西安地區(qū)太陽(yáng)能毛細(xì)管輻射采暖系統(tǒng)應(yīng)用研究

中國(guó)建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司/趙民

　　0前言

　　我國(guó)每年約10億平方米的住宅、商業(yè)等民用建筑投入使用。建筑能耗占國(guó)民總能耗的比例已從上世紀(jì)70年代的約10%上升到目前的30%左右。發(fā)達(dá)國(guó)家中暖通空調(diào)能耗占建筑能耗的65％，以建筑能耗占全社會(huì)總能耗的35％計(jì)算，暖通空調(diào)能耗可占到總能耗的22.75％。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)不合理，一次能源消費(fèi)中，煤炭占67.1%，原油22.7%，天然氣2.8%，可再生能源占7.3%。我國(guó)能源資源相對(duì)貧乏，煤炭、石油、天然氣的人均資源僅為世界平均水平的60%、10%和5%。預(yù)計(jì)到2050年，我國(guó)能源缺口將高達(dá)一半。

　　1背景

　　1.1概括

　　北方采暖地區(qū)處于太陽(yáng)能Ⅰ資源豐富區(qū)、Ⅱ資源較富區(qū)和Ⅲ資源一般區(qū)，很多地方處在Ⅰ、Ⅱ區(qū)。年平均日照時(shí)數(shù)普遍在3000h以上，輻射總量高于5000MJ/（m2·a）。太陽(yáng)能采暖是一項(xiàng)清潔能源技術(shù)，利用它可以有效地降低建筑能耗，減少環(huán)境污染。

　　1.2氣象資料

　　西安，全年輻射日照總量為4771MJ/m2·a，平均日照時(shí)間為1912.8h/a，采暖期總輻射量為1352MJ/m2。西安市夏季日平均日照時(shí)間約7小時(shí)，冬季約4小時(shí)，全年平均為4~7.2小時(shí)，其中6~8月輻射量較高，西安全年日平均日照時(shí)間較穩(wěn)定。西安市日平均日照時(shí)間如圖1所示。

　　逐日太陽(yáng)總輻照量趨勢(shì)與日平均日照時(shí)間趨勢(shì)相同，夏季輻照量較高，全年輻照量曲線(xiàn)較為平緩，全年輻照量整體較為穩(wěn)定。逐日太陽(yáng)總輻照量如圖2所示。

　　西安市太陽(yáng)能資源較豐富，太陽(yáng)輻照量全年分布較均勻，基本可以滿(mǎn)足太陽(yáng)能建筑相結(jié)合規(guī)?；岬男枰?。

　　1.3我國(guó)太陽(yáng)能熱利用情況

　　在中國(guó)，新能源產(chǎn)業(yè)被列為我國(guó)七大戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一，其中的太陽(yáng)能熱利用被作為重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)；太陽(yáng)能熱利用要占可再生能源利用的10%，太陽(yáng)能熱利用的潛力巨大，有待行業(yè)深化和擴(kuò)展；我國(guó)太陽(yáng)能集熱器主要有真空管式集熱器（約占85%）和平板式集熱器（約占15%）兩種類(lèi)型；北方大量商業(yè)化應(yīng)用的太陽(yáng)能集熱器可以保持60℃及以下的集熱溫度；目前太陽(yáng)能在建筑中的應(yīng)用以太陽(yáng)能熱水為主。

　　1.4太陽(yáng)能與采暖之間的矛盾

　　太陽(yáng)能受時(shí)間和氣候條件限制具有分布密度低、不連續(xù)、不穩(wěn)定等特點(diǎn)，應(yīng)用于建筑采暖，需要進(jìn)一步提升其熱能品位和解決熱源不穩(wěn)定的問(wèn)題；北方地區(qū)夜間室內(nèi)外溫差加大，對(duì)采暖需求相對(duì)較高，而夜間太陽(yáng)輻射能為零，供需矛盾顯而易見(jiàn)；在現(xiàn)有太陽(yáng)能集熱技術(shù)條件下如何解決熱量的供需時(shí)段矛盾、滯后效應(yīng)以及提高末端供能的熱效率是太陽(yáng)能建筑采暖的關(guān)鍵技術(shù)。

　　2技術(shù)介紹

　　2.1蓄熱技術(shù)

　　蓄熱技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)能量的儲(chǔ)存和延時(shí)供應(yīng)。目前常用的太陽(yáng)能集熱器都采取顯熱蓄熱方式，這種蓄熱方式單位容積蓄積能量較少，系統(tǒng)體積和重量較大。

　　2.2相變蓄熱技術(shù)

　　相變蓄熱技術(shù)利用材料相變過(guò)程的潛熱來(lái)進(jìn)行能量的蓄積或釋放，蓄熱設(shè)備的體積和重量大大減小，是太陽(yáng)能蓄熱的理想方式。潛熱儲(chǔ)能比顯熱儲(chǔ)能量大、存貯空間相對(duì)小，解決能量使用和存貯在時(shí)間和空間的矛盾。

　　2.3毛細(xì)管網(wǎng)低溫輻射技術(shù)

　　毛細(xì)管網(wǎng)模擬葉脈和人體毛細(xì)血管機(jī)制，利用毛細(xì)管網(wǎng)表面或輻射體表面與室內(nèi)空氣較小的換熱溫差，通過(guò)毛細(xì)管內(nèi)流體蠕流的流動(dòng)來(lái)達(dá)到與周?chē)h(huán)境的平衡。毛細(xì)管網(wǎng)是集分水式結(jié)構(gòu)，由外徑3.5mm~5mm的毛細(xì)管和外徑20mm的供回水主干管路構(gòu)成管網(wǎng)，保溫層、散熱層和毛細(xì)管網(wǎng)結(jié)合使用，復(fù)合成毛細(xì)管網(wǎng)換熱器。毛細(xì)管網(wǎng)如圖3所示。

　　2.4毛細(xì)管網(wǎng)輻射采暖的特點(diǎn)

　　毛細(xì)管網(wǎng)的輻射換熱面積很大，而毛細(xì)管網(wǎng)內(nèi)的流體與室內(nèi)空氣的換熱溫差較小，從傳熱學(xué)的角度看，換熱面積增大，可提高熱量的傳熱效率；而輻射供能方式使室內(nèi)溫度變化均勻，無(wú)吹風(fēng)感，提高了環(huán)境的舒適性。從能量利用效率的角度，低溫差換熱有助于提高能量的效率，同時(shí)，毛細(xì)管網(wǎng)輻射采暖所要求的供水溫度為28℃~32℃，大大降低了對(duì)熱源溫度的要求。

　　毛細(xì)管網(wǎng)采暖方式為低品位太陽(yáng)能的熱利用提供了一種優(yōu)良的供熱方式。毛細(xì)管網(wǎng)裝飾效果如圖4所示。

　　3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1太陽(yáng)能輻射采暖系統(tǒng)原理（如圖5所示）

　　3.2系統(tǒng)運(yùn)行模式

　　（1）太陽(yáng)能生活熱水蓄熱；（2）太陽(yáng)能相變蓄熱；（3）蓄熱供暖；（4）輔助熱源供暖；（5）輔助熱源提供生活熱水。

　　3.3系統(tǒng)控制

　?。?）生活熱水罐優(yōu)先控制；（2）生活熱水罐輔助加熱控制；（3）相變蓄熱罐加熱控制；（4）相變蓄熱罐高溫保護(hù)；（5）輔助熱源—空氣源熱泵啟?？刂疲唬?）供暖水溫控制。

　　4應(yīng)用研究圖（如圖6~圖8所示）