交通運(yùn)輸能源消耗影響因素分析及建模研究

【學(xué)員問題】地源熱泵相變地?zé)峥尚行约坝绊懸蛩胤治觯?/p>

【解答】一、相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)的調(diào)溫機(jī)理

相變材料在其本身發(fā)生相變的過程中，可以吸收環(huán)境的熱（冷）量，并在需要時(shí)向環(huán)境放出熱（冷）量，從而達(dá)到控制四周環(huán)境溫度的目的。把相變材料與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合，制成相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)，用于建筑物室內(nèi)溫度的調(diào)控。相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以大大增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱作用，使建筑物室內(nèi)和室外之間的熱流波動(dòng)幅度被減弱、作用時(shí)間被延遲[1]（見圖1），從而進(jìn)步建筑物的溫度自調(diào)節(jié)能力和改善室內(nèi)環(huán)境，達(dá)到節(jié)能和舒適的目的。

二、相變蓄熱采熱地板的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 相變蓄熱采熱地板的結(jié)構(gòu)

目前地板輻射供熱系統(tǒng)主要推廣的有低溫?zé)崴碗姛犭娎|的低溫地板輻射采熱加蓄能。其相變蓄能采熱地板結(jié)構(gòu)，加熱盤管直接置于基層的保溫層上， 相變材料層填充在加熱管四周，其上為地面覆蓋層。加熱時(shí)，熱量輸送到地板的相變蓄熱材料中存儲(chǔ)起來，在需要時(shí)開釋為室內(nèi)采熱。

2.2 相變蓄熱采熱地板的工作原理

地源熱泵低溫?zé)崴钅艿匕遢椛洳蔁峁ぷ髟恚豪靡归g廉價(jià)電由地源熱泵系統(tǒng)從地下土壤取熱，經(jīng)電力壓縮機(jī)對(duì)循環(huán)工質(zhì)做功，從而對(duì)輻射地板系統(tǒng)提供40～50℃的低溫?zé)崴?，進(jìn)進(jìn)地面盤管加熱相變材料，使其產(chǎn)生相變，以潛熱形式儲(chǔ)存熱量，白天放出給房間供熱。

三、可行性分析

3.1 地源熱泵相變地板采熱優(yōu)缺點(diǎn)

利用地源熱泵低溫?zé)崴訜嵯嘧儾牧?，使其產(chǎn)生相變，以潛熱形式儲(chǔ)存熱量，白天放出給房間供熱。與其他采熱相比，這種采熱方式優(yōu)點(diǎn)為：

首先，地源熱泵系統(tǒng)不直接消耗煤或燃油、自然氣等礦物燃料，沒有任何直接排放的污染物；其次，高效的地源熱泵系統(tǒng)，輸出同等量的有用能量，僅僅消耗30-60%的電功率，高效的一次能源利用率，是地源熱泵系統(tǒng)環(huán)保效果的最直接原因；再次，蓄能地板輻射采熱熱效率高，在相同的舒適條件下，室內(nèi)溫度一般比對(duì)流方式低2℃-4℃低溫傳送，而且可直接利用地源熱泵提供的40℃-50℃的低溫?zé)崴跓崦絺鬏斶^程中熱量損失小。地?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)步了室內(nèi)表面溫度，減少了四周表面對(duì)人體的冷輻射，進(jìn)步了舒適感。同時(shí)，室內(nèi)溫度自下而上逐漸降低，溫度分布比較均勻，溫度梯度很小，地面溫度高于呼吸區(qū)溫度，給人以腳熱頭涼的感覺；第四，蓄能地板蓄熱量大，熱穩(wěn)定性能更好，在間歇供熱的條件下，室內(nèi)溫度變化緩慢。運(yùn)行用度低于無蓄熱供熱方式。最后地板采熱輕易布置，較為理想的解決了大跨度空間散熱器難以公道布置的題目，而且其運(yùn)行治理簡單省往了鍋爐與熱水管道的建設(shè)、運(yùn)行治理用度，節(jié)省了鍋爐房與散熱器所占空間，沒有供熱收費(fèi)難的題目。

相變蓄熱與地源熱泵結(jié)合，在實(shí)行峰谷電價(jià)的地區(qū)，利用夜間低谷廉價(jià)電運(yùn)行，可大大降低采熱的電費(fèi)開支，并緩解電網(wǎng)峰谷差；充分利用低品位熱源，符合我國節(jié)能減排的要求等等。

3.2 各種采熱方式的舒適性與熱損失比較

為了對(duì)各種供熱方式做一個(gè)相對(duì)客觀的評(píng)價(jià)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮各種采熱方式的能耗（熱損失）和熱舒適性。假如以能耗和最大PPD值最低者的計(jì)分為1，能耗每超出10W增加1分，PPD值每超出5%增加1分，各采熱方式的能耗和舒適性計(jì)分列于表1，將二者相加，并根據(jù)得分的多少排序，得分少的綜合排序靠前?？梢钥闯鲆缘匕宀蔁釣樽顑?yōu)，各類墻上安裝的散熱器、熱風(fēng)機(jī)和電熱吊頂并列第二，窗下安裝的采熱設(shè)備由于能耗高而排序在后，又以窗下安裝的熱風(fēng)機(jī)在最后。該項(xiàng)研究中熱損失的具體數(shù)值參見《低溫輻射供熱與輻射供冷》中地板采熱能耗分析一節(jié)。

3.3 與電熱電纜蓄能地板輻射采熱的環(huán)境效益比較

電熱電纜蓄能地板輻射采熱中， 設(shè)環(huán)境溫度t0=0℃， 為保持室溫t=20℃，需要單位時(shí)間用電熱裝置（如電爐） 向室內(nèi)供熱量為Q，則電能完全轉(zhuǎn)換為熱能，單從數(shù)目上看，已無節(jié)能潛力可挖。若從能量質(zhì)量方面來分析， 電能的能質(zhì)系統(tǒng)即是1（即能全部轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚鵁崃縌的能質(zhì)系統(tǒng)（1-T0/T）僅為0.068，即供能與用能的能質(zhì)相差0.932.也就是說，電能通過電爐轉(zhuǎn)換為熱量后，有93.2%的電火用退化為沒有任何作功能力的火無。這種能源浪費(fèi)不是數(shù)目上的，而是能質(zhì)量作用上的浪費(fèi)——將高質(zhì)量能用在低質(zhì)量能用戶上。

而對(duì)于地源熱泵，即是一種利用高位能把不能直接利用的低品位熱能（土壤）轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能。仍設(shè)環(huán)境溫度t0=0℃，為保持室溫t=20℃，需要單位時(shí)間用地源熱泵向室內(nèi)供熱量為Q，地源熱泵COP=3.3，則需要的電能為Q/3.3，由此可見地源熱泵供熱不僅在數(shù)目上節(jié)能，而且從能量的質(zhì)的方面講，充分利用了低品位能，節(jié)省了高品位的電能。

四、影響因素分析

1）供水溫度的影響

在相變溫度、相變半徑、相變材料填充量及盤管間距等其他參數(shù)均取定值時(shí)，隨著供水溫度的升高，地板表面溫度增加，而且由于冬季地板表面溫度比室內(nèi)溫度高，當(dāng)供水溫度升高時(shí)，地板表面輻射換熱和自然對(duì)流換熱的溫差增大，地板表面均勻熱流密度增大，相變材料的蓄熱時(shí)間縮短。但是供水溫度不宜過大，否則不僅會(huì)造成室內(nèi)溫度波動(dòng)較大，其相應(yīng)的能耗也會(huì)增加。

2）相變溫度及相變半徑的影響

在供水溫度、相變材料填充量及盤管間距等其他參數(shù)均取定值時(shí)，一般地，相變溫度在接近采熱溫度時(shí)效果最佳。若在此基礎(chǔ)上降低相變材料的相變溫度，則蓄、放熱時(shí)間縮短，室溫波動(dòng)增大。反之，隨著相變溫度的升高，相變層上下表面處于相變區(qū)的時(shí)間減少，其相變材料不能完全發(fā)生相變，從而得不到充分的利用，此時(shí)，室內(nèi)溫度波動(dòng)較大，室內(nèi)溫度發(fā)生較大的變化。

相變半徑較小時(shí)，室內(nèi)溫度變化較為平緩，室內(nèi)溫度的日均勻值也較高。隨著相變半徑的增加，室內(nèi)溫度波動(dòng)增加，日均勻溫度也降低，因此應(yīng)選用較小相變半徑的相變材料。

3）相變材料的填充量的影響

在供水溫度、相變溫度、相變半徑及盤管間距等其他參數(shù)均取定值時(shí)，相變蓄能地板的蓄、放熱時(shí)間隨著相變材料填充量的增加而延長。且蓄熱結(jié)束后，地板表面均勻溫度也隨相變材料填充量的增加而升高。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用分析得出，一般取相變材料厚度稍大于盤管管徑為宜。

4）盤管間距的影響

在供水溫度、相變溫度、相變半徑及相變材料填充量等其他參數(shù)均取定值時(shí)，若盤管間距小，則熱流密度增加，從而蓄熱時(shí)間縮短，但相應(yīng)的放熱時(shí)間也短，因此達(dá)不到所需的放熱量，但隨著盤管間距的增加，地面溫度降低，熱流密度減少，因此對(duì)于相變地板輻射采熱，應(yīng)公道選擇符合滿足相變材料達(dá)到一定蓄熱量要求同時(shí)又能保證室內(nèi)溫度的盤管間距。

綜上可知，各個(gè)因素的變化都會(huì)引起熱流密度的變化，從而影響蓄、放熱時(shí)間及其室內(nèi)地面溫度，空間溫度的變化，模擬了一長寬高分別為6m、3.6m、3m的房間，給出了在不同熱流密度時(shí)室內(nèi)地面溫度的變化，可以看出隨著熱流密度的增加，地面溫度增加，當(dāng)熱流密度為250W/㎡時(shí)，部分地面溫度超過30℃。據(jù)一些國家對(duì)地面溫度的限制（美國29℃、法國21℃、英國24℃、德國29℃[2]）及《簡明供熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》中：地板輻射采熱系統(tǒng)中，為保證人的舒適感，其地面溫度都有一定的限制，對(duì)于經(jīng)常有人停留的區(qū)域，地面溫度為26-32℃，因此我們需要綜合考慮個(gè)因素，使熱流密度維持在滿足人體熱舒適溫度的范圍內(nèi)。

五、結(jié)論

隨著人們環(huán)保意識(shí)和節(jié)能意識(shí)的不斷增強(qiáng)，在熱通空調(diào)領(lǐng)域?qū)で笮履茉磁c可再生能源的利用方式正在成為研究的方向。如何有效利用廣泛存在的低位熱能，節(jié)約有限高位熱能的熱泵技術(shù)越來越引起人們的重視。地源熱泵低溫蓄能地板輻射采熱系統(tǒng)既能高效地使用低品位能源地?zé)崮茏鳛闊嵩矗哂泄?jié)能減排的效果，又具有使室內(nèi)溫度均勻、溫度梯度小、腳部溫度高、衛(wèi)生條件高、熱舒適性好，使用壽命長等特點(diǎn)，因而是一種減少建筑能耗進(jìn)步熱舒適性的理想采熱系統(tǒng)，同時(shí)它還受到多個(gè)因素的影響，如供、回水溫度、盤管間距、相變材料的相變溫度、相變半徑與填充量，因此對(duì)于不同地區(qū)、不同的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，要綜合考慮各個(gè)因素，從而取得滿足人體熱舒適溫度的各個(gè)不同的值。其可靠性、舒適性與衛(wèi)生性已經(jīng)在諸多工程中得到了驗(yàn)證，因此具有廣闊的發(fā)展遠(yuǎn)景。

引言

建筑能耗主要由采熱和空調(diào)能耗組成。環(huán)境溫度和濕度的變化會(huì)引起室內(nèi)溫度和濕度發(fā)生變化，從而影響人的正常工作和生活以及機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而公道的使用蓄能材料，不僅有助于室內(nèi)保持需要的溫度和濕度，使室內(nèi)溫濕度變化幅度減小，而且可以均衡或者部分消除采熱空調(diào)負(fù)荷，或?qū)⒏叻遑?fù)荷轉(zhuǎn)移到低谷，降低能耗。

在我國，建筑能耗占總能耗的11.7%，而建筑能耗中的空調(diào)能耗高達(dá)35%，因此，冰蓄冷系統(tǒng)、地板輻射供熱系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、冷媒自然循環(huán)系統(tǒng)等節(jié)能方案的研究與應(yīng)用具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。對(duì)于供熱系統(tǒng)，采用地板輻射采熱室內(nèi)溫度比對(duì)流散熱形式低2℃，減小了室內(nèi)外溫差，節(jié)能11.4%.而熱泵又是一種在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性上都有較大上風(fēng)的解決供熱題目的替換手段，作為一種清潔用能手段，與直接把電能轉(zhuǎn)換為熱能的電鍋爐相比，采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的電耗僅為前者的1/3～1/4.本文立足于環(huán)保節(jié)能的角度，闡述了地源熱泵低溫?zé)崴匕遢椛洳蔁峒有钅芗夹g(shù)，并作了相應(yīng)的可行性分析，提出了地源熱泵低溫?zé)崴匕遢椛洳蔁嵝钅芗夹g(shù)具有廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景。

一、相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)的調(diào)溫機(jī)理

相變材料在其本身發(fā)生相變的過程中，可以吸收環(huán)境的熱（冷）量，并在需要時(shí)向環(huán)境放出熱（冷）量，從而達(dá)到控制四周環(huán)境溫度的目的。把相變材料與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合，制成相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)，用于建筑物室內(nèi)溫度的調(diào)控。相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以大大增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱作用，使建筑物室內(nèi)和室外之間的熱流波動(dòng)幅度被減弱、作用時(shí)間被延遲[1]（見圖1），從而進(jìn)步建筑物的溫度自調(diào)節(jié)能力和改善室內(nèi)環(huán)境，達(dá)到節(jié)能和舒適的目的。

二、相變蓄熱采熱地板的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 相變蓄熱采熱地板的結(jié)構(gòu)

目前地板輻射供熱系統(tǒng)主要推廣的有低溫?zé)崴碗姛犭娎|的低溫地板輻射采熱加蓄能。其相變蓄能采熱地板結(jié)構(gòu)，加熱盤管直接置于基層的保溫層上， 相變材料層填充在加熱管四周，其上為地面覆蓋層。加熱時(shí)，熱量輸送到地板的相變蓄熱材料中存儲(chǔ)起來，在需要時(shí)開釋為室內(nèi)采熱。

2.2 相變蓄熱采熱地板的工作原理

地源熱泵低溫?zé)崴钅艿匕遢椛洳蔁峁ぷ髟恚豪靡归g廉價(jià)電由地源熱泵系統(tǒng)從地下土壤取熱，經(jīng)電力壓縮機(jī)對(duì)循環(huán)工質(zhì)做功，從而對(duì)輻射地板系統(tǒng)提供40～50℃的低溫?zé)崴?，進(jìn)進(jìn)地面盤管加熱相變材料，使其產(chǎn)生相變，以潛熱形式儲(chǔ)存熱量，白天放出給房間供熱。

三、可行性分析

3.1 地源熱泵相變地板采熱優(yōu)缺點(diǎn)

利用地源熱泵低溫?zé)崴訜嵯嘧儾牧?，使其產(chǎn)生相變，以潛熱形式儲(chǔ)存熱量，白天放出給房間供熱。與其他采熱相比，這種采熱方式優(yōu)點(diǎn)為：

首先，地源熱泵系統(tǒng)不直接消耗煤或燃油、自然氣等礦物燃料，沒有任何直接排放的污染物；其次，高效的地源熱泵系統(tǒng)，輸出同等量的有用能量，僅僅消耗30-60%的電功率，高效的一次能源利用率，是地源熱泵系統(tǒng)環(huán)保效果的最直接原因；再次，蓄能地板輻射采熱熱效率高，在相同的舒適條件下，室內(nèi)溫度一般比對(duì)流方式低2℃-4℃低溫傳送，而且可直接利用地源熱泵提供的40℃-50℃的低溫?zé)崴?，在熱媒傳輸過程中熱量損失小。地?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)步了室內(nèi)表面溫度，減少了四周表面對(duì)人體的冷輻射，進(jìn)步了舒適感。同時(shí)，室內(nèi)溫度自下而上逐漸降低，溫度分布比較均勻，溫度梯度很小，地面溫度高于呼吸區(qū)溫度，給人以腳熱頭涼的感覺；第四，蓄能地板蓄熱量大，熱穩(wěn)定性能更好，在間歇供熱的條件下，室內(nèi)溫度變化緩慢。運(yùn)行用度低于無蓄熱供熱方式。最后地板采熱輕易布置，較為理想的解決了大跨度空間散熱器難以公道布置的題目，而且其運(yùn)行治理簡單省往了鍋爐與熱水管道的建設(shè)、運(yùn)行治理用度，節(jié)省了鍋爐房與散熱器所占空間，沒有供熱收費(fèi)難的題目。

相變蓄熱與地源熱泵結(jié)合，在實(shí)行峰谷電價(jià)的地區(qū)，利用夜間低谷廉價(jià)電運(yùn)行，可大大降低采熱的電費(fèi)開支，并緩解電網(wǎng)峰谷差；充分利用低品位熱源，符合我國節(jié)能減排的要求等等。

3.2 各種采熱方式的舒適性與熱損失比較

為了對(duì)各種供熱方式做一個(gè)相對(duì)客觀的評(píng)價(jià)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮各種采熱方式的能耗（熱損失）和熱舒適性。假如以能耗和最大PPD值最低者的計(jì)分為1，能耗每超出10W增加1分，PPD值每超出5%增加1分，各采熱方式的能耗和舒適性計(jì)分列于表1，將二者相加，并根據(jù)得分的多少排序，得分少的綜合排序靠前?？梢钥闯鲆缘匕宀蔁釣樽顑?yōu)，各類墻上安裝的散熱器、熱風(fēng)機(jī)和電熱吊頂并列第二，窗下安裝的采熱設(shè)備由于能耗高而排序在后，又以窗下安裝的熱風(fēng)機(jī)在最后。

以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請(qǐng)及時(shí)溝通、指正。