相变蓄热式太阳能低温辐射采暖解决方案经济性分析

蔡小青，孔亮

（重庆大学城市科技学院，重庆 402167）

利用地埋管内的低温热水使地面温度升高，进而放 射远红外线刺激人体，使人体感觉不到寒冷的采暖方法即低温辐射采暖[1]。低温辐射采暖是由下而上进行的，与人体生理学特征相符，因此被广泛地应用到建筑采暖中。然而低温辐射采暖方案的消耗较其他采暖方案要大，因此相关研究学者致力于寻找一种既环保又节能的方式降低低温辐射采暖方案的消耗。

文献[2]提出利用太阳能作为采暖解决方案中的供热能源，并通过数值仿真与实测数据定量评估地区太阳能辐射资源；但忽略了气候、季节及昼夜交替导致的间断性影响以及稳定性差的问题。文献[3]验证了太阳能作为低温辐射采暖解决方案供热源的可行性，但供热过程中对太阳能的浪费情况较为严重且存在经济性差的问题。文献[4]提出了太阳能采暖解决方案的经济性分析方法，使用石蜡和聚乙烯熔融制成的复合相变储热材料，并应于在室内辐射采暖方面；但未考虑储蓄的太阳能消耗情况，因此，该方法存在供暖持续性差的问题。

针对上述文献中存在的问题，提出相变蓄热式太阳能低温辐射采暖解决方案，其包括太阳能集热器、相变蓄热器、保温水箱和供暖系统四部分。在太阳辐照度较高时利用太阳能供暖的同时，将多余的热量存储起来；并在太阳能辐照度较低或无太阳能辐照时，释放存储的热量提供供暖，实现具有较高经济性的太阳能低温辐射采暖。

1 相变蓄热式太阳能低温辐射采暖解决方案

1.1 方案概述

太阳能集热器、相变蓄热器、保温水箱及供暖系统四部分共同组成了相变蓄热式太阳能低温地板辐射采暖系统方案。方案选用平板型太阳能集热器，此集热器采用钢制壳体和双层玻璃盖板，吸热体外层覆盖无光黑漆，主要负责接收太阳能辐射并向其传热工质传递热量[5]。由于无机水合盐CaCl2·6H2O具有相变潜热大、熔点低的优势，因此将其作为相变蓄热器内的蓄热介质可提升蓄热器容量、降低相变发生概率[6]。将3%的硼砂作为成核剂加入CaCl2·6H2O内，避免CaCl2·6H2O由于过冷造成热量无法释放的现象。方案采用双“回”型方式布设供暖系统内的管线，因其具有热形变性、耐磨性、耐化学药品性、耐应力开裂等特性，故将交联聚乙烯管（PEX）作为加热盘管材料。在相变蓄热器内存储的热量无法保障室内适宜温度（18℃）的情况下，需开启电加热系统辅助供暖。

1.2 方案的运行模式

控制相变蓄热式太阳能低温辐射采暖方案运行的关键条件是天气情况及室内温度，根据天气情况及室内温度的不同将运行模式具体划分为五种，如下[7]:

1）相变蓄热器单独蓄热。在太阳辐照度较强、室外温度较高的条件下，不使用采暖方案，建筑室内温度同样可以保持室内适宜温度（18℃）。相比相变蓄热器内蓄热介质的相变温度，太阳能集热器的出水温度更高，在这种情况下，太阳能集热器将获取的热量储存到相变蓄热器内。

2）相变蓄热器蓄热与太阳能集热器向建筑物室内供暖同时进行。在太阳辐照度较强、室内温度维持在15～18℃的条件下，相比相变蓄热器内蓄热介质的相变温度，太阳能集热器的出水温度更高，此时太阳能集热器在确保建筑室内温度升至18℃后，将多余的热量储存至相变蓄热器内[8]。

3）太阳能集热器只对建筑物供暖。在白天太阳辐照度较弱、建筑室内温度低于15℃时，相比相变蓄热器内蓄热介质的相变温度[9]，太阳能集热器的出水温度较低，太阳能集热器只对建筑物室内供暖，确保建筑物室内温度达到适宜温度（18℃）。

4）相变蓄热器对建筑物室内供暖。在无太阳辐照、建筑室内温度为16～18℃，以及相变蓄热器的出水温度高于43℃的条件下，通过相变蓄热器保障建筑物室内供暖，运行方式如图1所示。

图1 相变蓄热器单独供暖时方案的运行方式Fig.1 Operation mode for separate heating solution of phase-change heat accumulator

5）通过电加热装置对建筑物室内供暖。在持续无太阳辐照的天气环境，建筑物室内温度和相变蓄热器的出水温度分别低于15℃和35℃的条件下，使用电加热系统向建筑物室内供暖，保障建筑物室内温度达到适宜温度（18℃）。

2 实验分析

实验以我国某村中建筑面积为62 m2的样板房为实验对象，实验对象所处区域室外温度较低，所以白天室内采暖负荷大概是100 W/m2，假设实验对象的使用面积为50 m2，那么建筑物室内每小时所需热量为16.6 MJ。

实验选择冬季晴天典型日进行分析，以确保太阳能低温辐射采暖解决方案运行的状态及性能更加准确稳定。实验中太阳能低温辐射采暖解决方案运行模式包括:日间太阳能集热器获取的热量分别用于直接供暖和相变蓄热器蓄热；夜间通过相变蓄热器保障室内供暖，在室内温度无法达到适宜温度的条件下，利用电加热系统辅助供暖。

实验分别从本文方案下太阳能集热器运行情况和相变蓄热器运行情况两个方面，验证本文提出的相变蓄热式太阳能低温辐射采暖解决方案的经济性。

2.1 太阳能集热器运行情况分析

图2为实验日白天有太阳辐照的7 h内，采用本文方案后太阳辐照度以及建筑物室外温度的波动状态。

图2 实验日白天太阳辐照度及建筑物室外温度波动状态Fig.2 Fluctuation state of solar irradiance and outdoor temperature of building during daytime of experimental day

分析可得，实验日白天太阳辐照度的最高值和平均值分别是946.1 W/m2和707.5 W/m2。因为在实验中实验对象所使用的本文采暖解决方案内共使用6块太阳能集热器，所以实验日白天太阳能集热器获取的太阳辐照量为47.6 kW·h。通过图2还能够得到，实验日白天建筑物室外的温度和平均温度分别为-9.0～5.1℃和-4.1℃。

图3为实验日白天，采用本文方案后太阳能集热器的能量与热量之间的转换比率（COP）及建筑物室内温度的波动状态。

图3 实验日白天室内地表温度、室内温度与太阳能集热器COP的波动状态Fig.3 Fluctuation state of indoor ground surface temperature，indoor temperature and COP of solar energy heat collector during daytime of experimental day

分析图3能够得到，太阳能集热器工作过程中，当太阳辐照度逐步提升时，太阳能集热器的COP也随之提升。在10:00左右，太阳能集热器的COP为6.3，是全天COP最高值。实验日白天，太阳能集热器的COP保持在4以上，表明采用本文方案后太阳能集热器的工作是高效、稳定的；由图3还能够得到，室内地表温度和室内温度分别为20.4～24.6℃和15.7～20.8℃。实验结果表明，本文方案可以使建筑物室内白天的温度达到适宜温度以上，满足采暖需求。

图4为实验日白天本文方案的能量分配情况。

图4 实验日白天，本文方案的能量分配图Fig.4 Diagram for energy distribution of scheme proposed in this paper during daytime of experimental day

分析图4可得，实验日白天太阳能集热器总供热量达到218 MJ，其中，建筑物室内供暖和相变蓄热器耗热量分别为115.2 MJ和102.8 MJ，分别占总供热量的52.8%和47.2%。实验结果表明，使用本文方案能够实现“削峰”的作用，通过相变蓄热最大程度地利用太阳能集热器所提供的热量。

2.2 相变蓄热器运行情况分析

图5为实验日夜间相变蓄热器工作状态下，采用本文方案后建筑物室内温度、建筑物室内地表温度和室外温度的波动状态。分析可得到，实验日16:00以后，太阳辐照逐渐消失，建筑物的室外温度低于-10℃；然而因为本文方案中存在相变蓄热器在经过白天的蓄热后，开始运行放热，建筑物室内地表温度达到20℃以上，室内温度保持在18℃左右，大致上能够保障室内的适宜温度（18℃），基本满足采暖要求。

图6为实验日夜间，采用本文方案后相变蓄热器供热状态。分析图6能够得到，通过相变蓄热器对建筑物室内供暖时，相变蓄热器中温度保持在相变点47℃左右。因为相变蓄热材料存在较多的潜热，所以相变蓄热器的进水温度和出水温度分别达到40.5～42.7℃和36～38.1℃；平均供水温度和平均回水温度达到41.7℃和37.1℃；建筑物室内保持低温采暖的状态。7 h内，相变蓄热器对建筑物室内提供的总热量为102.8 MJ，占晚间总供热量的43%。实验结果表明，使用本文方案能够实现“填谷”的作用，极大程度上减少了夜间室内供暖消耗，提升了太阳能低温辐射采暖解决方案的经济性。

图5 实验日夜间，室内、外温度的波动状态Fig.5 Fluctuation state of indoor and outdoor temperatures at night of experimental day

图6 实验日夜间相变蓄热器的供热状态Fig.6 Heating state of phase-change heat accumulator at night of experimental day

3 结论

太阳能作为一种新型环保资源具有存量丰富、不受地域限制的优点，因此以太阳能作为供热源进行低温辐射采暖被越来越广泛地应用于建筑物供暖中。然而太阳能受季节、气候和昼夜影响较大，并且在使用过程中存在较为严重的浪费行为。针对上述问题，本文提出相变式太阳能低温辐射采暖解决方案，通过相变蓄热器将太阳辐照度较高时的多余热量存储起来，在无太阳辐照时释放存储的热量保障室内的供暖。实验结果表明，实验日白天，采用本文方案后太阳能集热器的COP保持在4以上，室内地表温度和室内温度分别为20.4～24.6℃和15.7～20.8℃，供暖和蓄热耗热量分别占总供热量的52.8%和47.2%；实验日夜间，室内地表温度达到20℃以上，室内温度保持在18℃左右，相变蓄热器提供的热量占晚间总供热量的43%。实验结果表明，本文方案能够起到“削峰”和“填谷”的作用，提升了太阳能低温辐射采暖解决方案的经济性。