（工程热物理专业论文）相变蓄热式太阳能低温地板辐射采暖的设计及性能研究.pdf

摘要 摘要 本文研究如何利用太阳能作为低温地板辐射采暖的热源并使其稳定供暖， 为克服太阳能的强弱间歇性，系统中设计了蓄热装置，使冬季在太阳能充足的 条件下能实现日吸收夜供暖，在太阳能较弱的条件下对供水实现预热来降低能 耗。为了使系统设计的合理性，本研究重点分析了涉及领域的基础原理，并以 传热学为基础，以实现恒温供暖为目标，对实验供暖房间建立了数学模型，利 用有限差分法通过编制程序计算该传热单元的数值解。 在系统设计中，以各部件的热力学原理和模拟分析为依据，计算实验环境 热负荷，根据实验地区的太阳辐照强度匹配了太阳能的集热器，参照地板采暖 设计标准选择c a c l 2 6 h ，0 作为蓄热介质，并以在最低环境温度下保持1 2 h 持续 放热为最大蓄热量进行了蓄热器的设计，对整套运行系统其他部件进行选型， 提出了运行流程方案并实施了构建。 最后，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，分析了系统所存在的问题并提出了改进意见。 关键词：蓄热；地板采暖：太阳能；系统设计；性能测试 a b s t r a e t a b s t r a c t t h i st h e s i ss t u d i e sh o wt ou s es o l a ra st h et h e r m a le n e r g yo fl o w - t e m p e r a t u r e f l o o rr a d i a n th e a t i n gs y s t e m ，a n dh e a t i n gs t e a d i l y f o rc o n q u e rt h ei n t e r m i t t e n c eo f t h es o l a r , d e s i g n e dt h ee n e r g ys t o r i n ge q u i p m e n t l e nt h e s o l a ri s p l e n t e o u s e n s u r e st h es y s t e mc o u l da b s o r be n o u g hs o l a ri nt h ew i n t e rd a y sa n dr e l e a s ei nt h e n i g h t s ；w h e nt h e r ed on o th a v ee n o u g hs o l a r , t h ef l o o rc o u l db ew a r m e db yi ta sa p r e p a r a t o r ys t e p f o rm a k et h es y s t e mb e c a m em o r er a t i o n a l ，t h i sr e s e a r c ha n a l y s e s t h eb a s i ce l e m e n t si nt h er e g i o no ft h ep r o b l e m ，b a s e so nt h et h e o r yo ft h eh e a t i n g 缸a n s f e r , w a l t f l s i nac o n s t a n tt e m p e r a t u r ea sao b j e c t i v e ，e s t a b l i s h e st h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h el a b o r a t o r y , u s e st h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d , a c a l c u l a t i n gp r o g r a mi sd e v e l o p e df o rt h es y s t e ma n dg e tt h ec o r r e c tn u m e r i c a l s o l u t i o n s i nt h ep r o c e s so fs y s t e md e s i g n i n g ，a c c o r d i n ga st h et h e r m o d y n a m i c sa n d s i m u l a t i o n , c a l c u l a t e dt h ec h a r g eo fe x p e r i m e n t a lr o o m ，d e s i g n e dt h es o l a rc o l l e c t i n g e q u i p m e n tw h i c hb a s e do nt h es o l a rr a d i a t i n gq u a n t i t yo ft h i sp l a c e ，c h o s e nt h e 函鸱6 h 2o a st h ee n e r g ys t o r i n gm e d i u m d e s i g n e dt h ee n e r g ys t o r i n ge q u i p m e n t w h o s eq u a n t i t yo fh e a tc o u l db er e l e a s e dac o n t i n u a n c eo f12h o u r si nt h el o w e s t e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e f i n a l l y , t h eo t h e rp a r t so fe q u i p m e n t si nt h i ss y s t e m w e r ea l s om a d ec e r t a i n , e n s u r e dt h er u n n i n gf l o wa n dt h es y s t e mw a sb u i l t i nt h ee n d ，e x p e r i m e n ta n dt h er e s e a r c hd a t ai n d i c a t e st h ec o m f o r ta n d f e a s i b i l i t yo fs o l a rl o w - t e m p e r a t u r ef l o o rh e a t i n gs y s t e m ，s u m m a r i z e st h e s y s t e m sd e f i c i e n c ya n dp u t sf o r w a r dt h eo p i n i o n k e yw o r d s ：e n e r g ys t o r e ；f l o o rh e a t i n g ；s y s t e md e s i g n ；s o l a r ；p e r f o r m a n c er e s e a r c h i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他 - 一 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：凄皆刮与签字日期： 矽。分年6 月il ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权南昌太学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数 据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ： 鸸 翩签名c 手撕 签字日期：y 谬年b 月i 日签字日期：加脾多月f 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景及研究意义 人类社会文明的发展无不是依靠能源作为基础。人们在日常生活中的衣食 住行更是离不开能源，生活水平的不断提高加剧了我们对能源的依赖，越来越 多的家用电器，越来越多的汽车，无不以能源的消耗作为支撑。 我国能源资源有限，常规能源资源仅占世界总量的l o 7 ，人均能源资源 占有量远低于世界水平：2 0 0 0 年我国人均石油可采储量只有4 7 吨，人均天然 气可采储量1 2 6 2 立方米，人均煤炭可采储量1 4 0 吨，分别为世界平均值的2 0 1 、 5 1 、8 6 2 。我国已成为世界能源生产和消费大国。2 0 0 4 年，中国超过俄罗 斯成为世界第二大能源生产国，同时也是世界第二大能源消费国。 目前，我国使用的能源以煤炭为主。2 0 0 5 年，我国一次能源消费量中，煤 炭占6 8 7 ，石油占2 1 2 ，天然气占2 8 ，水电占6 3 ，核电占1 。我国 也是世界上最大的煤炭消费国，2 0 0 5 年消费量占世界总消费量的3 6 9 9 6 。 不仅如此，2 0 0 1 年以来，中国石油消费高速增长。据海关总署发布的数据， 2 0 0 7 年我国共进口原油1 6 3 亿吨，同比前年增长1 2 4 ；进口成品油3 3 8 0 万 吨，同比前年下跌7 1 。以此数据计算，我国石油储存度已近5 0 。 在电力消费方面，我国电力需求以每年超过1 0 的速率增长。2 0 0 2 年出现 过大范围缺电，2 0 0 4 年缺电的省份达2 4 个，夏季高峰时段全国估计缺电近3 1 g w ， 2 0 0 5 年有所缓解，但全国夏季高峰时段仍缺电2 5 g w ，2 0 0 6 年夏季缺电减少到 1 2 g w 1 ，羽。 能源是我国环境问题的核心，我国的可持续发展受到能源和环境的严重制 约。面对严峻的能源形势，我国政府引起高度重视，做出以提高资源利用效率 为核心建设节约型社会的战略决策，从上世纪八十年代以来，节能列入政府经 济社会发展计划，建立了节能管理体系，制订一系列的节能法规u 。： 1 9 8 5 年，我国开始实施能源效率标准。 1 9 9 8 年，我国建立了节能产品认证制度，企业按自愿原则向中标认证中心 提出认证申请。 2 0 0 5 年，我国开始实旌能效标识。 第1 章绪论 2 0 0 7 年，国务院办公厅发布了关于严格执行公共建筑空调温度控制标准 的通知。 然而，仅仅依靠这些政策法规的导向是远远不够的，还依赖于国民节能意 识的提高、科技水平的提高所带来的能源利用模式的转变等等。据调查统计， 几乎4 0 h 。的不可再生能源被用来满足建筑物热舒适性。最大限度地减少能量消 耗，减少有害物质的排放，并充分利用可再生能源成为供暖与供冷技术的发展 要求。随着人们生活水平的不断提高，当今建筑采暖方式的舒适性已逐渐引起 人们的重视，人们已经意识到它对入的心理，生理健康的影响。医学者们呼吁 一种能使室内气温适当、让人体感觉舒适、不危害人体健康的采暖方式。采暖 方式的节能，环保以及舒适成为现代采暖技术发展的一个基本趋向。低温热水 地板辐射采暖在这样一个社会背景下出现在人们的视线里。 低温热水地板辐射采暖由于其舒适性高、卫生条件好、能充分利用各种低 品位能源、可以节省室内建筑空间等优点越来越受到人们的关注，是当今较为 先进的一种采暖方式，也是目前国内外公认的最为理想的采暖方式之一。因此， 对低温热水地板辐射采暖技术进行理论分析和应用研究，寻找合适的匹配热源 及系统的设计推广是十分有价值的。 本论文旨在研究一种结合太阳能的低温热水地板辐射采暖系统，由于太阳 能的间歇性和天气的不确定性，为了更好地使太阳能得到充分利用，同时引入 合适的相变蓄热材料在太阳能充足时进行蓄能，以减少在冬季使用其他方式供 暖所带来的能源消耗。论文的研究成果，可为今后的太阳能低温地板辐射采暖 系统的实际应用及推广提供理论依据。 1 2 地板采暖系统的研究现状 1 2 1 国外研究现状 地板采暖是一种有着悠久历史的采暖方式。国外学者已经对其进行了大量 的研究。而对于太阳能采暖，由于技术和经济方恧的原因，以往的研究主要集 中于太阳能热泵供暖( s a h p ) 。 早在1 9 0 7 年，英国的巴克尔教授向政府当局提出专利申请并获批准，标志 着地板辐射采暖作为专门的技术得到社会的承认。在2 0 世纪初，苏联的b a 2 第l 章绪论 亚希莫维奇工程师在俄国组织设计完成了十几个辐射采暖系统。虽然地板采暖 在一开始就显示了卫生、舒适等多方面的优越性，但是，由于对埋入地板中的 钢管抗腐蚀能力的担心，没有得到迅速发展。7 0 年代以来，随着人们舒适性要 求的提高和能源危机的出现，人们对地板采暖的意义有了更深刻的认识。尤其 是适用于低温水地板采暖的交联聚乙烯管材的出现，使地板供暖进入了一个新 的发展时期。美国的戴维斯能团率先开发了地板采暖的计算机辅助设计系统， 把计算机科学同地板采暖工程科学结合起来，有力地促进了地板采暖的发展。 国外学者的研究多集中在天花板辐射采暖、制冷的舒适性研究、能耗分析及控 制策略上。1 9 9 4 年，加拿大学者a k a t h i e n i t i s 应用三维有限差分法对地板 采暖系统的循态传热过程进行了数值模拟。其研究主要集中于覆盖层和太阳辐 射对地板温度分布和能量消耗的影响。研究结果表明，储存于地板中的太阳辐 射热使供热能耗降低约3 0 甚至更多。l u c i ol a u r e n t i 等则基于传递函数法提 出了关于地板采暖、制冷系统的计算方法。b j a r n ew o l e s e n 对地板采暖系统 的理论及实际应用进行了综述，指出该系统的优点、控制中需要注意的问题， 同时指出了地板供冷系统的优点及其最大供冷能力。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( t 皿) a b 硎2 0 a b + mh 2 0 一q( 2 1 ) 冷却( t t 皿) a b m h 2 0 + a b p h 2 0 + ( m p ) h 2 0 一q ( 2 2 ) 冷却( t 0 3 0 1 3 2 表5 2 换热热阻r 。， 围护结构外表面特征 r 。( m 2 w ) 外墙和屋顶004 与室外空气相通的非采暖地下室上面的楼板0 0 6 闷顶和外墙上有窗的非采暖地下室上面的楼板 0 0 8 外墙上无窗的非采暖地下室上面的楼板 o 1 7 3 8 第5 章相变蓄热式太阳能低温地板辐射采暖系统的设计 5 3 太阳能集热器 集热器能量的输出是太阳能移季利用的关键，从理论上来说，最大能量通 量为1 1 0 0 w m 2 。实际的集热器选型需依据该地区的太阳总辐射强度来匹配。 太阳辐射强度主要依据太阳赤纬、太阳高度角、方位角、时角的不同而产生强 弱区别，当天的大气透明度及天气状况也对太阳辐射强度有很大的影响。在系 统构建之前，为选择合适的太阳能集热器，本文依据采用美国采暖冷冻空调工 程师协会( a s h a r e ) 的太阳总辐射量计算方法对该实验地区的太阳辐射强度进行 了大致的估算。 lc = i c , b + l c 4 = l c + l c 幽七lc 电 ( 5 3 、 ，。太阳总辐射量，( m j m 2 ) l 。太阳直射辐射量，( m 1 m 2 ) j 。d 太阳散射辐射量，( m j m 2 ) j r c 西天空散射辐射量，( m j m 2 ) l 唐地面反射辐射量，( m l m 2 ) ，具体参见第2 章。 通过对该实验地区的辐射量计算，本课题选用平板型太阳能集热器，双层 玻璃盖板，吸热体表面涂无光黑漆，钢制壳体。各参数为：总有效集热面积 a = 3 m 2 ，集热器朝向正南，所以集热器的方位角z = 0 0 ，集热器的倾角 8 = 4 5 d ，玻璃盖板的厚度万，= 6 r a m ，玻璃盖板发射率：f 。= o 9 4 ，集热器的保 温材料采用苯板其厚度瓯= 5 c m ，导热系数以= 0 0 3w m ，发射率 气= 0 8 。 5 4 蓄热器 本课题从太阳能的持续稳定利用的角度，参照现有的并相对成熟的蓄冷技 术，引入蓄热系统，主要将太阳能辐射强度较强但无需供暖时的热量通过特殊 的储能介质储存，或在低价电时加热工质储存热量，在需要时加以释放。 按蓄热原理，有显热蓄热、相变蓄热( 潜热) 、热化学蓄热。不论用哪种方 式，为进行有效的热储存，必须考虑：单位体积或单位重量的储热容量：工作 方式和温度范围，即热量加进系统或从系统中取出的方法和与此相关的温度差； 考虑加进或取出热量的动力需求；储热量的容积、结构和内部温度的分布情况； 3 9 第5 章相变蓄热式太阳能低温地板辐射采暖系统的设计 以及减小储热系统热损失和系统成本的办法等等。本文选用相交( 潜热) 蓄热 的方式并设计了相应的蓄能器。 5 4 1 蓄热量的确定 由于供暖热源主要来源于热水系统，而热水系统的升温主要依赖于太阳能， 在太阳能集热器收集到的有用能q 大于负荷q 时，储热系统有必要将多余的热 量储存起来，本文蓄热系统的设计目的是为了调整短期内( 主要是白天和夜间) 热量的供给与消费的不平衡，在阴雨天气也能提供部分负荷的需求。蓄热水箱所 需的蓄热量q ： q = q r h ( 5 4 ) q 蓄热器的蓄热量，形 | l 无热源连续供暖的时间，h 由上式计算可得： 鲮= 6 4 6 w x l 2 h = 2 7 9 x 1 0 7 j 5 4 2 蓄热介质的确定 5 4 2 1 相变蓄热材料用量的确定 以相变方式蓄热的介质在使用过程中必须满足热力学性能要求：发生相变 的温度范围要符合需要；单位质量潜热高；蒸汽压低；密度大：比热大：热导 率高；协调溶解性好；相变过程中体积变化小；相变不出现明显的过冷现象。 相变材料的化学性能上也必须满足：稳定性好；与盛装容器相容性好；无毒性、 不燃、无爆炸性。此外，相变材料应易于获取，成本低廉。 参照以上原则，结合本课题的实际需求，选用无机水合盐六水氯化钙 ( c a c l 2 6 h ，作为蓄热介质，它的性能主要如下：熔点丁为2 9 4 c ，熔化潜 热五为1 7 0 k j k g ，固态比重成为1 6 3 0 k g m a ，固态比热c ，为1 3 4 0 j k g ，液态 比热c ，为2 3 1 0j k g u “”。 c 口a ，6 h ，0 的获取途径主要是由通过一定量的无水氯化钙和水混合形成 过饱和氯化钙水溶液，在室温环境下冷却析出结晶来获得。 在材料相变蓄热过程中，将相变材料由正加热到瓦，中间经过相变温度t 。 第5 章相交蓄热式太阳能低温地板辐射采暖系统的设计 材料储存的总热量q 。是三部分热量之和，即低温固体由正到z 宰的显热变化， 丁时的潜热以及高温相溶液由t 串到瓦的显热。 g = 嬲冗材【( 丁一互) c s + 2 + ( 互- t 奉) 巴】 ( 5 5 ) 式中册的，需要的相变材料的质量 由上式可知，在实际使用过程当中，温度互是相变材料的初始温度，也是 上一次放热完毕至结晶时的温度，由于相交材料存在寿命，并且存在一定的过 冷现象，正取值为2 0 c ；温度疋是相变材料的终止温度，即传热工质( 水) 的 温度，为方便计算，这里假设太阳能出水温度为4 0 ，五取值为4 0 。将各项 数值代入式4 5 中，即可知1 k g c a c l 2 6 h ：0 储存的热量留，为0 2 0 7 m j k g 。 g = q 。 ( 5 6 ) 朋删：盟 ( 5 7 ) q j 由( 5 6 ) 和( 5 7 ) ，蓄热系统需要的相变材料的质量所朐，为1 3 5 k g 。考 虑实际地板采暖运行过程中，地板的板体和管内、水箱中的水也参与蓄热，故 引入相应的修正系数，取为0 8 ，故本系统六水氯化钙的实际用量可确定为 1 0 8 k g 。 5 4 2 2 添加物质用量的确定 由于该相变在重复循环时性能变差，热容量减小。原因在于它是非共溶点 的盐类，如图5 2 所示。 图5 2c a c l 2 一h 2 d 的相图 4 1 第5 章相变蓄热式太阳能低温地板辐射采暖系统的设计 当加热到熔点以上时，它分离成液( 溶液) 、固 c a c l ，) 两相。由于盐的 密度高于溶液，要产生相分离现象，故限制着储热过程朝深度的发展。该系统 设计采用薄壁容器封装相变蓄能材料，故在相变蓄能材料中不再添加分散剂、 增稠剂等物质。但由于过冷现象依然存在，故仍然需要向相变材料中添加成核 剂以抑制过冷现象的出现，在文献 3 0 中提及，向c a c i ，6 h ，0 添加一定量的硼 砂可以有效防止过冷现象的产生，本文也采用向六水氯化钙添加3 的硼砂的量 以防止过冷现象的出现。 5 4 3 蓄热器的设计 在地板采暖和蓄热技术结合的研究中，有部分研究人员将蓄热介质直接填 充在地板层内进行蓄热的做法，考虑到蓄热介质的性能的稳定性还有待提高， 将蓄热介质埋在地板层内在蓄热介质失去效用后不便于维修及更换，并且增加 了地面层的热阻值，影响了传热的效果和系统寿命，为解决以上问题，在本系 统设计了相变蓄热器。 相变蓄能材料通常封装在容器中，构成相变蓄热器。封装容器的形状主要 有圆管型、矩形、板式、球形以及微胶囊型等。按载热流体与相变蓄热材料的 传热方式分类，主要有三种：一种是载热流体在外部冲刷封装容器与p c m 换热； 一种是载热流体在换热器管内流动，并通过换热器与p c m 换热：还有一种是封 装容器与建筑构件结合为一体，通过建筑构件导热后再与流体热交换。 本系统采用长为1 0 0 0 m m ，直径d 。= 2 0 m m 的铜管作为封装容器，则所需要铜 管的数量靠： 刀= m p c m + m t , c mx 3 k ( 5 8 ) 式中：珞为单根圆管的容积，m 3 。 为方便布置与设计，取，l ：2 0 9 。铜管采取错排布置4 剐，s l = s 2 = 4 0 r a m 。 如图5 3 所示： 4 2 第5 章相变蓄热式太阳能低温地板辐射采暖系统的设计 o 图5 3 蓄热器内铜管布置方式 蓄热器尺寸( l w h ) 为1 0 5 0 m i n x1 0 0 0 m i n x 4 4 0 r a m ，进水口在一侧下方， 出水口在另一侧上方，进水方向与铜管纵向垂直；装有蓄热介质的铜管分2 2 列 交错布置；为保证热水与管中蓄热介质充分换热，在管道的中间增加了折流板； 铜管在蓄热器中的固定参照蒸发器和冷凝器的制作方法，即在壁面处添加起搁 置作用的孔板，构造如图5 4 所示： 图5 4 蓄热器的构造图 蓄热器采用不锈钢板等为表层，聚氨酯发泡材料为芯层，通过优化组合， 使内外层共同达到最佳保温效果。 4 3 第5 章相变蓄热式太阳能低温地板辐射采暖系统的设计 5 5 整套系统设计 5 5 1 系统的基本组成 实验系统主要由太阳能收集系统、蓄热系统和供暖系统组成。主要用于将 冬季太阳能收集并转化为热能来储存和供暖。其系统原理图如图5 5 所示： f a 太阳能集热器b 保温水箱c 循环水泵d 蓄热器e 辅助电加热器 e 房间地埋盘管g 流量计1 ，2 8 阀门 图5 5 系统原理图 系统各部件的参数规格为：保温水箱容积为1 2 5 l ，大小为o 5 0 5xo 5 m ， 采用不锈钢和聚氨酯材料保温；循环水泵的型号为p b h 4 0 0 e a ，输出功率为 5 5 0 w ，最大扬程为2 0 m ，最大排水量为4 7 m 3 h ；辅助电加热器型号为d f 2 ， 输出功率为2 k w 。实验房间地埋盘管采用p e x 管，公称外径为2 0 m m ，内径为 1 6 r a m ，管下绝热层分别采用3 0 r a m 离心玻璃棉和5 0 r a m 珍珠岩；管间距为 第5 章相变蓄热式太阳能低温地板辐射采暖系统的设计 1 7 5 r a m ，布管方式采用双回型，因建筑面积小，不设伸缩缝，如图5 6 。测试房 间地板面层采用瓷砖，构造如图3 2 和表4 1 。 圊水营 供水管 l 5 5 2 系统的运行流程 图5 6 实验房间盘管布置图 系统在运行过程中，由于外界环境的变化，运行流程也相应改变。主要有 以下几种运行流程。 在冬季太阳能充足的条件下且需要供暖时，开启循环水泵，关闭电辅加 热器，太阳能集热器制取的热水先通过蓄热器再进入房间盘管，在满足供暖负 荷的同时将多余的热量储存以备不时之需。流程见图5 7 ： 图5 7 运行流程图i 当冬季夜间没有太阳能的情况下，系统必须通过蓄热器释放热量来对房 间进行供暖，阀2 、3 关，阀4 开，具体运行流程如图5 8 ： 4 5 第5 章相变蓄热式太阳能低温地板辐射采暖系统的设计 问8 开 鞠5 关 蓄热器d 巫 电辅热e 图5 8 运行流程图 在阀4 、水泵关，阀2 、3 开，存在太阳辐射的条件下，集热器和保温水 箱利用自身温差产生自然循环，将热水保存在保温水箱中。 在存在太阳能但无法满足负荷要求时，阀2 、4 、6 、8 关，阀3 、5 、7 开， 水泵开，对室内环境进行预热，在急需供暖时，可以开启电辅助热。 晴天，在房间无供暖要求时，阀2 、4 、5 、7 关，阀3 、6 、8 开，水泵开， 电辅助加热关，保温水箱和蓄热器同时参与蓄热循环。 5 6 本章小结 本章确定了实验任务及环境，进行了热负荷的计算、蓄热量的计算和蓄热 介质配比，对主要系统部件如太阳能集热器和蓄热器作了详细的设计和图示， 对室内盘管进行了布置和其他部件进行了设计选型。在此基础上，设计了相变 蓄热式太阳能地板辐射采暖系统，并对系统运行原理及工作流程进行了说明。 第6 章热工性能测试及模拟结果分析 第6 章热工性能测试及模拟结果分析 6 1 系统待测参数和测试方法 为了进一步研究本系统的热工性能，探讨地板采暖系统利用太阳能供热的 可行性，检验在稳定供热工况下的模拟结果，本文对系统运行的环境参数和运 行数据的初步测试和记录。 太阳能辐射量的测定 由于本实验系统利用太阳能集热器获取热水来对采暖盘管进行供热，所以 有必要对系统运行日所能收集到的太阳能辐射量进行一个记录。 太阳辐射量采用可以测量半球空间太阳辐射的t b q 一2 型总辐射测量仪来 获取，该仪器安装场地选择在太阳能集热器放置平面上，保证了日出、日落的 方位上无高度角超过5 度的障碍物，并且避免了出现阴影落在感应面上的现象。 该表为热电效应原理，感应元件采用绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂 有高吸收率的黑色涂层。热接点在感应面上，而冷结点则位于机体内，冷热接 点产生温差电势。在线性范围内，输出信号与太阳辐照度成正比。为减小温度 的影响则配有温度补偿线路，为了防止环境对其性能的影响，则用两层石英玻 璃罩，罩是经过精密的光学冷加工磨制而成的。其响应时间 3 0 秒，稳定性为 2 ，测量范围为0 2 0 0 0 w m 2 。 室内空气温度测量 为验证低温地板辐射采暖方式的热舒适性，不仅需要确定室内人体活动区 的空气温度，而且还要测定室内温度的梯度分布。因此，本实验在测试间内横 向均匀地选取四个平面，在水平和垂直方向上的不同地点布置了温度测点，以 确定温度梯度，并取房间中心平面距离地面为1 5 m 处的测点为基准点，以该点 的温度为室内温度。系统中用于测温的仪器为铜康铜热电偶，测温范围为2 0 1 2 - 9 0 ，测温精度小于0 i c 。室内空气温度测试点布置如图6 1 。 地板表面温度测量 为了研究双回型布置的地板表面温度场的分布，同时考虑到双回型布置方 式的“均化一效应，在本实验中根据实际的埋管间距布置热电偶，选取地板上 若干点以得出地板温度分布和地板平均温度。地板表面温度测试布置如图6 2 。 供、回水平均温度 由于供暖面积不大，本系统在供、回水管路上没有设置集、分水器，供、回 4 7 图6 1 室内温度测点布置 一黧羔销篙瓣桃线上 注：点5 为房闻的中心点所有溅点诬厉刚轨” 第6 章热工性能测试及模拟结果分析 水温度通过在供、回水管壁处布置热电偶来测量。 室外温度测量 室外温度的变化也将会导致测试工况的变化，本实验中室外温度由热电偶 来测量。测量时热电偶要安放在背阴处，以防止太阳辐射所产生的误差。 供、回水流量测定 为得到房间的供热量需要测量供、回水管中水的瞬时流量，采用直径为 d n 2 0 ，最大流量为5 m 3 h ，公称压力为1 6 m p a 的l x s r 型旋翼式水表来测量。 6 2 数值解的实验验证 在本文的第四章，对地板采暖系统的供热过程进行了数值模拟，在模拟过 程中，给定了系统的供水温度和环境温度，但在本系统实际运行中，由于太阳 辐射量的波动性较大，仅仅靠太阳能集热器供暖，无法在恒定温度上进行热水 供应，造成了各项温度数值均存在较大幅度的波动。为了研究数值模拟与实际 测试的结果的偏差，本系统利用电辅助加热系统，当系统供水温度低于3 8 c 启 动电辅助加热器，当系统供水温度高于4 2 则关闭电辅助加热器，将系统内热 水供应稳定在4 0 c 左右，对地板板体加热和室内供暖，测试环境温度为0 - 4 * ( 2 ， 初始室外空气温度为2 3 1 2 ，室内初始温度为6 2 c ，室内地板初始温度为4 8 ，测试和模拟计算了室内平均温度和地板表面平均温度，如表6 1 ： 表6 1 给定供水温度时的模拟与测试值 从表6 1 可以看出，根据本文所建立的传热模型数值计算结果与实际测量 4 9 第6 章热工性能测试及模拟结果分析 的结果基本一致，室内温度测试值与模拟值偏差为5 以内，地板表面平均温度 测试与模拟值偏差为7 以内，数值解的精度基本能满足实际工程的要求，由此可 得数学模型的建立及求解是成功的，可以应用于低温地板辐射采暖的计算分析。 6 3 实测数据整理 太阳能辐射量的实测数据 测试时间为2 0 0 8 年2 月1 3h - 2 月1 6 日，辐射量单位取m j m 2 ，温度单 位为，数据记录如表6 2 ，辐射量曲线图如图6 3 所示： 表6 2 太阳辐射量数据记录 实验系统运行数据 本实验系统在2 月1 3 日之前已进行了电辅加热和太阳能混合供水的调试， 并维持4 0 c 左右水温度持续进行了一定时间的供暖以进入稳定供暖阶段。2 月 1 2 日下午5 点关闭电辅助加热器，按运行流程( 如图5 7 ) 调整各阀门的开 闭，测试在太阳能充足条件下系统的运行情况。数据采集从2 月1 3 日上午8 ：0 0 开始到2 月1 6 下午7 ：0 0 结束，图6 4 为2 月1 3 日早上8 ：0 0 到2 月1 4 日上午 1 0 ：0 0 的各测试温度变化图，即测试四天的周期变化图： 第6 章热工性能测试及模拟结果分析 2 h 1 3 il 7 ：8 ：9 ：3 01 0 ：3 0 ：3 0t 2 ：3 01 3 ：3 0 1 4 ：3 0 1 5 ：3 01 6 ：3 0 时h j 图6 3 太阳辐射量曲线图 - 供蜮水、；，均温度 o 5 1 0 1 5 笱 濮试 l 亨问m 隧0 1 ) 图6 4 各测试温度变化曲线图 泓度 2 d 暑 最 2 d 启 与 冉 2 d z 乏 l ， ， 1 1 o o o o o _u，i：谨菩蓦基必 酏 钙 柏 筠 为 1 2 如 5 o p 避瀣 第6 章热工性能测试及模拟结果分析 从图6 3 可以看出2 月1 3 日一1 6 日的太阳辐射量的变化趋势和日辐射总量 基本相同。图6 4 表示了室内温度、室外温度、供回水平均温度和地板表面平 均温度受太阳辐射量波动等因素影响下的变化情况。由于这四天中太阳辐射量 为2 4 小时周期变化，白天气温较高，室内温度波动不大。受太阳辐射直接影响， 供回水温度呈现与太阳辐射曲线类似变化，供回水温度曲线、地板表面平均温 度曲线以及室内温度变化曲线趋势基本相同。另外，由于2 月1 3b - 2 月1 6 日 的太阳辐射量在满足白天的负荷的同时进行了蓄热，当没有太阳辐射时，系统 通过取蓄热器中热量和房间自身蓄热来维持地板表面温度和室内的空气温度。 从计算和实际测试数据可知，日太阳辐射总量比日需负荷量小，在图6 4 中当 供回水平均温度降低到3 0 度时便不再降低，主要是因为在本次测试中由于蓄热 器具备1 2 h 在0 室外环境下连续放热的功能，且在调试过程中已积蓄了热量， 系统通过获取蓄热器中的部分热量来起到维持水温的作用，当蓄热器中的潜热 释放完毕时，系统总负荷无法满足时，系统内水温度便继续开始降低，这时必 需开启电辅热进行热量补充。 在按流程( 如图5 7 ) 的运行中，为了测试地板板体表面随管间距变化的 温度分布和室内空气梯度的变化，在运行过程中一时刻进行了数据记录如表6 3 和表6 4 ，曲线图如图6 5 和6 6 所示： 表6 3 地板表面测点温度表 测点组号 0 5 m i m i 5 m 2 m 2 2 3 4 2 2 0 9 3 1 7 3 6 1 6 1 5 4 2 3 8 8 2 1 3 4 1 8 1 1 1 6 7 2 6 2 3 6 3 2 1 4 2 1 9 2 7 1 7 1 9 8 2 2 2 2 1 9 7 7 1 6 4 5 1 5 7 2 5 2 第6 章热工性能测试及模拟结果分析 3 0 2 9 2 8 2 7 p 赵2 6 翻 2 5 2 4 2 3 2 4 筋 篇 2 p 馘1 9 瘸 ，毒 t 7 1 6 1 5 2 0 0 4 0 06800 1 0 0 0 测点f 1 3 距( m m ) 图6 5 地板表面温度分布图 测点卷l 垮： 0 。5 m m1 5 m2 m 鼯地板爱颤巍唆( m ) 图6 6 室内空气温度分布 5 3 第6 章热工性能测试及模拟结果分析 由图6 5 可以得出结论，地板板体表面温度分布主要随管间距改变而改变， 图中所取的几个测试点，部分在供回水管路位置，部分在供回水管路中间。在 供回水管路上的测点温度较高，离管越远，温度下降越大，由于水温在经过供 回水管发生了明显的变化，离管路行程越远的测点温度越低，由于供回水管路 的“均化效果，模拟结果的地板水温平均分布曲线类似于正弦分布，在实际 中，因为边界的存在和其他影响因素，实测所得曲线的波动范围偏大，在实际 设计中需按一定系数进行校正。 图6 6 证明了低温地板辐射采暖随高度的变化而呈现的梯度变化，节能效 果明显，满足人体舒适感，具有“脚暖头凉 的功用。 由于实验平台的构建进度的问题，本系统只进行了初步的研究模拟和数据 采集，仍然存在很多可以待验证和改进的地方，为了满足进一步测量及研究课 题的拓展，在今后的研究过程中将投入更多的努力以期完善系统的各部件的设 计及运行流程的改进。 6 4 本章小结 本章主要对给定工况下对系统实际稳定运行时的数据进行了测试，并将其 与对应的模拟的结果进行了比较，以验证第四章所建立的数学模型的可行性。 在本系统的太阳能集热器可以满足负荷要求并正常工作的条件下，对系统运行 的数据进行了记录和图示。通过数据分析和图示，主要得出以下结论： ( 1 ) 通过对室内温度和地板表面平均温度进行测试，测试值和模拟值的误差 最大为7 ，考虑到对模型进行的假设，即忽略了地板板体向下的传热，误差仍 在可接受的范围内，由此可证明第4 章的数值计算结果是可信并可靠的。 ( 2 ) 实验测量结果反映了系统的太阳能热利用率情况，系统的蓄热量和管内 水温与太阳日辐射量成正比。随着太阳能辐射度的变化波动，室内低温地板辐 射采暖的室温也呈现了相同的波动性，由于墙体的蓄热和隔热效果，室温也呈 现了一定的滞后性。 ( 3 ) 地板表面温度分布图6 5 证明了双回型的管路布置的正确性；室内空 气温度分布的测量反映了低温热水地板辐射采暖的特性下部温度稍高，上 部温度稍低，使人感到舒适。 第7 章结论与展望 第7 章结论与展望 本文涉及了几个领域，如太阳能的热利用，蓄热介质的性能测试及地板采 暖热工性能的研究，众多的研究学者投入了大量的时间和物力对其各自的领域 进行了拓展并取得了一定的研究成果，本课题的研究老师和本人在参考了国内 外文献和研究成果并结合专业知识，以数值模拟为理论依据，设计了相变蓄热 式太阳能低温地板辐射采暖系统，并对其进行了初步的实验研究。所得的研究 成果总结如下： ( 1 ) 低温热水地板采暖的传热过程在初期相对比较复杂，随着供水温度的提 高，室温、地板表面温度及维护结构温度都处于上升阶段，地板板体表面的对 流换热和辐射换热也随之增强，若考虑因素过多，势必造成对传热单元进行模 拟的难度增大。本文以第二类边界条件假定了热流密度的函数，但由于函数中 存在上一时刻的待求解地板表面温度值，并且由于辐射边界的存在导致待 求解存在高次方和对流系数的不稳定性，鉴于以上因素的存在，本文只对稳定 供暖阶段进行了简单的数值模拟，室内温度和地板表面平均温度的计算数据与 实测数据的最大误差分别为5 和7 ，证明了模型假设及数值模拟过程的正确 性，可以作为低温地板辐射采暖系统研究模型。 ( 2 ) 由于太阳辐射量的波动性，在持续供暖中无法保持水温的恒定，国内地 板采暖工程几乎不采用太阳能作为热源。本课题设计的相变蓄热式太阳能低温 地板辐射采暖系统，通过将太阳能热水器、蓄热器、电加热器三者有机结合， 可作为地板采暖系统的稳定热源，文中对特定环境下的各系统部件的选型及设 计方法进行了研究，可作为今后实际太阳能地板采暖工程的应用参考，是本文 的主要创新点之一。 ( 3 ) 蓄热器为提高太阳能利用率和降低系统运行能耗的必不可少的部件，内 部铜管采用横向错排布置，水流垂直冲刷蓄热铜管以达到热交换目的，蓄热介 质c 口a 2 6 h ，o 按1 0 0 ：3 的比例添加硼砂等物质后置于蓄热器内部铜管中，有效 抑制“过冷一现象，在蓄热完成后具备在o 室外环境下进行1 2 h 室温的维持 能力，此为本文的另一创新点。 ( 4 ) 初步测试数据是反映地板采暖的舒适性的依据，在供回水平均温度为 3 5 - 4 0 时，地板表面平均温度为2 6 2 9 ，室内平均温度维持在1 8 2 0 。在太 第7 章结论与展望 阳能充足的情况下，系统运行的输入能量为水泵运行的电能；在存在太阳能但 系统负荷缺额时，太阳能作为供水预热，通过电加热器维持供水温度：从节能 的角度上来讲，系统的设计可以作为该实验地区的冬季太阳能供暖的研究参考。 通过对整套系统的设计及运行发现，该系统依然存在一些理论与实际的差 距，以下几点在今后的设计中有待完善： ( 1 ) 系统设计目的为针对某地区高层房间冬季供暖，选用3m 2 的太阳能集热 器满足9 m 2 室内空间的供暖，可见太阳能利用率家较低，供暖的初投资较大。 在本课题后续研究中应对实验房间进行足够的内墙和地面保温，防止热量的不 可逆耗散。由于地板采暖的优势在于其一体式供暖，建筑物本体也参与蓄热， 在今后的工程设计中，应尽量实行建筑和供暖的一体化设计，不推荐对建筑单 层进行地板采暖。 ( 2 ) 通过对系统的运行发现，太阳辐射在大气外层到实际水平面的接收的过 程上，由于空气质量、云层等因素存在而造成辐射量减弱，早晨和傍晚时分由 于太阳高度角的问题，散射辐射较大。为了加大对太阳辐射量的吸收，今后工 程设计中可采用变倾角式的集热器来调整集热器的最佳倾角，或采用跟踪式集 热器，以改善太阳能利用率。 ( 3 ) 在实际运行过程发现蓄热器的性能及地板散热量等受供水流速的影响 较大。由于没有合适的设计标准，没有对实验系统中试制的蓄热器根据不同的 水流速而进行精确的阻力校核。在今后的研究工作中，为提高蓄热器性能，必 须对蓄热器在假设的不同流速下的内部阻力进行计算研究，获取系统的最佳供 水流速范围。另外有条件的实验机构和工程，还可将蓄热器内部的铜管制成可 拆卸装填性，以方便对相变材料的蓄、放热次数的研究和相变材料填充量的改 变。 致谢 致谢 在这三年的硕士生活即将结束之际，回顾学习生涯中的点点滴滴，正是有 导师和其他老师的勤恳辅导、言传身教，同学、师兄、师姐和师妹的关心支持 才让我得以顺利的完成学位论文，在这里我表示衷心的感谢和诚挚的敬意! 首先，我要感谢我的导师杜海存副教授，杜老师以其渊博的学识和人格魅 力深深影响着我，感谢杜老师给了我在南大暖通工程公司实习的机会，让我有 机会接触大型的工程设计和行业内有影响力的设计工程师，获益匪浅，为科研 工作的展开吸收了实践的经验。感谢杜老师在论文科研阶段一直对我的支持， 在百忙之中为我提出可行的研究方案，不厌其烦的为我提出意见。杜老师的敬 业、严谨的作风和宽厚、和蔼的态度让我终生不忘，为我今后的人生和工作树 立了榜样。 同时我还要感谢戴源德副教授的悉心指导，在论文的修改阶段提出了宝贵 的意见，文章框架、学术内容以及格式都是在戴老师的仔细修改之下得以完善。 其次，感谢陈杨华副教授，在南昌大学顺利完成研究生学业离不开陈老师 的帮助，在此，我表示真诚的谢意。 感谢南大暖通工程公司的钟金衡高级工程师在实习期间的悉心栽培，让我 得以明白许多的人生哲理。 最后，感谢我的父母，正是他们一直的默默支持让我能安心的完成学业， 我将来必定以努力来回报社会，贡献我自己的力量。 谢鹏 2 0 0 8 年6 月1 3 日 参考文献 参考文献 【1 】中华人民共和国国务院新闻办公室，2 0 0 7 年自皮书中国的能源状况与政策【e b 】 h t t p ：w w w g o v c r