太陽能熱風相變蓄熱采暖系統實驗研究

闞榮強，李隆鍵，崔文智，侯 宇，馮 雅

(1.重慶大學 能源與動力工程學院， 重慶 400044; 2.中國建筑西南建筑設計研究院有限公司， 成都 610041)

建筑能耗約占全球能源消耗的1/3。因此，促進建筑行業能源消費結構的轉型，提高建筑行業能源利用效率對于節能環保、提升人們居住水平意義重大。

在氣候寒冷地區，如中國的川西及青藏高原，氣溫較低，晝夜溫差較大，采暖能源仍以煤炭和電力為主，建筑采暖能耗較高。而這些地區太陽能資源常常較為豐富，施行太陽能供暖對于節約電力、保護環境具有重要意義[2]。

太陽能具有間歇性，其能量分布與建筑采暖負荷之間存在時序上的不匹配，采用儲能技術可以很好地解決這一矛盾[3]。熱能儲存可分為顯熱儲存和潛熱儲存[4]。其中相變潛熱儲存利用物質相變來儲存熱量，具有儲熱量大、體積小、相變過程溫度保持不變、蓄放熱性能穩定等特性，被認為是較為理想的儲熱方式。本文設計制作了一種分體式、質量輕、結構緊湊的太陽能熱風相變蓄熱板，并在川西高原某游客服務中心進行安裝測試，研究該相變蓄熱板的蓄放熱特性以及相應太陽能熱風相變蓄熱采暖系統的性能。

1 相變蓄熱板及實驗系統

1.1 相變蓄熱板

許多學者對蓄熱裝置的形式進行了研究，其中一些將蓄熱裝置直接作為建筑的維護結構，如地板[5]、墻體[6-8]、天花板[9-10]等。這種蓄熱形式需在新建建筑上使用，對既有建筑改造實施困難，并且可能影響建筑圍護結構強度。另一些研究者將蓄熱裝置與建筑維護結構完全分離，做成獨立的蓄熱結構，如箱體[11]、套管[12-13]、螺旋套管[14-15]等，然后通過強制通風與室內進行換熱。這種結構會占用建筑使用空間，夜晚風機運行不僅耗能而且會產生噪音。

本文設計了一種熱風相變蓄熱板，如圖1所示，相變蓄熱板由殼體、集風箱、矩形風管、接口、固定支架組成。考慮到與相變材料的相容性，蓄熱板通體采用鋁材[16,17]。蓄熱板外形尺寸為570 mm×400 mm×40 mm，灌裝相變材料后總質量為8.8 kg，每塊蓄熱板可以灌裝5.6 kg相變材料。每塊蓄熱板中含有40根16 mm×2 mm的矩形風管。蓄熱板為進出風口異側布置，保證熱空氣可以均勻流過相變蓄熱板。與其他蓄熱形式相比，本文設計的蓄熱板換熱面積大，蓄放熱迅速，便于安裝，可根據需求靈活控制使用數量及其安裝形式。

圖1 相變蓄熱板結構示意圖

1.2 相變材料

在民用或商用建筑中供冷和采暖相變溫度利用范圍為18～40 ℃[18]。在該溫度范圍內的相變材料中二元復合有機酸以其熱穩定性好、無過冷結晶現象、相變溫度可調、與容器的相容性較好以及相變潛熱高等優點被廣泛使用[19]。本文選用摩爾質量比為51∶49的癸酸-月桂酸二元復合材料作為相變蓄熱材料。相變材料性質如表1所示。經DSC測試相變材料的相變溫度為25 ℃，相變焓為160.4 kJ/kg。

表1 相變材料的性質

1.3 實驗系統與測試方法

實驗地點位于四川省康定縣江巴村。該地海拔3 800 m，年平均溫度-10 ℃，屬高寒地區。太陽能資源豐富，冬季日照時數758 h，最冷月日照率高達78%，適合太陽能采暖的應用。實驗房間為江巴村游客服務中心，房間結構示意圖如圖2所示。該房間為被動式太陽房，具有保溫良好的維護結構。選取中間客房為實驗房，相鄰房間為參照房，房間面積均為15 m2。

圖2 實驗房結構示意圖

實驗系統由3部分構成：集熱系統、空氣輸配系統、蓄熱-供暖系統，如圖3所示。空氣經太陽能平板集熱器加熱后進入蓄熱板內放熱，蓄熱板回風經風機送入太陽能集熱器形成閉環系統。3塊太陽能平板集熱器并聯安裝于客房房頂上面(見圖4)，每塊集熱器的有效集熱面積為1.8 m2。

1.風機；2.閥門；3.集熱器；4.蓄熱板；5.溫度測點；A、B、C、D蓄熱板表面溫度測點

空氣輸配系統由CRZ80型離心式風機、管道以及連接部件構成。風管采用PPR管，管外部包裹保溫棉以降低散熱損失。循環風量由LUGB-2305ZCE型渦街流量計測量。

圖4 實驗系統照片

相變蓄熱裝置安裝在客房北墻，數量為10塊，兩兩串聯形成1組，5組并聯構成1個蓄熱-供暖裝置，如圖3所示。蓄熱板的表面、內部以及進出口布置有溫度測點。系統運行分為2個階段：

1) 蓄熱階段：8∶00—17∶00，風機開啟，實現熱量在集熱器與相變材料之間的轉移。

2) 放熱階段：17∶00—8∶00，風機關閉，實現熱量在相變材料與室內空氣之間的轉移。

實驗過程中同時監測了實驗房和對比房的室內溫度變化。實驗中所有溫度均采用T型熱電偶測量，通過Agilent-34970A數據采集儀與電腦連接進行數據采集、存儲和分析。當地太陽輻射強度用TES132太陽輻射儀測量。實驗時間為2018年4月16日至19日。

2 結果討論與分析

2.1 集熱器運行效率

圖5為實驗期間環境溫度、平板集熱器表面太陽總輻射強度以及進出口風溫。實驗期間集熱器接受的最高輻照強度可達1 115 W/m2。集熱器進出口平均溫差達38.8 ℃。室外溫度最高為18.7 ℃，最低溫度零下2.2 ℃，晝夜溫差較大。

由式(1)定義的集熱器瞬時效率如圖6所示。

(1)

式中：cp為空氣比(kJ/(kg·K));qm為集熱器內空氣的質量流量(kg/s); ΔTair為集熱器進出口溫差(℃);Ib為集熱器表面所接收到的太陽總輻射(W/m2);S為平板集熱器有效集熱面積(m2)。

圖5 集熱器進出口風溫及環境參數

圖6 太陽集熱器集熱效率

從圖6中可以看出：測試期間平均集熱效率為27.3%，最大效率為41.5%，總體效率偏低。其原因有：由于當地氣候以及電力設施的影響，運行風量僅為30 m3/h，未達到集熱器額定風量，致使出口溫度過高，散熱損失較大；集熱器出口處存在漏風；集熱器的保溫性能不良。因此，在實際工程應用中，選擇合適的風量、做好保溫工作是提高集熱效率的關鍵。

2.2 蓄熱板蓄放熱特性

圖7分別給出了1組蓄熱板進、出口和連接處的空氣溫度以及不同位置相變材料的溫度變化。可見，第1塊蓄熱板出口風溫與第2塊蓄熱板出口風溫相差無幾，相變材料利用率不高，因此蓄熱板不宜串聯使用，圖8中A、B測點溫度在蓄熱階段高于相變溫度，而C、D測點溫度低于相變溫度也說明了這一點。

從圖8中可以看出：蓄熱階段溫度上升較快，無明顯顯熱階段和潛熱階段的區分。而放熱過程中顯熱放熱溫度曲線較潛熱放熱溫度曲線陡峭。這是因為蓄熱過程溫差大，相變過程短，而放熱過程溫差小，且液相結晶需要一定的過冷度。

圖7 集熱器出口與蓄熱板進口溫度

圖8 相變材料溫度變化

圖9為實驗房與對比房溫度變化曲線。日間將實驗房與對照房的房門打開，使其與走廊進行連通，保證日間兩間房間的溫度一致。夜間，將實驗房與對照房的門窗關閉。從圖中可以看出：實驗房由于有相變蓄熱板為其提供熱量，溫度下降較對比房緩慢，基本維持在15 ℃以上。夜晚蓄熱板放熱期間，實驗房溫度較對比房高出2～3 ℃。

圖9 實驗房與對比房溫度變化

3 結論

本文設計了一套太陽能熱風相變蓄熱采暖系統，蓄熱裝置為分體式、輕量化可拆卸的板式蓄熱器，并在高寒地區進行了現場實驗。結果表明：使用56 kg的相變材料為15 m2的房間來供暖，室內夜間溫度可以提高2～3 ℃。總體來說，該系統對藏區采暖具有重要意義，適合太陽能資源豐富、人口分散的川西及藏族地區使用。