恤i l ka b o u tt h ee n e r g yq u e s t i o na n dan e w c h a l l e n g e i nt h er e a s o n a b l ee n e r g y - u s i n gc o m e s t h u st h el o w - t e m p e r a t u r ef l o o rr a d i a n th e a t i n gs y s t e m w h i c hi sc o m f o r t a b l e , c l e a na n de n e r g y - s a v i n gi sd e v e l o p e dt ok e e pu pw i t ht h et r e n d i ft h e f l o o rr a d i a n th e a t i n gs y s t e mi so n l yu s e di nw i n t e rw h i l eo t h e re q u i p m e n ti su s e df o rc o o l i n gi n s u m m e r s ，t h ei n i t i a lc o s ti sc e r t a i n l ye n l a r g e d ，w h i c hw i l lc a u s et h ew a s t eo ft h er e s o u r c e s t h e r e f o r e ，i ti sa ni d e a lc h o i c et oa d o p tt h ef l o o rr a d i a t i n gi ns u m m e r sf o rc o o l i n g t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ep h y s i c s m a t h e m a t i c sm o d e lf o rt h ef l o o rr a d i a n th e a t i n g t h e m a t h e m a t i c sm o d e lt h a ti si n t r o d u c e di nt h i sp a p e ri so n ew h i c hi so ft w o d i m e n s i o na n d s t e a d y f o r t h eh e a t i n gq u e s t i o n i nt h i sp a p e r , t h ec f dc a l c u l a t i o no ft h eh e a t t r a n s m i t t i n gp r o c e s so f t h ef l o o rt e c t o n i cl a y e ro ft h ef l o o rr a d i a n th e a t i n g ( c o o l i n g ) i sd o n ea n dt h ei n f l u e n c e so ft h e f a c t o r s ，s u c ha st h et u b es p a c i n g ，t h ew a t e rt e m p e r a t u r e ，t h et u b ep i e c e w o r ka n dt h ea b s e n c eo f t h eh e a tp r e s e r v a t i o na r ea n a l y z e d t h ec h o i c eo ft h ef l o o rt u b e sw h e no n ep i e c eo fe q u i p m e n ti s s h a r e di nr a d i a n th e a t i n ga n dr a d i a n tc o o l i n gi sa n a l y z e d ，t h u sac e r t a i nn u m b e ro fr e f e r e n c e sa r e p r o v i d e df o r t h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h ef l o o rr a d i a n th e a t i n g ( c o o l i n g ) s y s t e m s e c o n d l y , af l o o rr a d i a n th e a t i n g ( c o o l i n g ) e x p e r i m e n tt a b l ei se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e lt h e t a b l ei sp r o v i d e dw i t haf a nc o i lc u ta n daw a l lr a d i a t o ra tt h es a m et i m e t h eh e a t - t r a n s m i t t i n g d i s c i p l i n eo ft h ef l o o rt e c t o n i cl a y e ro ft h ef l o o rr a d i a n th e a t i n ga n dc o o l i n ga n dt h ed i s t r i b u t i o n o ft h ei n d o o rt e m p e r a t u r ef i e l da r ee x p e r i m e n t e da n dr e s e a r c h e d t h ei n f l u e n c e so ft h ef l o w i n g s p e e do ft h ew a t e r , t h ew a t e rt e m p e r a t u r e ，t h eh e a tp r e s e r v a t i o nl a y e ra n dt h et u b ep i e c e w o r ko n t h eh e a t t r a n s m i t t i n go ft h ef l o o rt e c t o n i c l a y e ra n do nt h ei n d o o rt e m p e r a t u r ef i e l da r e r e s e a r c h e da n dt h ed e g r e eo ft h ei n f l u e n c e so fe a c hf a c t o ri sd e t e r m i n e dt oo p t i m i z et h ed e s i g n p r o p o s a l a l s o ，t h r e ed i s t r i b u t i o nc o n d i t i o n so ft h ei n d o o rt e m p e r a t u r ef i l e da r ec o n t r a s t e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，w h i c hp r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h eo p t i m i z a t i o na n dc h o i c eo ft h eh e a t i n g e q u i p m e n t t h e n ，i nt h i sp a p e r , ac o n t r o l l i n gp r o g r a mf o rt h ef l o o rr a d i a n tc o o l i n ga n ds o l a re n e r g y p h a s ec h a n g i n gh e a ts t o r i n gh e a t i n gs y s t e mi sg i v e nb yt h el a b v i e wl a n g u a g e ，a n dt h ef l o o r r a d i a n tc o o l i n gc o n t r o l l i n gs y s t e mi ss u c c e s s f u l l ya d o p t e di nt h ee x p e r i m e n tp r o c e s s ，w h i c h p r o v i d e sf a c i l i t i e sf o rt h ep o p u l a r i z a t i o no f t h ef l o o rh e a t i n ga n dc o o l i n g i nt h ee n d ，t h er e l i a b i l i t yo ft h es i m u l a t e dr e s u l ti sp r o v e dt h r o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t i tc a nb es e e nf r o mt h ec o m p a r i s o nt h a tt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta r eb a s i c a l l yc o r r e s p o n d i n gt oe a c ho t h e r , w h i c hp r o v i d e sad e s i g na n dr e f e r r i n gf o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h ef l o o rr a d i a n th e a t i n g a n dc o o l i n gi nt h ea c t u a le n g i n e e r i n gp r o j e c t s k e y w o r d s ：f l o o rr a d i a n th e a t i n g , f l o o rr a d i a n tc o o l i n g , v e r t i c a lt e m p e r a t u r eg r a d i e n t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 主要符号表 主要符号表 l 地板盘管布置间距，h i mq房间热负荷，k w d 地板盘管中心距，i n t oq 。体积流量，所3 h h填充层厚度，m m c p 。热( 冷) 水比热，j ( k g ) 供回水温度差， 塑料盘管传热系数，w ( m 2 ) 塑料盘管壁厚，m m 供水温度， 回水温度， 室外空气温度， 对流换热系数，w ( m 2 ) 辐射换热系数，w ( m 2 ) 供回水平均温度， g 盘管内热( 冷) 水质量流量，k g s 塑料盘管管内对流换热，w ( m 2 ) 4塑料盘管的导热系数，w ( m ) 0塑料盘管外表面平均温度， g 地板表面的热流密度，w m 2 g ，地板表面的辐射散热量，w m 2 锄地板表面的对流传热量，w m 2 口地板表面综合换热系数，w ( m 2 ) f ，地板表面平均温度， t ，室内受辐射面的表面温度， t 。室内空气的平均温度， 缸 墨 磊 乞 厶 气 吒 q f 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 学位论文作者同意授权天津商业大学将学位论文的全部内容或部分内容编 入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或者扫描等手段保存、汇编以供查阅 或借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 签名：导师签名：日期： 第一章前言 1 1 概述 第一章前言 能源是经济发展的原动力，是现代文明的物质基础，安全、可靠的能源供应和高效、 清洁的利用能源是实现社会经济持续发展的基本保证。二十世纪以来，由于世界经济的发 展和不断追求更高水准的生活，能源消耗的增长越来越快。新世纪伊始，能源问题同过去 2 0 年相比已经更加突出、更加严峻。据2 0 0 6 年中国统计年鉴的数据，2 0 0 6 年我国人均石 油储量只有1 9t ，人均天然气储量2 1 6 8 m 3 , 人均煤炭储量2 5 6t ，分别为世界平均值的 1 1 1 、4 3 和5 5 4 ，人均资源储量远远低于世界水平；中国产业生产和居民生活中大 量使用高耗能的落后技术和产品，现有的近4 0 0 亿m 2 建筑中，9 9 属于高能耗建筑【l 】； 2 0 0 5 年能源消费总量2 2 2 亿吨标准煤，比上年增长9 5 。其中，煤炭消费量2 1 4 亿吨，增 长1 0 6 1 原油3 0 亿吨，增长2 1 ；天然气5 0 0 亿立方米，增长2 0 6 ；水电4 0 1 0 亿千 瓦小时，增长1 3 4 ；核电5 2 3 亿千瓦小时，增长3 7 【2 1 。这充分说明了能源问题的严重性。 因而在现代社会中，任何国家都把节能作为一项国策。有人将“节能”形象的比喻为在煤、 石油、天然气、电能这些常规能源之外的第五大“能源 。 我国统计数字表明，在能源消耗结构中建筑能耗占社会总能耗3 0 左右。而暖通空 调能耗约占建筑能耗8 5 【3 】。在我国，建筑能耗的能源动力主要来自于煤炭、石油、天然 气等化石能源。因此，降低建筑能耗不仅意味着节约了能源，而且减少了有害物质排放， 保护了环境。近年来，随着人们生活生平的提高和对舒适性的追求，我国长江以南一些“非 采暖区也开始供暖；同时，我国城镇率以每年l 在增长，每年有将近1 0 0 0 万人口进入 新的城镇。据统计，每个城镇居民人均所消耗的能量是农村人均的3 5 倍【4 1 。因此，近年来 我国的建筑能耗出现上升趋势。我国经济发展对能源依赖度较大，可以想象，中国为了实 现“到2 0 2 0 年实现g d p 翻两番 的宏伟目标，将增加能源消耗以保持经济快速增长。从 这方面来讲，中国面临的主要问题不是是否有必要增加能源消耗，而是这种增加发生在“高 效、少污染 的范围内【5 1 。如何保持能源、经济和环境的可持续发展是我们面临的一个重 大战略问题。 严峻的形势促使人们不断思考能源问题，寻找各种可能的清洁再生能源，挖掘各种 可行的节能措施，在保护好环境的前提下，尽可能地解决能源危机。因此，如何合理用能成 为人类共同面对的主题。其中包括两个方面：一是合理利用现有能源；二是寻找各种新能 第一章前言 源。基于此，太阳能作为一种绿色可再生能源开始受到人们的关注。但太阳能存在间断性 和不稳定的特点，且单位能量强度不高、分布不均匀、转化利用效率较低，在许多情况下 人们还不能合理地利用太阳能。同时，近年来，我国电力供需出现了新的问题。用电高峰 负荷增长很快，电网负荷率逐年下降，峰谷差逐年拉大。用电低谷时电能浪费严重。也就 是说，供能与用能存在时间上不匹配的问题。因此我们要找到种方法像蓄水池蓄水一样 把暂时不用的热量储存起来，而在需要时再把它释放出来。传统蓄热方式均采用显热型水 蓄热方式，该方式具有蓄热量小、蓄热体体积大、放热不稳定等缺点。开发具有高性能蓄 热装置的复合能源型热水装置已成为当前研究的焦点。 随着城镇人民生活水平的不断提高和国民经济的高速发展，人们对室内环境质量有了 更高的要求，加之建筑节能及分户计量供暖收费制度的实施，一种新的采暖方式低温热 水地板辐射供暖孕育而生，这种采暖方式对水温的要求不太高( 一般在4 0 , - - - - 6 0 c 之间) ，使 许多平常情况下难以利用的低品位能源( 如地热，太阳能) 得到充分利用，从而节约了高品 位能源【6 】，因此，它将成为一种具有发展前途的新型采暖方式。 太阳能年均辐射强度低( 1 1 0 - 2 6 0 w m 2 ) ，转换为高品质能量( 高温热能和电能) 的效 率低( 1 0 - - - 2 0 ) ，但转换为低温( 6 0 - - 8 0 ) 热能的效率很高【1 7 1 ( 4 0 - - 6 0 ) ，直接用 于采暖是高效利用的途径之一。因此，太阳能跟地板采暖结合是一种理想的选择。 本课题引入相变蓄热技术，利用太阳能，以电能作为辅助热源，解决生产生活热水供 应及采暖问题，对节约我国每年因供暖而消耗的大量战略资源一煤资源、石油资源、电力 资源具有深远的积极意义。对降低我国环保压力、建设节约型社会也具有深远的意义。 1 2 课题的研究动态 1 2 1 太阳能热利用 1 0 - 1 8 】 传统化石燃料的同益枯竭与人类环境状况的日益恶化使得洁净的可再生能源及其应用 技术的开发成为人类所面临的最为紧迫的问题。在可再生能源中，太阳能无疑是最引人瞩 目的，太阳是一个最为丰富、洁净、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为 其总辐射能量( 约为3 7 5 1 0 2 6 w ) 的2 2 , f l 3 - - ) - 之一，但己高达1 7 3 ，0 0 0 t w ，也就是说太阳每秒 钟照射到地球上的能量就相当于5 0 0 万吨煤。一年之内就得到5 6 3 1 0 2 1 千焦耳，相当于1 3 0 万亿吨标准煤，约为全世界所消耗的各种能源总和的2 1 0 4 倍，其中3 4 被云层和地表反 射掉，6 6 被地球吸收，目前能真正为人类所利用的仅为5 1 0 【8 9 1 。因此太阳能具有非 2 第一章前言 常大的应用潜力。同时太阳能是一种洁净的能源，因为它不会产生c 0 2 ，而且是可再生的。 在能源和环境形势日益严峻的今天，太阳能作为一种具有代表性的新能源，被认为是2 1 世 纪以后人类可期待的、最有希望的能源，越来越得到各国学者的广泛重视，以减少对煤、 石油、天然气等不可再生能源的依赖。 太阳能热利用具有广阔的应用领域，但最终可归纳为太阳能热发电( 能源产出) 和建筑 用能( 终端直接用能) ，包括采暖、空调和热水。当前太阳能热利用最活跃、并已形成产业的 当属太阳能热水器、太阳能热发电和太阳能制冷。此外，在太阳能热泵、热推进技术等新型 领域也有一定的研究与应用。 1 2 1 1 太阳能热水器 热水器是太阳能热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术。国际上，太阳能热水器 产品经历了闷晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展目前热水器产品的发展方向仍注重提 高集热器的效率，如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层，以减少热量损 失。 比较有竞争力的太阳能热水系统都具有大的太阳能集热器，安装在平屋顶或坡屋顶的 阳面。配上紧凑的储热系统，在冬天也可使用。 目前在提高集热器效率的研究领域，主要在以下几个方面取得了较大进展： ( a ) 透明蜂窝应用于太阳能热水器的研究； ( b ) 真空管太阳能热水器的研究； ( c ) 热管式真空管太阳能热水器的设计研究； ( d ) 应用全息技术提高太阳能热水器效率的研究。 1 2 1 2 太阳能热发电 目前，太阳能热发电在技术上和经济上可行的三种形式是： 3 0 - - - - 8 0 m w 聚焦抛物面 槽式太阳能热发电技术( 简称抛物面槽式) ；( 主) 3 0 - - - , 2 0 0 m w 点聚焦中央接收式太阳能热发 电技术( 简称塔式) ；7 5 2 5 k w 的点聚焦抛物面盘式太阳能热发电技术( 简称抛物面盘 式) 。除了上述几种传统的太阳能热发电方式以外，太阳能烟囱发电、太阳池发电等新领域 的研究也有进展。 第一章前言 1 2 1 3 太阳能制冷 实现太阳能制冷有两条途径：一是太阳能光电转换，以电制冷；二是太阳能光热转换， 以热制冷。前一种方法成本太高，应用较少，所以目前普遍采用以热制冷。太阳能以热制冷 研究主要在三个方向上进行，即太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制 冷。其中吸收式制冷和喷射式制冷都已经进入了应用阶段，吸附式制冷还处在研究阶段。由 于吸收式制冷系统庞大，运行复杂；吸附式制冷则停留在实验室阶段，因此对吸收式制冷的 小型化和吸附式制冷的实用化是目前研究的热点。 1 2 1 4 太阳能热泵 将太阳能作为蒸发器热源的热泵系统称为太阳能热泵系统。其工作原理为：在蒸发器 吸热后，其工质的高温低压过热气体在压缩机中经过绝热压缩变为高温高压的气体，经冷凝 器定压冷凝为低温高压的液体，放出工质的气化热，与冷凝水进行热交换，使冷凝水被加热为 热水，供用户使用。同时液态工质再经过降压阀绝热节流后变为低温低压液体，并回到蒸发 器定压吸收热源热量，蒸发变为过热蒸气，完成一个循环过程。 1 2 1 5 太阳能热推进 太阳能推进可分为太阳能电推进( s e p ) 和太阳能热推进( s t p ) 两大类。s e p 是通过太 阳电池将太阳能转化成电能，再通过电源处理系统将电能供应给各种电推力器加热工质产 生推力的推进技术；s t p 是利用聚集的太阳能直接加热工质产生推力的推进技术。s t p 与电 推进技术相比较，不需要电能转换、管理分配系统，从而使系统简单可靠，能量利用率高；与 核火箭发动机相比，s t p 使用丰富廉洁的太阳能，不产生粒子污染，具有较高的比冲，范围宽阔 适中的推力；对同样的星际探索任务，与化学能推进型发动机相比，其有效载荷质量比提高 1 3 6 - 3 4 倍，有显著的质量节省。因此，s t p 是空间推进技术发展的一个重要方向。 1 2 2 地板辐射采暖研究现状 低温辐射采暖系统早在2 0 世纪3 0 年代初，就被西欧发达国家所采用，实践证明它比普 通散热器采暖更舒适。但是，由于当时金属管接口多、易腐蚀、膨胀系数大、易引起龟裂 及损坏后无法更换等问题，致使地板辐射采暖技术未能得到广泛的应用。7 0 年代以来，随 4 第一章前言 着化学工业的发展，抗老化、耐高温、热稳定性好的塑料材质取代了旧的金属管材。其成 本低、不易漏、不易结垢、膨胀系数小等优点为低温地板辐射采暖提供了可靠的材料保证。 随着建筑业的发展和人们生活水平的提高，特别是独立供暖、分户计量等相关政策的出台， 地板辐射采暖显示了其旺盛的生命力。地板辐射采暖技术已广泛应用于餐饮业、购物中心、 体育场馆等公共建筑，并普及到个人住宅、商业高级住宅，特别是大跨度和矮窗式新型建 筑物的采暖需要，所以它的普及与推广，将是采暖领域一次变革。 1 2 2 1 国外发展动态 国外早在十九世纪末就有人提出低温地板辐射采暖的思想。二十世纪初，该技术在英、 俄等欧洲国家出现。英国的巴克尔教授和俄国的亚西莫维奇工程师设计并实现了首批低温 热水地板辐射采暖工程，在1 9 0 7 年获得发明专利，标志着地板辐射采暖作为一项专门的 技术被社会承认；美国的j r c a r r o l l 早在2 0 世纪4 0 年代就对地板辐射采暖形式的自然对 流进行了分析。由于低温热水地板辐射采暖系统的特点，其设计过程也与传统对流采暖系 统设计存在差别。l n k a l i s p e r i s 1 9 】和m d f l i n g t 2 0 】等对低温热水地板辐射采暖系统设计 进行了研究，并根据系统特点分别提出了基于平均辐射温度和热舒适指标的系统设计方 法；五十年代s a r t a i n 和h a r r i s 认为地板内的传热应该按照二维计算，并对地板下部不同绝 热、上部不同覆盖和不同室内外温差情况下水温与地板表面热流进行了测试。1 9 7 9 年， h o g a n 用有限容积法求解地板二维稳态传热模型；1 9 7 8 年到1 9 8 0 年间，h a n n a y 和 l e b r u n 2 1 - 2 2 】等美国诸多学者对不同的采暖系统的热舒适性和能量消耗进行了研究，这些研 究表明：当各种不同的采暖系统达到相同的热舒适性时，其各自能量消耗有明显的不同， 地板辐射采暖可节能1 0 - - - 4 0 ；e b a i l e y 等一些国外学者对低温热水地板辐射采暖系统的 节能性进行了大量的试验研究和计算机模拟计算；1 9 9 4 年，加拿大学者o l e s e n 【2 3 】利用非线 性有限差分法，对低温地板辐射采暖系统进行了数值模拟，经过讨论并最终提出：有效利用 太阳辐射以降低室内热负荷以及将室内设计温度按正弦规律变化都可以有效地降低地板 表面最高温度，减少热流量。同时若室内温度按正弦规律变化而使系统节约的能耗同在夜 间降低室内最高辐射温度所节约的能耗相同；a n d r e a sk 等通过对两种结构的地板在三种控 制方式下的运行进行数值模拟，指出地板系统中的介质可以对辅助热进行有效的储存，并 保证地板表面处于舒适的温度范围( 2 9 ) ；为了在保证室内热舒适的前提下有效储存太阳 能，夜间需要较低的设定温度，日间则逐渐提高到较高的温度【2 4 - 2 6 1 。 第一章前言 1 2 2 2 国内发展动态 我国对于地板采暖的研究起步较晚，且由于受到当时的技术条件和材料工业的限制， 低温地板辐射采暖没有得到广泛的应用。随着塑料工业的飞速发展，新型管材的出现使得 低温地板辐射采暖的研究和应用得以广泛开展。9 0 年代末建设部科技发展促进中心于 1 9 9 9 年9 月在乌鲁木齐，2 0 0 0 年9 月在秦皇岛召开了低温热水地板辐射采暖技术研讨 会，在会上大力推广该项技术，使该项技术得到了支持与发展。随后，低温热水地板辐射 采暖技术在北京市、青岛市、上海市、大连市、山东省等地得到相当规模的应用，有的地 区已形成热点，并编制了地区的技术标准，如北京市、上海市以及山东省。一些高校和企 业在不断地引进国外的理论和成功经验的同时，还针对本国的具体情况，对低温热水地板 辐射采暖系统进行了相关的理论和试验研究，并加以分析，提出了适合我国发展的一些看 法，为该项技术在国内开展创造了有利的社会环境和研究环境，使该项技术的研究迅速在 国内发展起来【2 4 1 。 冉春雨建立了二维地板传热模型，并用有限元法求解，建立了地板辐射房间温度场模 型，按房间热平衡法建立实验台进行小样实测，实测结果与计算结果基本一致；西安建筑 科技大学的刘艳峰和刘加平利用p h o e n i c 3 3 计算软件对低温地板辐射供暖房间和散热 器供暖房间的温度场进行了仿真模拟。建立供暖房间传热过程的数值模型，对两种房间进行 了编程计算。两个模型计算结果反映了低温地板辐射供暖房间的室内热环境优于散热器供 暖房间；天津大学的王英辉等人对地板辐射供暖系统的热工性能进行了试验研究给出了一 个试验性公式【2 4 】；1 9 9 9 年王子介教授在分析了地板采暖的节能性和舒适性的基础上，对太 阳能地板供暖系统和用于夏季供冷系统的可行性进行了分析，指出太阳能地板供暖系统具 有环保和节能特点，应用同一个地板辐射系统使用热泵对某些地区进行夏季供冷是可行 的；中国科技大学热科学与能源工程系可再生能源与节能研究所的叶宏等人采用一种定形 相变材料作为贮热介质，并对该种地板辐射采暖系统建立了相应的理论模型，做出了数值 模拟；北京建筑工程学院的邱林针对目前地板采暖热负荷计算的现状，从符合地板辐射采暖 自身热力特点的规律出发，给出一种相对严密的热负荷计算方法，并与现行方法进行对照，得 出地板采暖中辐射供热的份额越大、利用现行对流式热负荷计算方法所得结果的偏差相对 就越大的结论；上海交通大学制冷与低温工程研究所的孔祥强等人对列车客车用低温地板 辐射采暖进行了传热模拟；2 0 0 5 年青岛理工大学的周恩泽等以太阳能热泵为热源的地板 辐射为研究对象，研究了太阳能地板供暖系统在间歇运行方式下采暖房的可行性；同年上 6 第一章前言 海交通大学的陈戈等人则关注了地板辐射系统连续循环运行模式下对室内热环境所产生 的影响，并且把理论模拟结果和实验结果相比照，得出了模拟结果和实验结果基本吻合的 结论；2 0 0 5 年，华北电力大学的王峥用f l u e n t 对不同系统特性参数下的低温地板辐射采暖 系统进行了数值模拟，并结合人体热舒适性的要求，对低温地板辐射采暖系统的热舒适性 进行了评价，得出：采用地板辐射采暖系统，室内设计温度可以降低一些，当设计温度为 1 4 - - 一1 7 。c 时，人们在家可以穿着薄毛衣裤，且感觉较为舒适。西安建筑科技大学的徐玉梅 结合两类建筑( 别墅式住宅和行政办公楼) 用综合能源价格法对太阳能低温地板采暖与常规 热源采暖进行了经济效益对比分析，并在此基础上分析了影响太阳能采暖系统经济效益的 因素，得出：太阳能采暖与生活用热水相联合，不仅经济效益得到了提高，而且系统的节 能效益与环保效益也是其他常规热源无法比拟的，别墅式住宅的最优方案为太阳能+ 集中 供暖的系统形式，行政办公楼的最优方案为太阳能+ 电加热器的系统形式。2 0 0 8 年，南昌 大学的谢鹏等人以c a c l 2 6 h 2 0 作为蓄热介质，利用太阳能作为低温热水地板辐射采暖的 热源，并使其稳定供暖，通过初步实验研究和数据表明了相变蓄热式太阳能地板辐射采暖 系统的舒适性和可行性【2 7 。0 1 。 这些研究成果为我国地板辐射采暖的发展和推广起到了促进和指导作用。 1 2 3 当前能源政策 峰谷分时电价是指根据用户用电需求，将每天的时间划分为高峰、平段、低谷三个时 段或高峰、低谷两个时段，对各时段分别制定不同的电价水平，以刺激和鼓励用户主动改 变消费行为和用电方式达到削峰填谷的目的，从而提高电力系统的运行效率和稳定性。这 种方法通过不同时段的电价差使用户出于节省成本的目的，将一部分用电量从高峰时段转 移到平段或低谷时段，减少峰谷负荷差，减少备用容量，提高机组使用效率，减少资源浪 费。 我国从上世纪8 0 年代起开始实施峰谷分时电价制度，近几年来逐渐全面普及和推广。 峰谷电价有效地调节了用电峰谷差，取得了十分显著的社会效益，缓解了电力紧张局面。 近年来，我国电力供需出现了新的问题。用电高峰负荷增长很快，电网负荷率逐年下降， 峰谷差逐年拉大。如何更好地调整和完善分时电价制度，缓解目前电力供应紧张局面，更合 理地实现供电企业的经济效益和整个社会的社会效益具有重要意义。 为发挥价格杠杆调节电力供求、引导用户合理用电的作用，缓解季节性、时段性缺电 7 第一章前言 矛盾，国家发展改革委会同有关部门和有关地区对分时电价进行了大力调整。仅在2 0 0 3 年 就修订并发布了1 2 个省份峰谷分时电价办法，近年又发布文件进一步完善了上海、江苏、 北京、天津、河北、江西、湖南、河南、重庆等省( 市) 的分时电价办法，扩大销售侧分时 电价执行范围，拉大峰谷价差。其中，对上海、北京、天津、河北、江西、重庆等地区在 夏季或冬季用电尖峰时段实行了尖峰电价；在上海试行了避峰用电补偿办法；在江苏、湖 南、河南等地区实行了发电侧与销售侧峰谷分时电价联动：并在湖南等水电丰富的地区试 行了丰枯季节性电价。国家发改委在文件国家发展改革委关于调整电价的通知发改电 【2 0 0 3 】1 2 4 号中第六条还明确指出要继续完善峰谷分时电价办法。电力供应紧张的地区 要进一步完善峰谷分时电价制度。指出售电环节峰谷分时电价执行范围较小、峰谷价差较 小的，要尽快提出修订方案。从全国范围来看，许多省的峰谷分时电价都处在全面实施和 调整阶段。目前，华北地区的电力价格为：夜间2 3 ：0 0 , - - 7 ：0 0 ，0 3 8 7 5 元k w h ；日间峰值段 8 小时电价为1 1 3 9 5f r _ , k w h ；日间平段8 小时电价为0 7 5 2 5 元k w h 。 中华人民共和国可再生能源法已由中华人民共和国第十届全国人民代表大会常务 委员会第十四次会议于2 0 0 5 年2 月2 8 日通过，自2 0 0 6 年1 月1 日起施行。标志着中国开发利 用可再生能源进入新的阶段。 中华人民共和国节约能源法已由中华人民共和国第十届全国人民代表大会常务委 员会第三十次会议于2 0 0 7 年1 0 月2 8 日修订通过，自2 0 0 8 年4 月l 同起施行。将“节能降耗、 建设节约型社会”提高到一个新的高度，为太阳能、风能、生物能等绿色可再生能源的利 用提供了法律支持。 2 0 0 8 年1 1 月，由中央1 5 委部局联手，发改委主任、国家能源办主任马凯亲自担纲起草 组长的能源法制定工作已经拉开序幕。 这些法律政策的颁布说明国家对能源节约与利用的重视，同时加大了对可再生能源开 发的扶持力度。相信太阳能相变蓄热采暖系统作为一种清洁、节能系统，有非常好的发展 前景。 1 3 太阳能相变蓄热采暖系统简介 随着太阳能行业的不断发展以及市场需求的不断增多，需要利用太阳能集热系统产生 中低温热水的领域不断拓宽，例如洗浴、采暖、管路保温、干燥等，既环保节能又可以为 用户节约大量的运行费用。利用太阳能集热系统进行采暖，市场需求大，技术可行，是太阳 第一章前言 能行业拓展应用的一个典型方向。 太阳能采暖分为主动式和被动式两大类。被动式太阳能采暖是指利用建筑本身作为集 热装置，依靠建筑方位的合理布置，以自然热交换的方式( 传导、对流和辐射) 使建筑达 到采暖和降温目的的房屋。而主动式太阳能建筑是指利用常规能源驱动太阳集热器以及储 热器装置组成的强制循环太阳能系统，向房间供暖的一种建筑形式。 被动式太阳房构造简单、造价低廉，是太阳能热利用技术在建筑中应用的一个重要方 面。然而，被动式太阳房的采暖方式决定了集热面与非集热面内表面与室内气温之间较大 的温差，这必将引起不对称辐射。这种情况类似冷板辐射供冷，如果人体靠近冷表面，则 辐射换热差值足以引起冷感和不舒适。其感觉和吹风所产生的冷感几乎难以区别，称之为 “辐射吹风感”。 主动式太阳能采暖又可分为直接式和间接式。所谓直接式就是由太阳集热器加热的热 水或空气直接被用来供暖。所谓间接式就是集热器加热的热水通过热泵提高温度后再供 暖。由于集热温度越高，集热器的效率就越低，因此一般采用地板采暖或风机盘管。这两 种方式要求热源的温度比较低，5 0 ( 2 左右，集热器具有较高的效掣3 1 】。 本系统由水泵驱动太阳集热器、蓄水箱、相变蓄热罐、采暖设备等装置组成的强制循 环太阳能系统，向房间供暖的一种建筑形式。属于直接主动式采暖。采暖设备包括采暖地 板、风机盘管、挂壁式散热器。 1 3 1 太阳能低温地板辐射采暖系统简介 随着城镇人民生活水平的不断提高和国民经济的高速发展，人们对室内环境质量有了 更高的要求，加之建筑节能及按户计量供暖收费制度的实施，一种新的采暖方式太阳能 低温热水地板辐射供暖孕育而生，并且将成为一种具有发展前途的新型采暖方式。 1 3 1 1 基本原理 太阳能低温地板辐射采暖系统是以太阳集热器收集的太阳能为热源，以低温热水为工 质，通过循环系统将加热到适当温度的热水导入到预先埋在地板下的埋管中，使热水和埋 管在地板下进行热交换，加热管放射出8 1 3 2m 的【3 2 1 远红外线加热地表，一部分直接投射 到人体表面，另一部分投射到周围物体表面，这些表面再与人体进行辐射换热完成辐射板 对人体的二次辐射。辐射板在通过上述辐射过程与人体进行热交换的同时，还与周围的空 9 第一章前言 气进行对流换热。 1 3 1 2 低温热水地板辐射采暖的特点 1 、以热地板的上表面为散热面： 2 、因散热面积大，房间地表温度一般无需超过3 0 。c 即满足供暖要求； 3 、其辐射热量占总散热量的一半以上，还可采用其他供暖回水、余热水、地热水等作为 热源。 、 4 、室温由下而上随着高度的增加温度逐渐下降的方式，室内地表温度均匀，空气质量好； 5 、此采暖方式为“小温差大流量”系统，以调节流量来调节散热量；而且，每户自成一 闭合环路，有利于分户计量。 低温地板辐射采暖的上述特点，为提高室内环境质量，提高房间的舒适性，在保证室 内人体热舒适要求的条件下，最大限度地减少低温热水地板辐射采暖系统的能耗，提供了 前提条件。 1 3 1 3 低温热水地板辐射采暖的优缺点 近年来，随着城镇人民生活水平的不断提高和国民经济的高速发展，人们对室内环境质 量有了更高的要求，加之建筑节能及按户计量供暖收费制度的实施，低温热水地板辐射采 暖作为一种新型、节能、舒适的采暖方式受到越来越多的关注，对其优缺点也是众说纷纭， 作者认为应辩证看待其优缺点。 一、低温热水地板辐射采暖的优点【3 4 4 0 】 1 、舒适、健康 由于它是采用室温由下而上随着高度的增加温度逐渐下降的方式，室内地表温度均 匀，空气质量好。而这种温度曲线正好符合人的生理需求，给人以脚暖头凉的舒适感受； 同时，地板采暖可促进居住者足部血液循环，从而改善全身血液循环，促进新陈代谢，并 在一定程度上提高免疫能力；此外，“足热头寒”的环境可以避免犯困，有利于增强记忆 力、提高学习和工作效率。 2 、较好地解决了高大空间的采暖问题 由于低温地板辐射采暖系统的特性，使其能对高大空间达到“分层采暖”，能够较好 的控制离地2 m ( 人活动区域) 范围内的微气候。此特性在欧美发达国家还被用来解决寒 冷地区城市广场、足球场“四季常绿”草坪问题。 “) 第一章前言 3 、节能、高效 地板采暖供暖方式相对对流供暖方式热量集中在人体受益的高度内，减少了对流采暖 顶棚温度高造成的热能的无效损失，所以热效率高； 低温地板辐射供暖方式向室内的散热量中有一半以上是以远红外线辐射的形式直接 传递给人体及室内其它物体表面，照射强度下强上弱，室温分布下高上低，故而在相同的舒适 度条件下，低温热水地板辐射采暖的室内设计温度要比散热器采暖的室内设计温度低l 2 ，在通常情况下，住宅室内采暖温度每降低l ，可以节约燃料1 0 ； 低温热水地板辐射供暖供水温度较低( 一般不超过6 0 。c ) ，因此热水加热时消耗的能 量以及管网传送热水时的损耗较少。由于供水温度不高，便于利用太阳能、热泵、地热及 低品位热能，可以进一步节省常规能源； 低温热水地板辐射采暖方式下室内平均空气温度和外墙内表面温度相比对流采暖系 统的值分别要低1 5 和0 5 c 左右，这必然会减少采暖空间的通风及冷空气渗透热损失和 围护结构的导热热损失，降低系统采暖能耗； 传送介质不像以往大量的暴露在外，室内的管道也全部封装在地面，减少了很多热损。 整个供暖系统节能幅度可达到4 0 左右。对于现在能源非常紧张的现在，有着非常大的意 义。 4 、经济、实用 取暖费用明显减少；不占使用面积，花同样的钱等于买了更大的房子；减 少了装修开支；减少了维修费用。由于地板采暖系统属隐蔽工程，只要设计合理、施工 得当，管材质量有所保证，后期几乎不需要什么维修，自然维护费用极低。 5 、环保、卫生 室内空气不产生明显的对流，也可以明显地减少住宅室内空气中尘埃的飞扬和细菌的 传播，减少室内空气二次