石蠟蓄熱太陽能炕在北方農村住宅中的應用

楊海鴻 田斌守 邵繼新 米應映

1 甘肅省建材科研設計院

2 甘肅省綠色建筑與可再生能源重點實驗室

3 蘭州宏方新型建材科技有限公司

隨著時代的進步和發展，利用傳統火炕采暖已不能滿足人們日益增長的物質生活需求和環境保護要求，在廣大北方農村地區如能利用太陽能替代傳統生物質燃料或者煤炭，利用新技術改造傳統火炕，不僅是節能環保所需更可以提高農村地區住宅的安全舒適性能。低溫熱水輻射采暖[1]技術是近年發展起來的一種采暖技術，是以低溫熱水為媒介，通過均勻輻射換熱方式來采暖，其特點是高效節能、熱穩定好、可節約空間、整潔美觀。本文所設計的太陽能炕充分繼承傳統火炕的結構樣式基礎上，將低溫熱水輻射采暖技術與太陽能熱水技術相結合，利用太陽能集熱器作為熱水供應裝置，采用低溫熱水輻射采暖系統作為炕面，由此形成太陽能炕采暖系統，這與傳統火炕相比，可將火炕的煙道部分省去作為儲藏空間，大大提高了室內空間的利用率，同時在使用過程中不會產生CO、CO2、SO2、PM2.5等污染物的排放，其炕面溫度與傳統火炕相當亦不會降低舒適性。因此，太陽能炕在保留傳統火炕方便且舒適等優點的同時徹底克服了其存在的弊端，在寒冷地區農居中具有很好實用性。

1 石蠟蓄熱

石蠟作為一種相變材料[2]，在蓄熱方面的優點在于：相變潛熱高、儲熱密度大、幾乎沒有過冷現象、融化時蒸汽壓力低、化學穩定性好、沒有相分離和腐蝕性，價格相對較低等。缺點是導熱系數小，密度小，單位體積儲熱能力差。在本文所設計的太陽能采暖炕系統中利用一定量的石蠟[3]作為蓄熱材料，能將白天過剩的太陽能熱量儲存起來供夜間采暖使用，以達到對太陽能資源的最大程度利用，同時達到減小室內晝夜溫差的目的，大大改善了室內的熱舒適水平。石蠟的熱物理性質如表1 所示。

表1 石蠟烷烴的熱物理性質

2 系統設計

2.1 系統原理

本文所設計的太陽能采暖炕系統包括：太陽能集熱器、靜音循環泵、智能控制儀、盤管、封裝石蠟、炕體等。該系統不僅可以在冬季加熱炕面，也可以在夏季提供生活熱水。系統原工作理示意圖如圖1 所示。

圖1 太陽能炕系統原理圖

實際搭建的太陽能炕采暖系統如圖2 所示。

圖2 實際搭建的太陽能炕

2.2 運行方式

該系統可以通過智能控制儀和水泵控制器來實現系統的自動運行。

自動補水：智能控制儀不僅可以實現水箱溫度和水位的顯示，同時還可以通過水位傳感器和電磁閥來實現水箱的自動補水，補水管與自來水相連，當水位低于設定值時，電磁閥開啟同時增壓泵工作向水箱內補水，當水位高于設定值時，電磁閥關閉增壓泵停止工作補水完成。

自動循環：太陽能炕的循環泵通過溫度傳感器T3和控制器來實現，在設定的采暖時間段內當T3 溫度高于設定值時循環泵停止工作，當T3 溫度低于設定值時，水泵開始工作使水箱內的熱水在炕面盤管內循環以加熱炕面。

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不再需要加熱，為了有效利用太陽能資源，可用其用做洗浴等生活熱水。

3 太陽能炕現場測試

為測試本文所設計的石蠟蓄熱型太陽能炕在實際應用效果，對所搭建太陽能炕進行了現場實測。被測試太陽能炕尺寸為2 m×1.8 m，所測參數包括室內外溫度、太陽能炕面溫度。本文對太陽能炕所做測試是在北方采暖季中期天氣寒冷時段進行，測試期間，按照居民作息時間啟停循環泵，具體操作為白天循環泵停止運行，主要利用日照輻射加熱水箱蓄熱，夜間18時循環泵開始運行至次日8 時循環泵停止工作，做為一個測試周期。主要測試儀器型號及精度見表2 所示。

表2 主要測試儀器

3.1 環境溫度及水箱溫度測試結果

環境溫度包括室內外溫度，本文測試期間對每個測試周期內的室內外和水箱溫度變化進行了記錄，記錄間隔為1 h，四個測試周期內室內外溫度及水箱溫度變化如圖3 所示。

圖3 測試周期內室內外溫度變化

從圖3 中可以看出，在第一個測試周期內由于太陽能炕初次開始啟動，此時在無其他熱源情況下，室內溫度大約為5 ℃，布置于室內靠近窗戶和靠近炕的溫度測點，其測量溫度值存在一定的差異，這主要是由于炕的運行向室內散熱，造成靠近炕的溫度稍微高于靠近窗戶側，隨著太陽能炕的持續運行，室內溫度趨于均勻，因此在后面的三個連續測試周期內，室內兩個測點溫度幾乎相等且均維持在10 ℃左右。同時當循環泵開始運行時候，室內溫度均會上升1 ℃左右，循環泵停止運行后，室內溫度略有下降。測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能建筑，保溫性能不好所以室內溫度也較低。

3.2 炕面溫度測試結果

炕面是太陽能炕系統中最主要的受熱面，其溫度高低直接決定了人睡覺時的舒適性。本測試中在炕面布置6 個測點，以測定不同區域炕面溫度及其均勻性。炕面溫度測點布置示意圖如圖4 所示。

圖4 炕面溫度測點布置示意圖

圖5 不同測試周期內炕面溫度變化

通過采集以上6 個測點在連續四個測試周期內的溫度值，可以判斷太陽能炕炕面溫度的穩定性和舒適性。各測點溫度值如圖5 所示。

從圖5 中可以看出，不同測試周期內從循環泵開始運行時刻開始，炕面溫度會迅速上升，隨著炕面向室內散熱水箱溫度下降，則炕面溫度隨之緩慢下降，直至次日循環泵停止工作時，溫度將至最低。由于測點布置位置不同，因此各測點溫度也有差異，其中測點1 和測點6 是離盤管進水最遠的測點，因此測試中這兩個測點溫度也是最低，但均在30 ℃以上，能滿足睡眠時人體舒適性要求[4]，而測點2 距離盤管進水口最近，因此各測試周期內其溫度也是最高處，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15 ℃，說明本文搭建的太陽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定不會影響睡眠。

3.3 炕面平均溫度分析

根據人體舒適性溫度研究，炕面平均溫度應穩定且保持在一定的范圍內，從而更好的滿足睡眠坐臥等要求。在不同測試周期內，對布置在炕面不同位置的6個測點溫度求算數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 不同測試周期炕面平均溫度變化

由圖6 可以看出，自循環泵開始運行炕面溫度開始升高，炕面平均溫度在21:00 左右達到最高溫度，不同測試周期內的最高溫度由于太陽輻照、室外環境溫度不同等因素略有不同，基本維持在38～42 ℃，炕面溫度達到最高后，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 結論

室內采用太陽能炕采暖系統，不僅可以滿足起居睡眠對舒適性的要求，還能提高室內環境溫度，同時不會帶來任何污染，是非常清潔環保安全的方式。

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

該太陽能炕如能在節能建筑內使用，對于提高室內溫度和睡眠舒適性具有更好的效果。