太陽能空氣集熱器和相變儲能墻復(fù)合采暖系統(tǒng)分析

劉 馨，馮國會，黃凱良

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太陽能空氣集熱器和相變儲能墻復(fù)合采暖系統(tǒng)分析

劉 馨，馮國會，黃凱良

（沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

可再生能源的高效利用是降低建筑能耗的有效方法。將相變儲能墻與太陽能熱風(fēng)相結(jié)合，可改善太陽能熱風(fēng)采暖的不穩(wěn)定性，從而提高太陽能的利用效率。通過試驗(yàn)和ANSYS模擬軟件對復(fù)合系統(tǒng)的分析，確定相變儲能墻體的儲熱特性和合理用量，研究復(fù)合采暖系統(tǒng)的室溫變化和傳熱規(guī)律，分析相變儲能墻對采暖系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明：與未采暖房間相比，復(fù)合采暖系統(tǒng)可以使室內(nèi)平均溫度提高7～15℃，該復(fù)合采暖系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用前景；當(dāng)太陽能空氣集熱器的送風(fēng)口溫度在37～77℃時，相變材料能夠充分利用，相變墻整體的相變比例約為40%，從線性回歸比例看，復(fù)合采暖效果要比太陽能熱風(fēng)采暖效果好。

相變儲能墻；節(jié)能率；采暖系統(tǒng)；模擬分析

儲能是影響未來能源格局的關(guān)鍵技術(shù)，對提高能源利用效率、促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展、推動能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型有重要意義。各國專家學(xué)者對相變儲能相繼開展了研究，Athienitis等[1]在被動式太陽房中使用相變墻，結(jié)果顯示房間的溫度在白天比常規(guī)墻板房間溫度低4℃，而夜間其放熱可以延續(xù)7 h以上。Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室（LANL）的計(jì)算結(jié)果表明，使用相變墻可以使建筑的逐時負(fù)荷均勻化，減少空調(diào)設(shè)備的初投資和運(yùn)行費(fèi)用[2]。Koschenz等[3]提出了一種應(yīng)用于輕質(zhì)建筑中的主動式相變蓄能石膏吊頂空調(diào)系統(tǒng)。冒東奎[4]通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了含相變材料壁板的潛熱，在天花板和墻壁安裝石膏板，相變材料是50%硬脂酸丁酯和48%軟脂酸丁酯的混合物。儲能模塊與太陽能熱風(fēng)采暖系統(tǒng)相結(jié)合，可以優(yōu)勢互補(bǔ)，從而改善太陽能熱風(fēng)采暖的不穩(wěn)定性，有效提高太陽能的利用效率。選用癸酸與月桂酸的混合物封裝后形成相變儲能墻，與太陽能空氣集熱器共同組成采暖系統(tǒng)，研究復(fù)合采暖系統(tǒng)的傳熱特性。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

基于傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，太陽能空氣集熱器和相變墻分別安裝，搭建了單一太陽能熱風(fēng)采暖系統(tǒng)和復(fù)合采暖系統(tǒng)。

（1）太陽能空氣集熱器

太陽能空氣集熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括箱體、集熱板、透明蓋板和保溫材料四大部分[5-6]。它們的材料和主要功能見表1，其工作原理如圖1所示。集熱器的集熱面積為10.6 m2。單一的太陽能熱風(fēng)采暖系統(tǒng)是使用太陽能空氣集熱器采暖的。白天，集熱器內(nèi)空氣被太陽輻射能加熱，熱空氣通過浮升力進(jìn)入室內(nèi)，室內(nèi)底層的冷空氣通過集熱器的回風(fēng)口進(jìn)入集熱器內(nèi)，重新加熱，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)采暖。

表1 太陽能空氣集熱器的組成

（2）相變模塊-相變墻

脂肪酸與很多相變材料相比有優(yōu)勢，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和無毒性[7]。本文采用癸酸和月桂酸的低溫共熔物作為相變材料，制作成相變儲能墻。兩種材料按照一定比例混合，用差示掃描量熱分析儀（DSC）測試混合物的相變溫度和相變潛熱，選擇在室內(nèi)舒適溫度范圍內(nèi)具有高潛熱和合適相變溫度的混合比例。

分析測試結(jié)果，選用相變材料的混合質(zhì)量分?jǐn)?shù)為癸酸66%、月桂酸34%，共熔物的相變溫度為18.55～25.41 ℃，相變潛熱為126.356 kJ/kg。采用相變材料的總量約為163 kg，共熔物采用塑料管封裝，防止材料揮發(fā)，提高其耐久性，避免室內(nèi)人員產(chǎn)生不舒適感。選用內(nèi)徑18 mm，外徑20 mm的塑料管，長為3 m。封裝的相變管大約200根，用鐵架將其立于實(shí)驗(yàn)房西墻內(nèi)側(cè)，為防止熱量向外墻流失，采用苯板保溫，外用石膏板封堵，形成長3.24 m、寬0.15 m、高2.9 m的相變蓄熱墻（圖2）。在太陽能空氣集熱器送風(fēng)口2處，設(shè)置有小型風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為3～4.3 m3/h，用來克服流動阻力。

（3）相變墻與太陽能熱風(fēng)采暖系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)房間的面積為10.5 m2，室內(nèi)設(shè)計(jì)采暖負(fù)荷為75 W/m2。復(fù)合采暖系統(tǒng)如圖3所示。它的工作原理是白天太陽能空氣集熱器吸收太陽輻射能，開啟集熱器的送回風(fēng)口，熱空氣通過相變墻后送入室內(nèi)，加熱相變墻，相變材料熔化蓄熱，風(fēng)機(jī)開啟將循環(huán)空氣重新送回集熱器加熱；夜間，關(guān)閉風(fēng)機(jī)和集熱器的送回風(fēng)口，相變材料凝固放熱，把白天蓄存的熱能送入房間。

1.2 ANSYS模擬

運(yùn)用ANSYS[8]模擬軟件分析相變墻的相變過程，針對相變墻中任一相變管進(jìn)行數(shù)值模擬，建立二維模型，通過改變施加溫度載荷來代替不同時間或不同位置的相變管，進(jìn)行相變墻的儲熱性能分析。

數(shù)值模擬的模型與相變管實(shí)際尺寸一致，由于圓管為中心對稱，沿直徑選取斷面的上半部進(jìn)行模擬，長為3 m，內(nèi)徑為0.009 m，外徑為0.010 m，相變材料密度為900 kg/m3，熱傳導(dǎo)率為0.558 W/(m·K)，初始溫度為280 K，塑料管密度為930 kg/m3，熱傳導(dǎo)率為0.34 W/(m·K)，施加溫度荷載大小見表2。從表中可以看出溫度荷載隨時間變化而變化，相同溫度荷載持續(xù)時間約為1 h，如上述簡化便于驗(yàn)證所建立模型的有效性。實(shí)測溫度位置為太陽能空氣集熱器送風(fēng)口處。

表2 不同時間的實(shí)測溫度和溫度荷載值

2 結(jié)果與討論

在傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上分別安裝太陽能空氣集熱器和相變儲能墻，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析單一太陽能熱風(fēng)采暖系統(tǒng)和復(fù)合式采暖系統(tǒng)的溫度響應(yīng)規(guī)律和傳熱特性的基礎(chǔ)。通過模擬數(shù)據(jù)分析相變儲能墻的傳熱性能。

2.1 單一采暖

太陽能熱風(fēng)采暖的效果如圖4所示，由于實(shí)驗(yàn)房間采用的是輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，室內(nèi)溫度波動較大，晝夜最大溫差約為12 ℃。白天，室內(nèi)溫度為5～10℃；夜間，室內(nèi)溫度為0 ℃左右。與未采暖房間對比，太陽能采暖系統(tǒng)將室內(nèi)溫度平均提高5～7 ℃。集熱器送回風(fēng)口的空氣溫度溫差也較大，這是由于送回風(fēng)口相距較遠(yuǎn)所致。集熱器送風(fēng)口溫度在每天中午13:00左右達(dá)到最高，送風(fēng)口溫度范圍在5～70 ℃，和太陽輻射強(qiáng)度的分布情況吻合。

2.2 復(fù)合采暖

相變墻與太陽能熱風(fēng)共同采暖的效果如圖5和圖6所示。從圖5中可以看出，由于空氣比熱容較小，在蓄熱循環(huán)中空氣溫度沿相變墻高度有明顯的變化。但處于相同高度的相變墻，溫度波動較小。相變墻白天的測試溫度能一直維持在15～16℃，夜間溫度下降，蓄熱量有限，第五天為陰天，未給予分析。相變墻上中下層的劃分是將3 m高的相變墻均勻分成3個梯度，每一梯度各個區(qū)域的溫度最高值取平均數(shù)，得到相變墻上中下的溫度變化曲線。圖6給出了實(shí)驗(yàn)房間、對比房間的室內(nèi)溫度和室外溫度曲線。由于試驗(yàn)房間采用的是輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，室內(nèi)溫度波動較大，晝夜最大溫差約為10℃。晴天情況下，室內(nèi)平均溫度能維持在13℃左右。與對比房間相比，復(fù)合采暖系統(tǒng)將室內(nèi)溫度平均提高7～15℃。測試房間沒有安裝輔助熱源。

2.3 模擬結(jié)果

如圖7所示，相變管不同位置的溫度是通過不同溫度荷載3600 s后模擬結(jié)果表示的。

從圖7中可以看出，相變管每個節(jié)點(diǎn)的溫度是很明顯的。管兩端的溫度明顯高于管中間段的溫度，相變管中間段溫度分布均勻。在圖7(a)～7(e)中，各個節(jié)點(diǎn)的溫度均高于相變材料的相變溫度，管內(nèi)材料完全發(fā)生相變。在圖7(f)中，各個節(jié)點(diǎn)的溫度均低于相變材料的相變溫度，溫度范圍在291.2～291.6 K，管內(nèi)材料不發(fā)生相變，說明在集熱器送風(fēng)口溫度達(dá)到300 K時，相變管內(nèi)部經(jīng)過3600 s的換熱過程，相變管內(nèi)相變材料不熔化，也說明在9:00—10:00、16:00—16:30時間段內(nèi)相變材料不蓄熱或處于放熱狀態(tài)。相變管的模擬情況見表3。

表3 不同溫度荷載對應(yīng)的相變材料性狀

由表3得到，相變管的儲能時間區(qū)間為10:00—16:00，而9:00—10:00、16:00—16:30時間段內(nèi)相變材料不蓄熱或處于放熱狀態(tài)。

2.4 線性回歸分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果對比分析相變墻內(nèi)材料的利用率，相變墻模擬的蓄熱時間段為10:00—16:00，通過圖6中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，相變墻溫度梯度明顯，中層下層的相變材料無法達(dá)到相變溫度，未實(shí)行蓄熱相變。只有上層相變材料發(fā)生相變，相變比例約為40%，存儲能量為8238.4 kJ。相變材料未全部完成蓄熱過程，這有兩個主要原因，一是由于太陽能空氣集熱器輻射面積有限，并且太陽能熱風(fēng)系統(tǒng)屬于被動式采暖方式，空氣循環(huán)依靠浮升力，熱交換不充分導(dǎo)致的；室外氣象條件是另一個重要影響因素，太陽能輻射強(qiáng)度變化劇烈，熱風(fēng)的溫度不易控制。

對比熱風(fēng)采暖方式和復(fù)合采暖方式的室內(nèi)溫度波動情況，通過線性回歸的方式，研究某一天室內(nèi)溫度變化隨室外溫度變化的一致性，通過相似比率來判斷室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性和舒適性。線性擬合度越高，室內(nèi)溫度變化越接近室外溫度變化，則采暖效果越差。如圖8和圖9可知，熱風(fēng)采暖方式和復(fù)合采暖方式的線性擬合度分別為0.6219和0.5922。單一太陽能熱風(fēng)采暖系統(tǒng)的線性擬合度高于組合式采暖系統(tǒng)，說明組合式采暖系統(tǒng)的溫度性和舒適性更高一些。

3 結(jié) 論

本文對比單一太陽能熱風(fēng)采暖系統(tǒng)和復(fù)合采暖系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)和模擬的方式研究采暖效果，得到以下結(jié)論。

（1）由于實(shí)驗(yàn)房間采用的是輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，單一太陽能熱風(fēng)采暖系統(tǒng)的室內(nèi)溫度波動較大，晝夜最大溫差約為12 ℃。白天，室內(nèi)溫度為5～10 ℃；夜間，室內(nèi)溫度為0 ℃左右。假設(shè)相變墻后，實(shí)驗(yàn)房間室內(nèi)溫度波動變小，晝夜最大溫差降為10 ℃。晴天情況下，室內(nèi)平均溫度能維持在13 ℃左右，與單一太陽能熱風(fēng)采暖房間相比，室內(nèi)晝夜最大溫差減小2 ℃，夜間溫度提升5～7 ℃，室溫平穩(wěn)性大大提高。與未采暖房間相比，復(fù)合采暖系統(tǒng)可以使室內(nèi)平均溫度提高7～15 ℃，該復(fù)合采暖系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用前景。

（2）當(dāng)集熱器送風(fēng)口溫度達(dá)到310～350 K時，相變材料完全熔化。模擬表明相變材料的蓄熱時 段在10:00—16:00，但是其它時段相變墻處于未 蓄熱或釋熱階段。當(dāng)集熱器送風(fēng)口溫度達(dá)到300 K時，相變管內(nèi)相變材料不熔化。只有上層相變材 料發(fā)生相變，相變比例約為40%，存儲能量為 8238.4 kJ。

（3）利用某一天的線性擬合度來研究室內(nèi)溫度變化隨室外溫度變化的一致性，熱風(fēng)采暖方式和復(fù)合采暖方式的線性擬合度分別為0.6219和0.5922。單一太陽能熱風(fēng)采暖系統(tǒng)的線性擬合度高于組合式采暖系統(tǒng)，說明組合式采暖系統(tǒng)的溫度性和舒適性更高一些。

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Integration of solar air collector with phase change material wall for a heating system

LIU Xin, FENG Guohui, HUANG Kailiang

(School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, Liaoning, China)

Using renewable energy is one of the effective methods to reduce building energy consumption. In this paper, a solar hot air heating system is combined with phase change material wall with an aim to improve the efficiency of solar heating. With such a heating system, the instability due to intermittency of solar energy and the efficiency of solar energy utilisation could be improved. Experimental testing and numerical modelling in the ANSYS environment have been carried out on the integrated heating system. The characteristics of phase change material wall and the percentage of the phase change materials in the wall are determined and the contribution of the phase change material is obtained. The results indicate that, compared with the non-heating case, the combined heating system increases the indoor temperature by 7 ℃ to 15 ℃ on average. When the air inlet temperature of the collector is between 37 ℃ and 77 ℃, the phase change material is fully utilised with approximately 40% of the wall performing phase change function. Analysis of the results suggests the combined heating system be better than solar air heating only system.

phase change wall; energy saving effect; heating system; simulation analysis

10.3969/j.issn.2095-4239.2015.06.012

TK 512.4

A

2095-4239（2015）06-632-06

2015-07-30；修改稿日期：2015-09-11?；痦?xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51308352），遼寧省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（LT2013013）和沈陽市科技局（F13-160-9-00）項(xiàng)目。第一作者：劉馨（1983—），女，博士，講師，主要研究建筑熱過程、室內(nèi)空氣保障技術(shù)、相變儲能及建筑節(jié)能技術(shù)等，E-mail：girl_liuxin@ 163.com；通訊聯(lián)系人：馮國會，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向有：建筑節(jié)能、相變儲能技術(shù)及應(yīng)用、室內(nèi)空氣品質(zhì)保障技術(shù)等，E-mail：Fengguohui888@163.com。