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摘要：本文針對北方農(nóng)村地區(qū)的生活習(xí)慣設(shè)計了一套采用石蠟蓄熱的太陽能采暖炕系統(tǒng)，不僅很好的利用太陽能這種清潔能源解決了炕的采暖問題，還可以在夏季提供部分生活熱水。該太陽能炕系統(tǒng)中封裝的石蠟由于其良好相變特性和較高的相變潛熱，冬季供暖時段白天可在太陽能炕中續(xù)存一定的熱量，晚上利用相變潛熱釋放的熱量有效保證炕面溫度，達到節(jié)能和提高舒適性的目的。對實際搭建的太陽能炕系統(tǒng)進行四個連續(xù)周期的測量表明，太陽輻照良好的情況下太陽能炕面平均溫度可保證30～40℃的人體舒適性溫度，具有很好的實際使用價值。

關(guān)鍵詞：太陽能炕;石蠟;蓄熱;節(jié)能環(huán)保

隨著時代的進步和發(fā)展，利用傳統(tǒng)火炕采暖已不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)生活需求和環(huán)境保護要求，在廣大北方農(nóng)村地區(qū)如能利用太陽能替代傳統(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。低溫熱水輻射采暖[1]技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種采暖技術(shù)，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(jié)能、熱穩(wěn)定好、可節(jié)約空間、整潔美觀。本文所設(shè)計的太陽能炕充分繼承傳統(tǒng)火炕的結(jié)構(gòu)樣式基礎(chǔ)上，將低溫熱水輻射采暖技術(shù)與太陽能熱水技術(shù)相結(jié)合，利用太陽能集熱器作為熱水供應(yīng)裝置，采用低溫熱水輻射采暖系統(tǒng)作為炕面，由此形成太陽能炕采暖系統(tǒng)，這與傳統(tǒng)火炕相比，可將火炕的煙道部分省去作為儲藏空間，大大提高了室內(nèi)空間的利用率，同時在使用過程中不會產(chǎn)生CO、CO2、SO2、PM2.5等污染物的排放，其炕面溫度與傳統(tǒng)火炕相當亦不會降低舒適性。因此，太陽能炕在保留傳統(tǒng)火炕方便且舒適等優(yōu)點的同時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)點在于：相變潛熱高、儲熱密度大、幾乎沒有過冷現(xiàn)象、融化時蒸汽壓力低、化學(xué)穩(wěn)定性好、沒有相分離和腐蝕性，價格相對較低等。缺點是導(dǎo)熱系數(shù)小，密度小，單位體積儲熱能力差。在本文所設(shè)計的太陽能采暖炕系統(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(nèi)晝夜溫差的目的，大大改善了室內(nèi)的熱舒適水平。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)原理

本文所設(shè)計的太陽能采暖炕系統(tǒng)包括：太陽能集熱器、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。

2.2運行方式

該系統(tǒng)可以通過智能控制儀和水泵控制器來實現(xiàn)系統(tǒng)的自動運行。自動補水：智能控制儀不僅可以實現(xiàn)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(xiàn)水箱的自動補水，補水管與自來水相連，當水位低于設(shè)定值時，電磁閥開啟同時增壓泵工作向水箱內(nèi)補水，當水位高于設(shè)定值時，電磁閥關(guān)閉增壓泵停止工作補水完成。自動循環(huán)：太陽能炕的循環(huán)泵通過溫度傳感器T3和控制器來實現(xiàn)，在設(shè)定的采暖時間段內(nèi)當T3溫度高于設(shè)定值時循環(huán)泵停止工作，當T3溫度低于設(shè)定值時，水泵開始工作使水箱內(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，為了有效利用太陽能資源，可用其用做洗浴等生活熱水。

3太陽能炕現(xiàn)場測試

為測試本文所設(shè)計的石蠟蓄熱型太陽能炕在實際應(yīng)用效果，對所搭建太陽能炕進行了現(xiàn)場實測。被測試太陽能炕尺寸為2m×1.8m，所測參數(shù)包括室內(nèi)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(huán)泵，具體操作為白天循環(huán)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(huán)泵開始運行至次日8時循環(huán)泵停止工作，做為一個測試周期。

3.1環(huán)境溫度及水箱溫度測試結(jié)果

環(huán)境溫度包括室內(nèi)外溫度，本文測試期間對每個測試周期內(nèi)的室內(nèi)外和水箱溫度變化進行了記錄，記錄間隔為1h，四個測試周期內(nèi)室內(nèi)外溫度及水箱溫度變化如圖3所示。在第一個測試周期內(nèi)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(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(nèi)散熱，造成靠近炕的溫度稍微高于靠近窗戶側(cè)，隨著太陽能炕的持續(xù)運行，室內(nèi)溫度趨于均勻，因此在后面的三個連續(xù)測試周期內(nèi)，室內(nèi)兩個測點溫度幾乎相等且均維持在10℃左右。同時當循環(huán)泵開始運行時候，室內(nèi)溫度均會上升1℃左右，循環(huán)泵停止運行后，室內(nèi)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(jié)能建筑，保溫性能不好所以室內(nèi)溫度也較低。

3.2炕面溫度測試結(jié)果

炕面是太陽能炕系統(tǒng)中最主要的受熱面，其溫度高低直接決定了人睡覺時的舒適性。本測試中在炕面布置6個測點，以測定不同區(qū)域炕面溫度及其均勻性。通過采集以上6個測點在連續(xù)四個測試周期內(nèi)的溫度值，可以判斷太陽能炕炕面溫度的穩(wěn)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(nèi)從循環(huán)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(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，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(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(wěn)定不會影響睡眠。

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。在不同測試周期內(nèi)，對布置在炕面不同位置的6個測點溫度求算數(shù)平均可得炕面平均溫度。可以看出，自循環(huán)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(nèi)的最高溫度由于太陽輻照、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)采用太陽能炕采暖系統(tǒng)，不僅可以滿足起居睡眠對舒適性的要求，還能提高室內(nèi)環(huán)境溫度，同時不會帶來任何污染，是非常清潔環(huán)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(wěn)定。測試周期內(nèi)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(jié)能建筑內(nèi)使用，對于提高室內(nèi)溫度和睡眠舒適性具有更好的效果。

參考文獻

[1]齊政新,李巖.低溫地板輻射系統(tǒng)采暖系統(tǒng)的探討[J].煤氣與熱力,2003,23(5):312-315

[2]凌雙梅,高學(xué)農(nóng).尹輝斌.低溫相變蓄熱材料研究進展[J].廣東化工,2007,34(3):48-51

[3]閆全英,王威.低溫相變石蠟儲熱性能的實驗研究[J].太陽能學(xué)報,2006,27(8):805-809

[4]李金平,王磊,楊靄蓉,等.西北農(nóng)村住宅太陽能地板采暖房間室內(nèi)舒適度[J].可再生能源,2016,34(12):1772-1778

[5]NY/T58-2009民用火炕性能試驗方法[S]

作者:楊海鴻 田斌守 邵繼新 米應(yīng)映 單位:甘肅省建材科研設(shè)計院 甘肅省綠色建筑與可再生能源重點實驗室 蘭州宏方新型建材科技有限公司