青藏高原地區太陽能相變蓄熱暖風供暖系統研究

楊曉君 劉泓靈 夏秋怡 王 杰 王海龍 劉 東

(西南科技大學土木工程與建筑學院， 四川 綿陽 621010)

青藏高原地處高寒地區，大氣保溫作用差，不能很好地保存地面輻射的熱量，所以，即使是夏季，青藏高原大部分地區的平均氣溫也很低，日夜溫差大，因而供暖周期較長，往往持續8～10個月，個別地區甚至終年供暖。在此背景下青藏高原豐富的日照輻射為全年供暖需求提供資源保障，太陽能資源在高原供暖中的應用得到普及[1]。但太陽能具有在時間和空間分布的不均勻性[2]。

為了實現全天候供暖，及充分利用太陽能，人們開始使用蓄熱供暖。現階段被廣泛采用的蓄熱方式有兩種，水蓄熱和潛熱蓄熱(相變蓄熱)。但兩種蓄熱方式均存在著水箱體積過大，熱量損耗的缺陷，且水蓄熱式若發生水凍結現象，水管易爆裂[3]。孫曉雨[4]等人以拉薩地區為例研究了相變蓄熱墻的供暖性能，發現定性相變材料可調節一日內供熱量分布以改善供暖穩定性，可降低瞬時供熱量日振幅32.5%，然而相變溫度偏低時作用效果會明顯變差。陳華[5]等人對復合相變材料與單一相變材料進行比較，發現熱泵空調部分冷凝熱回收模式下復合相變材料蓄熱速率提升6.5%，溫差減少44.1%。

因此，本文設計了一種結合熱風系統與相變蓄熱技術，并以地下通道通風供暖取代傳統循環水供暖的新型太陽能相變蓄熱暖風供暖系統(簡稱新型暖風系統)，以地面無水蓄熱替代傳統的水蓄熱和傳統熱泵系統，不僅無需額外對通道做保溫處理，還大大減少循環水的使用降低凍管的風險。

1 新型太陽能相變蓄熱暖風供暖系統

1.1 系統設計

新型太陽能相變蓄熱暖風供暖系統結構平面示意圖如圖1、圖2所示。系統包括風機、熱交換器、太陽能集熱器、保溫加熱水箱、相變蓄熱地暖及房間模擬裝置，依靠暖風將室內空氣和地板層中的相變材料進行加熱蓄熱。

圖1 系統平面原理圖

圖2 系統立面原理圖

1.2 系統運行

白天時，經太陽能集熱管加熱后的空氣進入填充有相變蓄熱材料的地下風道中，空氣中的熱量一部分沿地下風道吹向室內，由低到高對房間供暖同時送入新風；另一部分熱量通過直接對流或導熱片向相變蓄熱材料傳遞并存儲其中，如圖3所示。夜間停止熱風設備的運行時，如圖4所示，將由相變材料滿足房間負荷。

通過這種互補方式，新型暖風系統能夠更高效利用高原地區太陽能資源，實現全天低能耗供暖。

圖3 系統運行時(白天)熱量傳遞過程示意圖

圖4 系統停止運行(夜間)熱量傳遞過程示意圖

2 數值模擬分析與實測分析

2.1 熱風上下送對比數值分析

模擬空間長8m，高3.5m，所設參數如表1所示，a組為熱風上送，b組為熱風下送。

表1 數值分析預設參數

2.2 舒適度影響模擬

研究表明，室內空氣流動的紊動特性對人體熱舒適性影響很大。當室內氣流湍流特性接近自然環境時，人體熱舒適性更好[6]。

為驗證新型暖風系統的預熱速度及熱風下送對于房間舒適度的影響，對系統房間模型內溫度分布進行數值模擬。

考慮到青藏高原的低溫和較低空氣密度，修正輸入的各項參數：地板下方送風初始溫度為30℃，出口風速為3m/s，房間長寬高分別是6m，3.2m，3.2m。

2.3 模擬分析

由模擬結果可知，房間溫度在10min左右便達穩定，說明暖風供暖的預熱速度快、時間短。同時，相較于熱風下送模式，熱風上送模式在房間垂直方向上的高溫空氣主要分布于房間四周，中間的空氣溫度相對較低。

由此可見，采用熱風下送方式供暖預熱時間短，有利于改善房間垂直方向上的溫度分布，避免頭熱腳冷的問題，有利于提高人體舒適度。

3 實驗結果與分析

3.1 測試結果與數據分析

實驗分別對新型暖風供暖系統：填充相變蓄熱材料、填充水泥砂漿，普通地暖在同樣全新風供暖的條件下進行測試，當供暖時長滿足8h后關閉供暖系統，將采集的溫度數據擬合成曲線。

3.2 對比結果

根據各實測模擬裝置的溫度變化曲線可總結比對結果如表2所示。

表2 實驗數據比對結果

根據測試結果，新型暖風系統與傳統普通地暖裝置相比，室內空氣溫度與地板溫度差值減小70%，預熱時長減至1/2，彌補了傳統地暖預熱速度慢的缺陷。

總體上，新型暖風供暖系統相較于傳統地暖供暖系統優勢較明顯，新型暖風系統無需大量循環水作為熱載體，更容易維持水溫，有效避免因循環水結凍而導致循環受阻、甚至爆管的問題。

4 結 語

本文提出了一種新型太陽能相變蓄熱暖風供暖系統，該系統充分利用高原地區太陽能資源與相變蓄熱技術，以地下通道暖風取代傳統水循環供熱，實現目標房間的快速預熱與長時蓄熱目的，能源得到最大化利用。進一步對系統的下送風方式和三種不同供暖系統進行研究。模擬了下送風方式時房間內溫度分布，并測試整合三種供暖系統的溫度變化曲線。結果表明，新型太陽能相變蓄熱暖風供暖系統的下送風方式能夠很好改善房間內溫度分布，提高人體舒適度；相較于傳統普通地暖裝置，預熱時長縮短1/2，室內空氣溫度與地板溫度差值減小70%。本文提出的新型太陽能相變蓄熱暖風供暖系統將傳統能源及固體蓄熱技術有效結合，提高預熱速率；僅需少量水進行循環工作，有效避免高原地區因循環水結凍而導致循環受阻、甚至爆管的問題。