石蜡蓄热太阳能炕在北方农村住宅中的应用

杨海鸿 田斌守 邵继新 米应映

1 甘肃省建材科研设计院

2 甘肃省绿色建筑与可再生能源重点实验室

3 兰州宏方新型建材科技有限公司

随着时代的进步和发展，利用传统火炕采暖已不能满足人们日益增长的物质生活需求和环境保护要求，在广大北方农村地区如能利用太阳能替代传统生物质燃料或者煤炭，利用新技术改造传统火炕，不仅是节能环保所需更可以提高农村地区住宅的安全舒适性能。低温热水辐射采暖[1]技术是近年发展起来的一种采暖技术，是以低温热水为媒介，通过均匀辐射换热方式来采暖，其特点是高效节能、热稳定好、可节约空间、整洁美观。本文所设计的太阳能炕充分继承传统火炕的结构样式基础上，将低温热水辐射采暖技术与太阳能热水技术相结合，利用太阳能集热器作为热水供应装置，采用低温热水辐射采暖系统作为炕面，由此形成太阳能炕采暖系统，这与传统火炕相比，可将火炕的烟道部分省去作为储藏空间，大大提高了室内空间的利用率，同时在使用过程中不会产生CO、CO2、SO2、PM2.5等污染物的排放，其炕面温度与传统火炕相当亦不会降低舒适性。因此，太阳能炕在保留传统火炕方便且舒适等优点的同时彻底克服了其存在的弊端，在寒冷地区农居中具有很好实用性。

1 石蜡蓄热

石蜡作为一种相变材料[2]，在蓄热方面的优点在于：相变潜热高、储热密度大、几乎没有过冷现象、融化时蒸汽压力低、化学稳定性好、没有相分离和腐蚀性，价格相对较低等。缺点是导热系数小，密度小，单位体积储热能力差。在本文所设计的太阳能采暖炕系统中利用一定量的石蜡[3]作为蓄热材料，能将白天过剩的太阳能热量储存起来供夜间采暖使用，以达到对太阳能资源的最大程度利用，同时达到减小室内昼夜温差的目的，大大改善了室内的热舒适水平。石蜡的热物理性质如表1 所示。

表1 石蜡烷烃的热物理性质

2 系统设计

2.1 系统原理

本文所设计的太阳能采暖炕系统包括：太阳能集热器、静音循环泵、智能控制仪、盘管、封装石蜡、炕体等。该系统不仅可以在冬季加热炕面，也可以在夏季提供生活热水。系统原工作理示意图如图1 所示。

图1 太阳能炕系统原理图

实际搭建的太阳能炕采暖系统如图2 所示。

图2 实际搭建的太阳能炕

2.2 运行方式

该系统可以通过智能控制仪和水泵控制器来实现系统的自动运行。

自动补水：智能控制仪不仅可以实现水箱温度和水位的显示，同时还可以通过水位传感器和电磁阀来实现水箱的自动补水，补水管与自来水相连，当水位低于设定值时，电磁阀开启同时增压泵工作向水箱内补水，当水位高于设定值时，电磁阀关闭增压泵停止工作补水完成。

自动循环：太阳能炕的循环泵通过温度传感器T3和控制器来实现，在设定的采暖时间段内当T3 温度高于设定值时循环泵停止工作，当T3 温度低于设定值时，水泵开始工作使水箱内的热水在炕面盘管内循环以加热炕面。

非采暖季供生活热水：北方冬季寒冷需要采暖，因此在采暖季太阳能炕主要为满足生活起居的舒适性而用，但在夏季等非采暖季炕已经不再需要加热，为了有效利用太阳能资源，可用其用做洗浴等生活热水。

3 太阳能炕现场测试

为测试本文所设计的石蜡蓄热型太阳能炕在实际应用效果，对所搭建太阳能炕进行了现场实测。被测试太阳能炕尺寸为2 m×1.8 m，所测参数包括室内外温度、太阳能炕面温度。本文对太阳能炕所做测试是在北方采暖季中期天气寒冷时段进行，测试期间，按照居民作息时间启停循环泵，具体操作为白天循环泵停止运行，主要利用日照辐射加热水箱蓄热，夜间18时循环泵开始运行至次日8 时循环泵停止工作，做为一个测试周期。主要测试仪器型号及精度见表2 所示。

表2 主要测试仪器

3.1 环境温度及水箱温度测试结果

环境温度包括室内外温度，本文测试期间对每个测试周期内的室内外和水箱温度变化进行了记录，记录间隔为1 h，四个测试周期内室内外温度及水箱温度变化如图3 所示。

图3 测试周期内室内外温度变化

从图3 中可以看出，在第一个测试周期内由于太阳能炕初次开始启动，此时在无其他热源情况下，室内温度大约为5 ℃，布置于室内靠近窗户和靠近炕的温度测点，其测量温度值存在一定的差异，这主要是由于炕的运行向室内散热，造成靠近炕的温度稍微高于靠近窗户侧，随着太阳能炕的持续运行，室内温度趋于均匀，因此在后面的三个连续测试周期内，室内两个测点温度几乎相等且均维持在10 ℃左右。同时当循环泵开始运行时候，室内温度均会上升1 ℃左右，循环泵停止运行后，室内温度略有下降。测试周期处于北方采暖季中期，室外温度均在-5 ℃左右，由于炕所在的建筑并不是节能建筑，保温性能不好所以室内温度也较低。

3.2 炕面温度测试结果

炕面是太阳能炕系统中最主要的受热面，其温度高低直接决定了人睡觉时的舒适性。本测试中在炕面布置6 个测点，以测定不同区域炕面温度及其均匀性。炕面温度测点布置示意图如图4 所示。

图4 炕面温度测点布置示意图

图5 不同测试周期内炕面温度变化

通过采集以上6 个测点在连续四个测试周期内的温度值，可以判断太阳能炕炕面温度的稳定性和舒适性。各测点温度值如图5 所示。

从图5 中可以看出，不同测试周期内从循环泵开始运行时刻开始，炕面温度会迅速上升，随着炕面向室内散热水箱温度下降，则炕面温度随之缓慢下降，直至次日循环泵停止工作时，温度将至最低。由于测点布置位置不同，因此各测点温度也有差异，其中测点1 和测点6 是离盘管进水最远的测点，因此测试中这两个测点温度也是最低，但均在30 ℃以上，能满足睡眠时人体舒适性要求[4]，而测点2 距离盘管进水口最近，因此各测试周期内其温度也是最高处，均在45 ℃左右，可以很好的保证睡眠舒适性。另外，自21:00 炕面温度升至最高，到次日8:00 温度降至最低，最大温差不超过15 ℃，说明本文搭建的太阳能炕由于封装一定的石蜡具有较好的蓄热能力，在夜间能保持炕面温度基本稳定不会影响睡眠。

3.3 炕面平均温度分析

根据人体舒适性温度研究，炕面平均温度应稳定且保持在一定的范围内，从而更好的满足睡眠坐卧等要求。在不同测试周期内，对布置在炕面不同位置的6个测点温度求算数平均可得炕面平均温度[5]，炕面平均温度变化如图6 所示。

图6 不同测试周期炕面平均温度变化

由图6 可以看出，自循环泵开始运行炕面温度开始升高，炕面平均温度在21:00 左右达到最高温度，不同测试周期内的最高温度由于太阳辐照、室外环境温度不同等因素略有不同，基本维持在38～42 ℃，炕面温度达到最高后，随着散热温度缓慢下降，但直至次日8:00 炕面平均温度均保持在25 ℃以上，能够保证影响睡眠舒适性温度。

4 结论

室内采用太阳能炕采暖系统，不仅可以满足起居睡眠对舒适性的要求，还能提高室内环境温度，同时不会带来任何污染，是非常清洁环保安全的方式。

采用自动温控的石蜡蓄热太阳能炕，能在白天更多的利用太阳能资源，将热量蓄存于石蜡，夜间放热能更好的保持炕面温度的稳定。测试周期内太阳能炕面温度最高达到45 ℃，最低在30 ℃，能很好的满足人体睡眠舒适性的要求。

该太阳能炕如能在节能建筑内使用，对于提高室内温度和睡眠舒适性具有更好的效果。