（环境工程专业论文）长江流域太阳能低谷电地板辐射采暖系统的研究.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进 行研究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共 同完成的工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。， 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：美趣盗日期：2 么：兰：；弓 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它 单位的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版 本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索。 论文作者签 指导教师签 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 地板辐射采暖作为一种较为先进的采暖形式，有较好舒适性、节能性和经济性。随着 环境变化和生活水平提高，长江流域地区采暖需求r 益明显，因此，有必要对该地区的地 暖的系统形式和节能性进行研究。本文以长江流域武汉地区为例，对长江流域地暖的相关 问题展开研究。 通过对全国部分城市太阳能资源的研究，得出长江流域地区太阳能分布情况并建立相 应地暖平台。利用d e s t 软件建模，模拟并计算出地暖试验平台全年逐时负荷，并统计出 全年最大逐时热负荷和最大日热负荷，利用此计算机模拟结果更好的确定地暖的系统负荷 和运行方案，着重对系统运行方案做了进一步研究，提出了一种分时温度控制方案。针对 低谷电地暖系统，进行了相应的蓄热材料实验研究，研究出一种针对电地暖的相变蓄热板， 并成功应用于低谷电地暖试验平台，理论上节约运行费用3 6 6 。此外，本文还对低谷电 地暖系统试验平台的运行数据进行分析，验证了此相变板材用于低谷电地暖系统的可行 性，对今后的地暖系统设计具有一定的参考价值。 最后对比太阳能地暖和低谷电地暖两种地暖模式，对系统的运用和推广提出一些建 议，并结合二者的特点提出一种多技术相结合的地暖系统模式，该系统的可行性和经济性 还需要进一步研究。 关键词：地板辐射采暖；相变蓄热材料；太阳能；长江流域；分时电价 c o r r e s p o n d i n gr e s e a r c ho nt h er a d i a n tf l o o rh e a t i n gs y s t e mi nw u h a n i nt h i sp a p e r , t h ed i s t r i b u t i o no fs o l a re n e r g yi nt h ey a n g t z er i v e rr e g i o ni ss u m m e du p f r o mt h er e s e a r c ho nt h es o l a re n e r g yr e s o u r c e so ft h em a j o rc i t i e sa c r o s st h ec o u n t r y t h r o u g h t h ey e a rh o u r l yl o a ds i m u l a t i o nf u n c t i o no fd e s t ( d e s i g n e r ss i m u l a t i o nt o o l k i t s ) s o f t w a r e ，t h e h e a t i n gl o a d sc h a n g ec a nb es u m m e du pt h r o u g h o u tt h ey e a rb a rc h a r t ，a n dt h es t a t i s t i c so ft h e a n n u a lm a x i m u mh o u r so fh e a tl o a da n dt h em a x i m u md a i l yh e a tl o a dc a nb ec a l c u l a t e d ，f r o m w h i c hw ec a nd e t e r m i n es y s t e ml o a da n ds y s t e mo p e r a t i o np r o g r a m s f o c u so nt h er e s e a r c h ，a t i m e - t e m p e r a t u r ec o n t r o lp r o g r a mc a nb ed e c i d e df r o mt h ef u r t h e rr e s e a r c h t os o l v et h ep r o b l e m o fl o w v a l ee l e c t r i c i t yf l o o rh e a t i n gs y s t e m ，w ed e v e l o p e dap h a s e - c h a n g em a t e r i a lt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t a ls t u d y , a n ds u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o l o w - v a l ee l e c t r i c i t yr a d i a n tf l o o rh e a t i n g e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，w h i c hc a ng e t3 6 6 c o s ts a v i n g si nt h e o r y i na d d i t i o n ，t h et e s td a t ao f f l o o rh e a t i n gs y s t e ma r ea n a l y z e dt ov e i l f yt h ef e a s i b i l i t yo fp h a s e - c h a n g em a t e r i a lf o rl o w - v a l e e l e c t r i c i t yf l o o rh e a t i n gs y s t e m ，w h i c hp r o v i d eac e r t a i nr e f e r e n c ef o rf l o o rh e a t i n gs y s t e m d e s i g ni nt h ef u t u r e f i n a l l y , c o m p a r e dt h et w of l o o rh e a t i n gs y s t e m sm e n t i o n e di nt h ep a p e r , t h i sp a p e rs u m su p t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft w od i f f e r e n ts y s t e ma n dp r o v i d e st h ea d v i c et op r o m o t et h ef l o o rh e a t i n g s y s t e m c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et w op r o p o s e df l o o rh e a t i n gs y s t e m s ，a m u l t i - t e c h n i c a lc o m b i n a t i o ns y s t e mo ff l o o rh e a t i n gi sd e s i g n e df o rb e t t e rc o m f o r ta n de n e r g y e f f i c i e n c y , w h i c hp r o v i d e st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o nf o rt h ef u t u r er e s e a r c h ，b u tt h ef e a s i b i l i t y a n de c o n o m yo ft h i ss y s t e ma l s or e q u i r e sf u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ：r a d i a n tf l o o rh e a t i n g ；p h a s e - c h a n g eh e a ts t o r a g em a t e r i a l ；s o l a re n e r g y ；y a n g t z e r i v e rv a l l e y ；t o u ( t i m e o f - u s e ) p o w e rp r i c e 武汉科技大学硕士学位论文 第1 i l 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论。1 1 1 课题的背景1 1 1 1 我国的能源状况1 1 1 2 长江流域能源及地区特点2 1 1 3 太阳能应用介绍3 1 1 4 电能的利用现状4 1 2 地板辐射采暖简介4 1 3 本文的研究内容及方法：一7 1 4 国内外研究现状7 1 4 1 国外研究现状7 1 4 2 国内研究现状8 1 5 本文的主要工作9 第二章地板辐射采暖系统的系统形式1 1 2 1 辐射采暖系统1 1 2 1 1 地暖热源1 1 2 1 2 地暖辅助热源1 2 2 1 3 地暖蓄热装置一j 1 2 2 1 4 地暖地热盘管1 4 2 2 辐射采暖系统的能源形式1 4 2 3 太阳能地板辐射采暖系统1 5 2 3 1 太阳能简介1 5 2 3 2 太阳位置及太阳能辐射量计算1 5 2 3 3 集热面积计算1 7 2 3 4 蓄热水箱的计算18 2 4 低谷电地板辐射采暖系统18 2 4 1 电加热低温水采暖地暖系统18 2 4 2 直接式电加热地暖系统。1 9 2 5 地板辐射采暖系统的研究方法l9 2 6 武汉地区气候及能源情况介绍2 0 2 7 本章小结2 3 第三章地板辐射采暖蓄热特性和蓄热材料分析2 5 i v 页武汉科技大学硕士学位论文 3 1 热能的贮存形式2 5 3 1 1 显热蓄热2 5 3 1 2 潜热蓄热2 5 3 1 3 化学能蓄热2 6 3 2 敷地层材料的蓄热性能2 6 3 3 采暖房间传热过程2 7 3 4 蓄热材料的实验研究2 9 3 4 1 蓄热材料的性能要求2 9 。3 4 2 蓄热材料的材料选择3 0 3 4 3 蓄热板的实验室制法3l 3 5 本章小结3 4 第四章太阳能地板辐射采暖的模型研究一3 5 4 1 太阳能的资源分布3 5 4 1 1 全国太阳能资源分布3 5 4 1 2 长江流域主要城市太阳能资源统计3 6 4 2 太阳能采暖系统的系统特点3 9 4 3d e s t 软件介绍3 9 4 3 1d e s t 的名称及由来3 9 4 3 2d e s t 的应用范围：4 0 4 3 3d e s t 的计算理论。4 l 4 3 4d e s t 的特点4 5 4 3 5d e s t 在工程中的应用4 6 4 4 太阳能地暖系统设计4 6 4 4 1 地暖系统负荷计算4 6 4 4 2 地暖系统负荷统计5 1 4 4 3 太阳能地暖系统设计5 2 4 4 4 常规负荷计算地暖系统设计5 3 4 5 结果对比与分析5 4 4 6 本章小结5 4 第五章低谷电地板辐射采暖的实验研究5 6 5 1 电力资源使用现状5 6 5 2 低谷电地暖系统的特点与优势5 6 5 2 1 低谷电地暖系统的优势5 7 5 2 2 低谷电地暖系统存在的不足5 7 5 3 低谷电地暖系统方案案例5 7 5 3 1 电采暖地暖案例运行方案一5 8 武汉科技大学硕士学位论文第v 页 5 3 2 电采暖地暖案例运行方案二5 9 5 3 3 电采暖地暖案例运行方案三6 0 5 3 4 运行方案对比6 l 5 4 低谷电地暖系统设计6 l 5 4 1 试验台模型建立及负荷计算6 1 5 4 2 低价政策分析6 2 5 4 3 蓄热方案的确定6 2 5 4 4 蓄热材料用量的确定6 2 5 4 5 与常规采暖系统性能对比_ 6 3 5 5 低谷电地暖系统的测试结果与分析6 3 5 6 本章小结6 5 第六章总结与展望6 6 6 1 结论6 6 6 2 展望6 6 参考文献：6 8 致谢7 l 附录攻读学位期间发表的学术论文及获奖情况7 2 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题的背景 纵观当今国内外形势，能源问题已经成为各国政府和各能源生产及消耗单位越来越 关心的重要问题。由于化石能源在现代经济建设中被大量丌采和使用，化石能源的现有 开采量越来越少，严重困扰和制约经济的健康稳定发展，另一方面化石能源的使用带来 的环境问题也困扰着人类的生存和发展，基于以上两点，能源问题已然成为我国在今后 的发展过程必须面对和认真对待的突出问题。随着世界能源危机的加剧，我国能源利用 应该采取双管齐下的方式进行优化和升级，一方面提高常规能源的利用效率并降低其污 染物的排放，另一方面则应逐步提高可再生能源的利用率。2 0 0 5 年2 月1 6 日正式生效的 京都议定书成为人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放的议定书，同时也 宣告能源和环境问题已然成为全球性问题，需要我们共同努力来解决。随着我国“节能减 排”政策的提出，国人不得不更加重视资源短缺的紧迫性，重新认识“资源节约和环境友 好”的能源政策的重大意义。于2 0 0 9 年1 2 月7 日1 8r 在丹麦首都哥本哈根召丌的哥本哈 根世界气候大会，来自1 9 2 个国家的谈判代表召开峰会，达成哥本哈根协议。中国政 府率先在北京向世界庄严承诺：至1 j 2 0 2 0 年，我国单位国内生产总值c 0 2 排放比2 0 0 5 年下 降4 0 - - , 4 5 。这是令世界振奋的消息，也是一个发展中大国所表现出来的责任和担当， 同时，我们也应该正确认识我们面临着大力发展低碳经济的巨大压力，作为暖通专业从 业人员的我们必须为担负资源节约和环境友好的历史使命贡献自己的力量。 建筑采暖是我国耗能大户，我国近年来每年完成的新建建筑约为2 0 亿盯，约占世界 建筑总量的5 0 ，已有各类建筑约为4 3 0 亿m 2 【l 】。每年城镇建筑仅采暖一项需要的耗能就 占全国能耗总量的1 1 5 。化石能源的大量使用，不仅使我国面临越来越为严峻的能源 问题，而且也造成了较为严重的环境问题。面对日益严重的环境问题，我国已经宣布控 制温室气体排放的行动目标，我们必须依靠提高常规能源利用率和加大可再生能源的使 用率等能源政策才能实现这一目标，因此，研究提高针对采暖的可再生能源的利用率、 优化采暖的形式以及降低采暖的费用和能耗具有很重要的意义。 1 1 1 我国的能源状况 国家发改委于2 0 0 7 年4 月公布的能源发展“十一五”规划中指出：2 0 0 5 年，中国的一次 能源生产总量2 0 6 亿吨标准煤，消费总量2 2 5 亿吨标准煤，分别占全球的1 3 7 和1 4 8 ， 已经成为世界第二的能源生产和消费大国。煤炭产量突破了2 2 亿吨，为经济建设发挥了 重要的支撑作用。石油天然气的产量也在稳步增长，西气东输工程顺利建成，塔里木、 准噶尔、鄂尔多斯等西部油气田开发取得重要进展。发电装机容量超过5 亿k w ，实现了 跨越式发展。新能源和可再生能源发展加快，风电装机容量达至u 1 2 6 万千瓦，太阳能光 伏发电装机容量约为7 万千瓦，太阳能热水器集热面积达8 0 0 0 多万平方米，居世界第一 位。生物质燃料乙醇年生产能力1 0 2 万吨，煤炭液化和煤制醇醚、烯烃等煤基多联产示 图1 1 长江流域地理位置示意图 长江流域的能源分布呈现出的是“西多东少”的特点，长江流域地区西南部的煤炭等资 源比较丰富，中部的水资源较为丰富，且主要集中在湖南、湖北等地区，中部的煤炭资源 较少，下游的华东地区资源较为缺乏。用能需求情况为华东和华中地区的能源需求量较大， 而资源主要集中在西南地区。从本地区内部能源供应情况出发，能源需求主要通过西南的 煤炭、天然气等资源和中部的水力资源来满足，能源分布状况与地域经济发展不相对应， 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 这些增加了该地区的用能成本，制约了该地区的经济发展。 我国幅员辽阔，地区间差异较大，建筑热工设计应该与各个地区气候相一致，其分类可 见表1 1 【2 1 。 表1 1 我国气候区域划分 分i 叉：指标 分区名称 设计要求 土要指标辅助指标 日平均温度小于5 的天必须充分满足冬季保温要 严寒地区最冷月平均温度 1 0 t ，最 日平均温度大丁2 5 的天 必须充分满夏季防热要求， 夏热冬暖地区 热月平均温度2 5 2 9 数为1 0 0 2 0 0 d一般可不考虑冬季保温 最冷月平均温度o 1 3 ，日平均温度小于5 的天部分地区应考虑冬季保温， 温和地区 最热月平均温度1 8 2 5 数为0 9 0 d一般可不考虑夏季防热 长江流域，特别是武汉地区，属于典型的夏热冬冷地区。国家相关规范规定：全年s 5 的天气不超过9 0 天的地区，不属于采暖区。但是随着经济的发展和人们生活水平的提高， 这一地区采暖的刚性需求开始出现，由于该地区不属于采暖区，在建筑初始设计和建造过 程中就存在建筑的热工性能不佳的问题，采暖的热损失相对较高，不利于建筑能耗资源的 节约。因此，研究如何提高该地区采暖的能源利用率具有较大的现实意义。 1 1 3 太阳能应用介绍 太阳能是最重要的可再生能源，同时也是其它各种形式能源的源泉，我国太阳能资 源非常丰富，合理充分利用太阳能，既可以减少温室气体的排放，又可以保护环境，是 一项利在当今，功在千秋的事业。因此，大力发展太阳能等节能产业，不仅可以缓解世 界能源危机对我国的压力，还可以改善我国的用能格局，改善能源消耗对我国环境的破 坏，构筑安全的能源使用体系，具有十分重要的全局战略意义。 太阳能内部进行着剧烈的由氢聚变成氦的核反应，并不断向宇宙空间辐射出巨大能 量。太阳内部的热核反应产生的能量足以维持6 x 1 0 1 0 a ，相对于人类发展历史的有限年代 而言，可以说是“取之不尽，用之不竭”的能源。地面上的太阳辐射能随着时间、地理纬 度、气候而变化，实际的可利用量较低，但可利用资源仍远远大于满足现代在人类全部 能耗及2 1 0 0 年后规划的能源利用量【3 】。我国的太阳能资源丰富，陆地面积每年接收的太 阳辐射总量处于3 3 1 0 3 8 4 x 1 0 6 l ( j ( m 2 a ) 之间，相当于2 4 x 1 0 4 亿吨标煤，全国总面积 2 3 以上地区年日照时数大于2 0 0 0h ，日照在5 1 0 6l 【j ( 盯a ) 以上。由此可以看出，太阳 第4 页 武汉科技大学硕士学位论文 能利用具有巨大的发展前景，它是一切形式能量的来源，具有环保、能源充裕、获取方 便等特点，是未来应对能源危机，代替化石燃料的主要能源形式。大力发展暖通行业对 太阳能的利用，特别是发展太阳能采暖及太阳能利用一体化系统，对推动太阳能技术的 实际运用具有重要意义。 1 1 , 4 电能的利用现状 我国电力装机容量已经突破8 亿千瓦【4 】，中国目前的电网规模居世界首位，以火电 为主，并且将以强劲速度增长。我国的电力格局是以火电为主，辅以水电、核电、风电 以及其它可再生新能源发电等形式，今后的电站建设趋势是“上大压下”，大型发电机组 的广泛使用必将提高我国的能源利用率，但也会使我国的用电负荷谷峰差进一步拉大， 电网的峰谷电量差值会越来越大。因此，考虑如何“移峰填谷”必将更好地有力与发电企 业的j 下常运行，也必将有利于用能企业节约用能支出，达到双赢的效果，达到更大的社 会效益和可观的经济效益。 目前我国已经基本解决了温饱问题，人们开始追求生活的舒适与健康，长江流域地 区属于夏热冬冷气候，对于室内空气的调节就显得相当的重要。特别是最近几年，以长 江流域的武汉地区为例，冬季的低温明显制约和阻碍了人们对居室舒适的要求，这一地 区的冬季采暖需求越来越明显，许多的家庭都采购电采暖器或者用分体空调机供热，显 然，这样的方式耗能不低，效率不高，不能很好的解决这一问题。本文通过对各种采暖 方式的研究，希望找出针对长江流域这一地区的较为经济有效的采暖方式，不仅能达到 舒适采暖的目的，还能从经济性角度出发，提高系统的性价比，从而有利于系统的推广 和应用，为创造舒适经济的冬季室内生活环境尽自己的一份力量。 1 2 地板辐射采暖简介 地板辐射采暖是一种较为先进的采暖形式，其具有较好的舒适性、节能性和经济性， 在欧美等发达国家广泛使用。在我国，由于采暖系统的热源、材料、设备、施工工艺以及 采暖政策等方面的原因，地暖系统没有得到大力的推广和应用。在我国经济发展早期，建 筑采暖主要是保证室内的采暖温度，对室内的温度场均匀性和人体热舒适性要求较低。随 着我国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对室内采暖温度场的均匀性和人体舒适性 有更高要求，地板辐射采暖无疑可以更好地解决这一问题。另一方面，能源节约和环境污 染问题日益突出，随着人们对建筑环境舒适程度要求的提高，仅城镇采暖用能一方面就已 占全国商品能耗的近1 0 ，建筑节能工作迫在眉睫，建筑节能包括围护结构和采暖系统两 部分。目前建筑维护结构节能方面已采用保温墙体和保温房顶加强围护结构的保温，以及 采用双层玻璃加强围护结构的气密性来实现节能。采暖系统的节能则通过提高供热系统热 源( 锅炉房及热力站) 和室内采暖系统的热效率而得以实现，地板采暖作为一种新的采暖 方式已越来越多的得到人们的认可，地板辐射采暖作为节能舒适的采暖方式取代传统采暖 的趋势已经不可逆转。地暖项目最突出的优点在于它不仅提高了供暖舒适性还降低了总能 耗，这种做法类似于工位送风，即只将大部分热量供应与人体活动的低空区域，较传统采 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 暖项目而言，能源利用率得以提高。 地板采暖系统按照采暖介质，可以分为低温热水和电采暖。按照蓄热形式可以分为 蓄热水箱地暖系统和蓄热材料地暖系统。常规的地暖系统由锅炉、供热水泵、供热管道 以及散热器等组成。地板辐射采暖系统的系统组成和传统采暖系统基本一致，只是在系 统末端的散热部分发生了变化。地暖系统用地热盘管取代了散热器，同时系统的热水温 度由9 5 7 0 ，调整到供水温度在4 5 5 0 之间，最高不宜超过6 0 。 相对于传统采暖系统，地暖系统具有更好的室内舒适性和节能性。通过图1 2 和图 1 3 的对比，可以看出，传统的采暖系统散热热源比较集中，温度场分布与人体的采暖需 求不一致，由于冷空气下降，热空气上升导致了房间温度场的不合理。地暖系统由于换 热的单向性，可以形成很好的温度梯度，符合人体的采暖温度梯度需求，具有较好的舒 适性和节能性。 图1 2 传统采暖系统室内温度及气流示意图 的事故。常规的散热器热水采暖系统的供回水温度为9 5 c 7 0 c 5 1 ，蒸汽采暖系统的设计 温度更高，一般为1 3 0 c 7 0 c 而且是高压运行，安全隐患较常规采暖系统还大。地暖系 统的敷地盘管置于地下混凝土层中，低温供热，无明火，非高温，不会发生此类事故， 对居家老人和小孩而言更加安全放心。 2 、舒适性更好 地板辐射采暖系统相对于传统的采暖形式具有更均匀的温度分布，地面温度分布均 匀，垂直方向温度梯度好，下部温度较高，上部温度较低，符合人体对温度梯度的需求。 古语日：寒从脚起，由此可见，脚步和腿部的舒适性对人的整体舒适性有重要作用。 3 、占用空间少、维护费用低 地板辐射采暖采用地敷盘管的形式，无论是电缆还是水管，都设置在地下，不会减 少建筑房间的有效使用面积，特别适合于现今的高房价现状，可以不因为采暖而降低房 间使用面积，对于办公建筑和住宅建筑相当适合。 4 、可以减少热损耗 传统的散热器采暖以对流换热为主，人体的换热主要是与环境空气进行，地板辐射 采暖以辐射换热为主，主要以热辐射的形式进行换热。对流换热为主导致房间上部温度 高，高温温度场得不到有效利用，热损耗较大，而地板辐射采暖的传热形式主要以辐射 为主，在设计时可以减少2 ，而不降低人体舒适性。并且，地板辐射采暖使用时，地板 也可以蓄热，甚至在地板下铺设蓄热材料，可以在停止供热的情况下，仍维持房间一段 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 时间内的热舒适性。 1 3 本文的研究内容及方法 太阳能及低谷电地板辐射采暖在应用上还处于探索阶段，对其研究应从负荷特性、运 行方案、系统设计等角度出发。本论文以长江流域太阳能及低谷电地板辐射采暖系统为主 要的研究对象，其内容包括： 1 长江流域太阳能情况分布的研究； 2 敷设材料与铺设方式对地热扩散快慢、效果及蓄热能力的影响： 3 地暖系统相变蓄热材料的实验研究； 4 低谷电系统运行的实验研究； 5 讨论一种较好的地暖运行方案。 本文主要采用系统分析和实验研究的方式，结合理论分析、计算模拟以及实验研究的 方式，对太阳能及低谷电地板辐射采暖的系统形式、蓄能材料、运行方案等进行研究。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 国外研究现状 。 早在2 0 世纪的3 0 年代，麻省理工学院就已经着手对太阳房的研究，先后建造了五种 主动式以及被动式太阳房用于试验研究。在此之后，洛斯阿拉莫斯国家实验室在 d b a l c o m b 博士带领下，对被动式太阳房的热工性能展开了较为系统的研究，并编写了相 应的设计手册，为推动被动太阳房设计和应用奠定了科学基础。被动太阳能暖房结构较 为简单，附加的建材对建筑总造价增加不多，具有维修量小，节约燃料等可观优点，受。 到人们的青睐。至1 9 8 2 年，美国已建造了约八万栋各种型式的太阳房，至a j 2 0 世纪9 0 年代 增加到了2 5 万栋，平均初投资仅增加了l o 1 5 ，而节约燃料却达至t 5 0 - - - , 8 0 1 6 1 ，由此 可见对于太阳能的利用技术值得大力推广。 在欧洲，2 0 世纪7 0 年代中期以来，也对利用太阳能来实现建筑节能予以关注，根据 地理和气候的差异，太阳能节能建筑的方案和形式各具特色。比如北欧斯坎地纳维亚地 区的气候寒冷地区，建筑以加强建筑的保温为主，发展“零能耗房”。利用太阳能的低能耗 建筑的研究已经列入到了国际能源署( 1 e a ) 的第1 3 项研究攻关任务中，由1 5 国的科学家 联合攻关，以新技术、新材料和新部件来开发未来的先进太阳能低能耗建筑【7 】。 分时电价自上世纪7 0 年代以来，在发达国家发展出现并得到推广，法国、美国、日 本、意大利、英国等国家相继制定了分时电价的相关政策，并对电价政策进行了相应的 研究和分析，研究表明，当峰谷之比达8 ：1 时，如果利用分时电价政策，削峰填谷，可将 夏天时的高峰耗电量降低2 4 左右【8 l 。各个国家所制定的分时电价分类和电价差价各不相 同，但是效果都是明显的，缓解了电网的用电压力，实现了电能的有效、有序利用。利 用分时电价的一些技术，如低谷电地暖系统，已经在发达国家得到了开发和利用，加强 对此方面的研究可以提高我国的电能利用率，缓解用电高峰时的电网压力。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 1 4 2 国内研究现状 华中科技大学周燕等，2 0 0 3 年进行了太阳能采暖和供家用热水系统的循环原理的相 关研究，给出了系统各部件的理论计算公式，并分析了主动式太阳房在我国应用的可能 性【9 1 。0 4 年，石家庄铁道学院高玲等对太阳能辐射采暖系统及其设计等问题进行了研究， 指出了太阳能集热与热泵技术结合的采暖及其设计步骤、计算方法以及太阳能辐射采暖 系统设计应注意的相关问题等【i o j 。 天津大学朱家玲等根据地板采暖的特点，建立数学模型，采用有限差分法，模拟地 板辐射采暖中地板温度场的变化关系。通过与实测结果进行比较和调整，可有效地控制 供暖温度，取得了满意的结果，为工程设计提供比较准确的方法【1 1 1 。同年武汉科技大学 邹利等从布管方式、自动控制、热源种类、新材料和新工艺的应用、技术研发方面分析 了国外地板辐射供暖技术的发展状况和特剧1 2 j 。 青岛理工大学周恩泽等人设计并建立以热管式真空管太阳能热水器和水源热泵机 组为热源，以地板辐射采暖系统为术端装置的太阳能热泵地板辐射供暖系统实验台。通 过对实验台冬季供暖工况的实验研究，考察了采暖房间的热力过程以及太阳能集热器、 热泵机组等主要设备的工作性能。实验结果表明，实验台设计方案可行，主要设备的工 作性能均达到设计要求【1 3 】。青岛理工大学李春娥等分析了太阳能热泵地板辐射采暖系统 的特点及其应用f i 景，结合所做的相关试验对比分析了连续运行与间歇运行模式下采暖 系统的运行效果。结果表明间隙性运行方式可以充分利用地板辐射系统的蓄热特性，缩 短热泵运行时间，提高系统的c o p 值，从而达到节能的效果【i4 1 。江苏工业学院罗迎宾 等结合南京地区的工程案例，通过对实际测量的数据进行分析，将太阳能引进地板辐射 采暖系统中，可以取得相当好的采暖的效果，具有相当大的经济性价值【l 5 1 。 上海理工大学于国清等人进行了单户住宅太阳能热泵供热的技术与经济分析，分析 其初投资，寿命周期内的总能耗、总运行费用，综合热价等指标，将其与常规供热系统 进行比较，对比其初投资、运行费用，总能耗等指标。然后分析了每同太阳能负责的采 暖小时数、生活热水用量等因素对系统经济性的影响，以及太阳能热泵供热的节能性和 环境效益【1 6 】。华北水利水电学院郭占军等人于同年论述了太阳能热泵与低谷电作为地板 辐射采暖热源的可行性和必要性，提出了一种利用太阳能和低谷电作为地板辐射热源采 暖的方案，讨论了系统在冬季采暖期的运行方式。太阳能是一种无污染、无穷尽的自 然能源，但具有不稳定和不可靠性，特别在冬季尤为明显。而低谷电作为太阳能的辅助 能源，却可以有效弥补太阳能的不足。这两者结合具有节能、环保等优点。终端利用地 板辐射采暖与太阳能热泵低谷电系统提供热水温度特点一致，能够提高热泵制热性能系 数，并且具有良好的舒适性和节能效果。因此，在我国北方地区，太阳能热泵与低谷电 联合供暖在建筑领域值得推广和应用旧。北京建筑工程学院蔡伟等阐述了太阳能采暖技 术应用现状，并结合北京郊区新农村建设实际工程，详述太阳能采暖系统的设计方案、 特点及运行状况，分析了太阳能采暖系统的可行性和经济效益，探讨了太阳能地板采暖 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 的社会效益和推广前景【1 8 】。上海水产大学刘立平等人综述了太阳能热泵在国内外的研究 与应用，并阐述了太阳能热泵低温地板辐射供暖系统的工作原理及在国内的研究现状。 分析了该系统的特点，结果表明该系统是一种舒适、经济和节能的理想供热系统。另外 还探讨了该系统在当前的应用中尚待解决的问题【l9 1 。武汉科技大学刘秋新等在分析地板 热工特性的基础上，对地板供暖常用的几种控制模式进行了阐述，指出只有结合现实条 件采取切实可行的优化控制措施，才能使地板换热系统实现节能、舒适、操控简便的功 能2 叭。 低谷电地板采暖在我国还属于起步阶段，2 0 0 3 年清华大学林坤平等人，对电加热相 变蓄热的采暖形式从理论上进行了验证，认为此种形式的采暖方式值得进一步去研究 【2 。此外国内很多人从事相关实验，通过实验验证电采暖的优势。 以上这些研究表明，太阳能和低谷电地暖系统具有进一步研究的优势和价值，但以 前研究主要有以下不足： 1 、太阳能地暖的研究未针对长江流域展开，地暖系统设计未考虑全年逐时负荷； 2 、低谷电地暖的研究没有和具体的蓄热材料结合，没有进行逐时负荷的模拟计算， 以及分时温度控制方案分析等，节能效果没有具体体现。 1 5 本文的主要工作 以太阳能低谷电地板辐射采暖系统为研究对象，分别分析了系统负荷和热源的时间性 差异、太阳能资源分布、地暖蓄热材料、太阳能低温地板辐射采暖系统和低谷电低温地板 辐射采暖系统等内容，进行了相应的理论分析和研究，并对电地暖系统及其相变蓄热材料 进行了实验研究，主要工作可总结如下： l 、对地暖系统的系统形式进行了介绍和分析 通过研究系统的系统形式、热源形式、盘管形式等进行介绍和分析，以实际工程数据 为例绘制了武汉地区的某建筑同热负荷变化、r 室外干球温度变化以及室外太阳总辐射量 变化曲线，为说明热源与负荷随时问的变化特性提供了有力的说明，对太阳能资源进行了 详细介绍，并对太阳能地暖系统的集热板和蓄热水箱的计算进行了介绍，对长江流域武汉 地区的全年温度进行了曲线和柱状图拟合，并对最热月、最冷月等气温情况进行了相应分 析。 2 、地板采暖系统蓄热材料分析 对热能贮存形式进行了讨论，对地埋层敷地材料进行了相应的分析和讨论，指出了其 中不同材料层的热物性参数，可以利用相应的连续性方程、动量方程以及连续性方程进行 传热分析；对地暖系统的相变蓄热材料进行了实验研究，通过对相变蓄热材料的对比，可 用于地暖系统进行蓄热。 3 、太阳能地板辐射采暖系统分析 对全国的太阳能资源区域划分进行了介绍，并对长江流域的上海、武汉、长沙、南昌、 重庆、成都等具有代表性的城市的太阳能资源进行了分析和对比，可以很便捷的了解长江 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 流域的太阳能对比分析状况，介绍了负荷模拟软件d e s t ，并应用d e s t 软件进行建模，计 算得出采暖系统的逐时负荷，利用逐时负荷计算结果和常规采暖系统的负荷计算结果进行 太阳能地板辐射采暖系统的主要部件进行计算，通过计算结果( 详见本章4 5 节) 可以看 出，对于蓄热系统而言，逐时负荷的计算在系统设备的计算和选择方面有重要作用。 4 、低谷电地板辐射采暖系统分析研究 对我国电力资源现状进行了介绍和分析，分析了电地暖系统的优缺点，通过对地暖系 统的运行方案进行讨论和分析，对比得出一种更为合理的一种蓄能形式，通过d e s t 软件 的模拟，蓄热材料的应用，分时电价的研究，建立了一种电地暖系统，将蓄热方案和蓄热 材料进行了应用，通过电地暖的设计和测试，进一步验证了蓄热材料的实用性和电地暖系 统的节能性： 通过对长江流域太阳能资源的分析和电地暖系统的运行测试，总结出了两种系统的不 同特点，通过d e s t 软件，计算了地暖实验平台的逐时负荷，对于系统的设计提出了独到 的设计思路和方法，希望可以为低温地板辐射采暖系统的进一步研究以及推广应用提供了 一些参考资料。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 第二章地板辐射采暖系统的系统形式 2 1 辐射采暖系统 常规地板辐射采暖系统( r a d i a n tf l o o rh e a t i n gs y s t e n l ) 的系统一般包括热源、辅助热 源、蓄热装置、动力装置、控制装置、管道系统以及地热盘管等。 至热源一 拳够警阀 一，一一3 一叉一 蓄 执 、 水 箱： 支地埋地热盘管文地瑾垲勰盈售 分水器 循环水泵 图2 1 低温地板辐射采暖原理图 由图2 1 中可以看出，对低温地板辐射采暖系统进行研究，除需对施工和材料等方面 进行改进外，不可避免要对这几个系统组件进行单一研究，尤其是对于地暖系统的热源端 和散热端进行研究，最后再进行系统配合设计和最终的整体性能技术经济研究分析，本文 就是围绕这一研究思路进行展开和推进的。 2 1 1 地暖热源 地板辐射采暖的热源可以分为水热和电热。 利用低温热水地板包括其热源形式包括：地源热泵，空气源热泵，壁挂炉，燃气( 煤) 锅炉，太阳能热水集热器等。低温热水若是集中供暖或者余热供暖，也可以采用工业生产 的低温废水或者废热进行加热，现在般家庭常用的是壁挂炉和小型燃气锅炉。 电热地板辐射采暖采用的是电加热，利用发热电缆进行取暖。如地暖系统常用的 t ) ( l p 2 r 系列双导发热电缆，其电缆图见图2 2 。 图2 2t 乩p 2 r 系列双导发热电缆 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 其线缆结构如下： 外护套：蓝色聚氯乙烯( p v c ) ； 接地线：镀锡铜丝； 屏蔽层：铝箔+ 铜丝； 内导体：合会电阻丝+ 铜丝； 内绝缘：交联聚乙烯( x l p e ) ； 接头类型：隐式接头； 最大表面工作温度： 6 5oc ； 最小弯曲系数： 5 d 。 图2 2 的双导发热电缆，是工艺上较为先进的地暖电缆，相对于单导发热电缆，其具 有以下两个优点： 其一，双导发热电缆的电磁辐射强度较弱，有利于用户的身体健康； 其二，双导发热电缆是一端冷线，一端封闭，更便于施工。 2 1 2 地暖辅助热源 由于某些热源过于不稳定，为地暖系统的稳定运行和达到预定的温度要求，一般要设 计辅助热源进行辅助加热。如：太阳能采暖系统，地源热泵采暖系统等，都需设置辅助热 源。如果不设置辅助热源，可以选用蓄热水箱或蓄热材料的模式，但是这样的系统通常水 箱的保温要求高，蓄热水量较大，性价比不高，一般不选取这样的系统形式。辅助热源是 对于地暖系统热源的重要补充，一般地暖系统辅助热源选取的是电加热的加热形式。见图 2 3 ，为典型的