石蠟蓄熱太陽(yáng)能炕在北方農(nóng)村住宅中的應(yīng)用

楊海鴻 田斌守 邵繼新 米應(yīng)映

1 甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院

2 甘肅省綠色建筑與可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3 蘭州宏方新型建材科技有限公司

隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，利用傳統(tǒng)火炕采暖已不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)生活需求和環(huán)境保護(hù)要求，在廣大北方農(nóng)村地區(qū)如能利用太陽(yáng)能替代傳統(tǒng)生物質(zhì)燃料或者煤炭，利用新技術(shù)改造傳統(tǒng)火炕，不僅是節(jié)能環(huán)保所需更可以提高農(nóng)村地區(qū)住宅的安全舒適性能。低溫?zé)崴椛洳膳痆1]技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的一種采暖技術(shù)，是以低溫?zé)崴疄槊浇椋ㄟ^(guò)均勻輻射換熱方式來(lái)采暖，其特點(diǎn)是高效節(jié)能、熱穩(wěn)定好、可節(jié)約空間、整潔美觀。本文所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能炕充分繼承傳統(tǒng)火炕的結(jié)構(gòu)樣式基礎(chǔ)上，將低溫?zé)崴椛洳膳夹g(shù)與太陽(yáng)能熱水技術(shù)相結(jié)合，利用太陽(yáng)能集熱器作為熱水供應(yīng)裝置，采用低溫?zé)崴椛洳膳到y(tǒng)作為炕面，由此形成太陽(yáng)能炕采暖系統(tǒng)，這與傳統(tǒng)火炕相比，可將火炕的煙道部分省去作為儲(chǔ)藏空間，大大提高了室內(nèi)空間的利用率，同時(shí)在使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生CO、CO2、SO2、PM2.5等污染物的排放，其炕面溫度與傳統(tǒng)火炕相當(dāng)亦不會(huì)降低舒適性。因此，太陽(yáng)能炕在保留傳統(tǒng)火炕方便且舒適等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)徹底克服了其存在的弊端，在寒冷地區(qū)農(nóng)居中具有很好實(shí)用性。

1 石蠟蓄熱

石蠟作為一種相變材料[2]，在蓄熱方面的優(yōu)點(diǎn)在于：相變潛熱高、儲(chǔ)熱密度大、幾乎沒(méi)有過(guò)冷現(xiàn)象、融化時(shí)蒸汽壓力低、化學(xué)穩(wěn)定性好、沒(méi)有相分離和腐蝕性，價(jià)格相對(duì)較低等。缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)小，密度小，單位體積儲(chǔ)熱能力差。在本文所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能采暖炕系統(tǒng)中利用一定量的石蠟[3]作為蓄熱材料，能將白天過(guò)剩的太陽(yáng)能熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)供夜間采暖使用，以達(dá)到對(duì)太陽(yáng)能資源的最大程度利用，同時(shí)達(dá)到減小室內(nèi)晝夜溫差的目的，大大改善了室內(nèi)的熱舒適水平。石蠟的熱物理性質(zhì)如表1 所示。

表1 石蠟烷烴的熱物理性質(zhì)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)原理

本文所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能采暖炕系統(tǒng)包括：太陽(yáng)能集熱器、靜音循環(huán)泵、智能控制儀、盤管、封裝石蠟、炕體等。該系統(tǒng)不僅可以在冬季加熱炕面，也可以在夏季提供生活熱水。系統(tǒng)原工作理示意圖如圖1 所示。

圖1 太陽(yáng)能炕系統(tǒng)原理圖

實(shí)際搭建的太陽(yáng)能炕采暖系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 實(shí)際搭建的太陽(yáng)能炕

2.2 運(yùn)行方式

該系統(tǒng)可以通過(guò)智能控制儀和水泵控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。

自動(dòng)補(bǔ)水：智能控制儀不僅可以實(shí)現(xiàn)水箱溫度和水位的顯示，同時(shí)還可以通過(guò)水位傳感器和電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)水箱的自動(dòng)補(bǔ)水，補(bǔ)水管與自來(lái)水相連，當(dāng)水位低于設(shè)定值時(shí)，電磁閥開(kāi)啟同時(shí)增壓泵工作向水箱內(nèi)補(bǔ)水，當(dāng)水位高于設(shè)定值時(shí)，電磁閥關(guān)閉增壓泵停止工作補(bǔ)水完成。

自動(dòng)循環(huán)：太陽(yáng)能炕的循環(huán)泵通過(guò)溫度傳感器T3和控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，在設(shè)定的采暖時(shí)間段內(nèi)當(dāng)T3 溫度高于設(shè)定值時(shí)循環(huán)泵停止工作，當(dāng)T3 溫度低于設(shè)定值時(shí)，水泵開(kāi)始工作使水箱內(nèi)的熱水在炕面盤管內(nèi)循環(huán)以加熱炕面。

非采暖季供生活熱水：北方冬季寒冷需要采暖，因此在采暖季太陽(yáng)能炕主要為滿足生活起居的舒適性而用，但在夏季等非采暖季炕已經(jīng)不再需要加熱，為了有效利用太陽(yáng)能資源，可用其用做洗浴等生活熱水。

3 太陽(yáng)能炕現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為測(cè)試本文所設(shè)計(jì)的石蠟蓄熱型太陽(yáng)能炕在實(shí)際應(yīng)用效果，對(duì)所搭建太陽(yáng)能炕進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。被測(cè)試太陽(yáng)能炕尺寸為2 m×1.8 m，所測(cè)參數(shù)包括室內(nèi)外溫度、太陽(yáng)能炕面溫度。本文對(duì)太陽(yáng)能炕所做測(cè)試是在北方采暖季中期天氣寒冷時(shí)段進(jìn)行，測(cè)試期間，按照居民作息時(shí)間啟停循環(huán)泵，具體操作為白天循環(huán)泵停止運(yùn)行，主要利用日照輻射加熱水箱蓄熱，夜間18時(shí)循環(huán)泵開(kāi)始運(yùn)行至次日8 時(shí)循環(huán)泵停止工作，做為一個(gè)測(cè)試周期。主要測(cè)試儀器型號(hào)及精度見(jiàn)表2 所示。

表2 主要測(cè)試儀器

3.1 環(huán)境溫度及水箱溫度測(cè)試結(jié)果

環(huán)境溫度包括室內(nèi)外溫度，本文測(cè)試期間對(duì)每個(gè)測(cè)試周期內(nèi)的室內(nèi)外和水箱溫度變化進(jìn)行了記錄，記錄間隔為1 h，四個(gè)測(cè)試周期內(nèi)室內(nèi)外溫度及水箱溫度變化如圖3 所示。

圖3 測(cè)試周期內(nèi)室內(nèi)外溫度變化

從圖3 中可以看出，在第一個(gè)測(cè)試周期內(nèi)由于太陽(yáng)能炕初次開(kāi)始啟動(dòng)，此時(shí)在無(wú)其他熱源情況下，室內(nèi)溫度大約為5 ℃，布置于室內(nèi)靠近窗戶和靠近炕的溫度測(cè)點(diǎn)，其測(cè)量溫度值存在一定的差異，這主要是由于炕的運(yùn)行向室內(nèi)散熱，造成靠近炕的溫度稍微高于靠近窗戶側(cè)，隨著太陽(yáng)能炕的持續(xù)運(yùn)行，室內(nèi)溫度趨于均勻，因此在后面的三個(gè)連續(xù)測(cè)試周期內(nèi)，室內(nèi)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度幾乎相等且均維持在10 ℃左右。同時(shí)當(dāng)循環(huán)泵開(kāi)始運(yùn)行時(shí)候，室內(nèi)溫度均會(huì)上升1 ℃左右，循環(huán)泵停止運(yùn)行后，室內(nèi)溫度略有下降。測(cè)試周期處于北方采暖季中期，室外溫度均在-5 ℃左右，由于炕所在的建筑并不是節(jié)能建筑，保溫性能不好所以室內(nèi)溫度也較低。

3.2 炕面溫度測(cè)試結(jié)果

炕面是太陽(yáng)能炕系統(tǒng)中最主要的受熱面，其溫度高低直接決定了人睡覺(jué)時(shí)的舒適性。本測(cè)試中在炕面布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，以測(cè)定不同區(qū)域炕面溫度及其均勻性。炕面溫度測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖4 所示。

圖4 炕面溫度測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖5 不同測(cè)試周期內(nèi)炕面溫度變化

通過(guò)采集以上6 個(gè)測(cè)點(diǎn)在連續(xù)四個(gè)測(cè)試周期內(nèi)的溫度值，可以判斷太陽(yáng)能炕炕面溫度的穩(wěn)定性和舒適性。各測(cè)點(diǎn)溫度值如圖5 所示。

從圖5 中可以看出，不同測(cè)試周期內(nèi)從循環(huán)泵開(kāi)始運(yùn)行時(shí)刻開(kāi)始，炕面溫度會(huì)迅速上升，隨著炕面向室內(nèi)散熱水箱溫度下降，則炕面溫度隨之緩慢下降，直至次日循環(huán)泵停止工作時(shí)，溫度將至最低。由于測(cè)點(diǎn)布置位置不同，因此各測(cè)點(diǎn)溫度也有差異，其中測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)6 是離盤管進(jìn)水最遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)，因此測(cè)試中這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度也是最低，但均在30 ℃以上，能滿足睡眠時(shí)人體舒適性要求[4]，而測(cè)點(diǎn)2 距離盤管進(jìn)水口最近，因此各測(cè)試周期內(nèi)其溫度也是最高處，均在45 ℃左右，可以很好的保證睡眠舒適性。另外，自21:00 炕面溫度升至最高，到次日8:00 溫度降至最低，最大溫差不超過(guò)15 ℃，說(shuō)明本文搭建的太陽(yáng)能炕由于封裝一定的石蠟具有較好的蓄熱能力，在夜間能保持炕面溫度基本穩(wěn)定不會(huì)影響睡眠。

3.3 炕面平均溫度分析

根據(jù)人體舒適性溫度研究，炕面平均溫度應(yīng)穩(wěn)定且保持在一定的范圍內(nèi)，從而更好的滿足睡眠坐臥等要求。在不同測(cè)試周期內(nèi)，對(duì)布置在炕面不同位置的6個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度求算數(shù)平均可得炕面平均溫度[5]，炕面平均溫度變化如圖6 所示。

圖6 不同測(cè)試周期炕面平均溫度變化

由圖6 可以看出，自循環(huán)泵開(kāi)始運(yùn)行炕面溫度開(kāi)始升高，炕面平均溫度在21:00 左右達(dá)到最高溫度，不同測(cè)試周期內(nèi)的最高溫度由于太陽(yáng)輻照、室外環(huán)境溫度不同等因素略有不同，基本維持在38～42 ℃，炕面溫度達(dá)到最高后，隨著散熱溫度緩慢下降，但直至次日8:00 炕面平均溫度均保持在25 ℃以上，能夠保證影響睡眠舒適性溫度。

4 結(jié)論

室內(nèi)采用太陽(yáng)能炕采暖系統(tǒng)，不僅可以滿足起居睡眠對(duì)舒適性的要求，還能提高室內(nèi)環(huán)境溫度，同時(shí)不會(huì)帶來(lái)任何污染，是非常清潔環(huán)保安全的方式。

采用自動(dòng)溫控的石蠟蓄熱太陽(yáng)能炕，能在白天更多的利用太陽(yáng)能資源，將熱量蓄存于石蠟，夜間放熱能更好的保持炕面溫度的穩(wěn)定。測(cè)試周期內(nèi)太陽(yáng)能炕面溫度最高達(dá)到45 ℃，最低在30 ℃，能很好的滿足人體睡眠舒適性的要求。

該太陽(yáng)能炕如能在節(jié)能建筑內(nèi)使用，對(duì)于提高室內(nèi)溫度和睡眠舒適性具有更好的效果。