基于可再生能源的相變蓄能新風預處理系統的實驗研究

羅怡琳 許鴻翔 王 勇

（重慶大學土木工程學院 重慶 400045）

0 引言

隨著人們生活水平的提高和空調的廣泛應用，能源消耗也隨之增加。高能耗帶來的環境污染與傳統能源的消耗殆盡已經成為全球密切關注的話題。一直以來人們對室內的空氣品質有著較高的要求，增大新風量是消除室內空氣污染、保持室內空氣品質最直接有效的方法[1]。在建筑空調總能耗中，新風能耗約占30%以上，增大新風量的同時也會導致新風能耗的增加，而目前大多使用高品位的空調冷熱水處理新風負荷，新風處理能耗很高[2,3]。

為了降低新風處理的能耗，通常采用排風熱回收、土壤新風換熱系統以及太陽能新風預熱系統。排風熱回收是通過回收排風的能量來對新風進行預熱和預冷，根據熱回收方式的不同，分為顯熱熱回收和全熱熱回收，前者僅能回收排風中的顯熱，后者能夠回收排風的顯熱和潛熱。鄔佳佳等[4]針對上海地區采用熱回收裝置進行了節能量的分析，并對顯熱回收和全熱回收的節能量進行了比較，結果表明，使用熱回收裝置回收的能量很可觀，而相比顯熱回收裝置來看，采用全熱回收裝置的節能效果更加明顯，但是許多建筑受空間限制無法設置排風系統，而對于密閉性較差的建筑來說，排風難以收集，所以，排風熱回收的方法會受到排風量和位置的限制，在許多建筑中難以應用。土壤新風換熱系統是利用淺層地表土壤中所蘊藏的能量來對新風進行預熱或預冷的系統[5]。呂偉華等[6]提出了一種利用淺表層地熱能的新風預處理系統，并對其節能潛力進行了研究，結果表明，與傳統的采用高品位的空調冷熱水對新風進行處理的方式相比，處理相同的新風負荷，節能率為59.8%～72.9%，但這種方式所需的初投資較高。太陽能新風預熱系統目前多用于太陽能豐富的嚴寒高原地區。馬文生等[7]驗證了太陽能與新風預熱耦合供熱系統在嚴寒地區近零能耗建筑中的應用效果，測試結果表明，在嚴寒地區近零能耗建筑中，通過采用補充熱源加熱，太陽能與新風預熱耦合供熱系統可有效維持室內熱環境穩定性，太陽能保證率至少可達31%以上，但對于太陽能貧乏地區，例如四川、重慶，l、2、10～12月份太陽月總輻射為80～200MJ/m2，冬季太陽輻射強度低，不利于太陽能技術的應用[8]。因此，如何實現低輻射太陽能的利用是目前最大化利用可再生資源的有效方向。

太陽能因受到多種因素的綜合影響，存在保證率較低、能量密度較低等缺點，難以保證對其利用的穩定性和持續性[9]。既有的研究表明，大量學者集中在利用高輻射太陽能滿足末端需求的基礎上進行相變材料的蓄能研究，保證太陽能利用的穩定性，實現冬季太陽能熱利用的時空轉移[10-13]，同時夏季晴朗的夜間利用夜空輻射裝置與太空進行輻射換熱的高效清潔被動式制冷方式的研究也得到了大量成果[14-17]，而如何有效地將低輻射太陽能與夜空自然冷源結合來實現蓄能的研究則相對較少。

基于以上研究現狀和最大化利用可再生資源的思路，提出了一種將低輻射太陽能、夜空冷輻射以及相變蓄能三者聯合用于新風預處理的裝置，通過合理設計裝置結構，選擇合適熔點、凝固點的相變材料，完成了新風的預處理過程，并且有效利用了天然冷熱源，降低了利用高品位空調冷熱水處理的新風負荷，實現新風負荷的分級處理，從而實現環控系統的節能。

1 新風預處理系統介紹

1.1 系統原理

如圖1 所示，與傳統空調系統相比，該系統在原有的新風機組前放置相變蓄能器，該裝置使用低溫相變材料作為儲存和釋放能量的媒介，在夏季晴朗的夜晚利用夜空冷輻射將冷量儲存在相變材料中，在白天將這部分冷量釋放出來預冷新風；在冬季白天利用低輻射太陽能并將熱量儲存在相變材料中，在夜晚將熱量釋放出來預熱新風。室外空氣先經過相變蓄能器進行預處理，若經過預處理之后新風已達到送風溫度，可以通過旁通管直接送入室內，若沒有達到，需送入新風機進一步處理再送入室內。

圖1 新風預處理系統的原理圖Fig.1 Schematic diagram of fresh air pretreatment system

1.2 相變蓄能器結構參數

如圖2 所示，相變蓄能裝置主要包括水換熱器、空氣換熱器、外殼以及單元里填充的相變材料，具體尺寸如表1 所示。水換熱器由一根螺旋銅管組成，空氣換熱器由9 根鋁管構成，外殼由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料制成，殼體頂部設有一個灌裝口，用于相變材料的填充，底部設有一個排泄口，用于排出雜物或液態相變材料，避免相態變化時出現溢流，殼體外部包裹聚苯乙烯泡沫保溫層，以減少熱量的損失。

圖2 相變蓄能單元的原型Fig.2 Image of the TESU prototype

表1 相變蓄能器尺寸參數Table 1 Geometrical parameters of the TESU

該裝置共布置了41 個測點，分別測試石蠟、水、空氣的溫度變化情況，本文主要研究蓄熱過程中石蠟的溫度變化和釋熱過程中空氣的溫度變化，因此選擇如圖3 所示的10 個測點，其中圓形測點用來測定空氣的溫度，放置于裝置中心的風管之中，方形測點用來測定石蠟的溫度，放置于中心風管上方10mm 的位置。

圖3 T 型熱電偶測點布置圖Fig.3 T-thermocouple layout of measuring points

1.3 實驗臺介紹

該實驗臺由電熱水箱、循環水泵、離心風機、相變蓄能單元、流量計、熱電偶、變壓器、巡檢儀組成，在實驗臺的搭建中，用電熱水箱來代替太陽能集熱器，實物裝置如圖4 所示，各實驗設備的參數和功能如表2 所總結。

表2 各實驗設備的參數和功能Table 2 Parameters and functions of the experimental equipment

圖4 實驗臺裝置實物圖Fig.4 Photographs of the experimental apparatus

1.4 相變材料選取

不同的相變材料具有不同的性質，相變材料的特性是影響蓄能系統蓄熱/釋熱效果的重要參數。因此相變蓄能系統中的相變材料必須根據不同的應用情況進行選擇。通常相變材料應具有以下特性：高導熱系數、高相變潛熱、無腐蝕性、體積變化小、無毒性、不易燃、無過冷、成本低等[14]。

現有相變材料很難滿足所有指標特性，因此選擇相變材料應該考慮應用對象的主要影響指標。由于此裝置主要針對太陽能貧乏地區的低輻射太陽能以及夜空冷輻射能的利用問題，根據文獻[15]中太陽能集熱器的出口溫度的計算公式，以重慶市為例，通過計算可得冬季太陽能集熱器的平均出水溫度為34℃，由文獻[13]可知，重慶地區夏季夜空冷輻射器的平均出水溫度為19℃，因此選取低溫相變材料——石蠟作為蓄熱材料，裝置共填充石蠟22.5kg。使用差式掃描量熱儀測定了石蠟的相變溫度、潛熱和比熱容等參數，相變材料的融化凝固DSC 曲線如圖5 所示，主要物性參數如表3 所示。

圖5 相變材料融化凝固的DSC 曲線Fig.5 DSC melting and solidification curve of the PCM

表3 相變材料熱物理特性參數Table 3 Thermophysical properties of the PCM

2 實驗設計及數據分析

2.1 實驗運行設計

蓄熱實驗在冬季白天室溫為10℃的情況下進行，通過電熱水箱將水加熱至34℃后通過水泵進行循環將熱量儲存于石蠟中，水流量為0.15m3/h，采用34℃的進水溫度來匹配重慶地區太陽能集熱器的平均出口溫度。釋熱實驗在冬季夜晚室外空氣溫度為8℃的情況下進行，通過風機將室外冷空氣送入蓄能裝置中進行預熱，空氣流量為60m3/h。蓄熱和釋熱實驗分別在相同的工況下進行了兩組。

2.2 實驗數據分析

通過巡檢儀記錄數據，將數據進行匯總處理可以得到相變蓄能單元中石蠟的溫度變化和室外空氣通過相變蓄能器前后的溫度變化。

2.2.1 石蠟相態變化分析

裝置進出口的測點靠近門窗，受環境的影響波動較大，因此在5 個測點中選擇了裝置中間的3 個。從圖6 可以看出：在進水溫度為34℃的情況下，石蠟溫度由18℃升至30℃，相態由固態變為液態，在6 個小時內完成蓄熱過程。在實驗開始時裝置進口處石蠟溫度最高，出口處石蠟溫度最低，但溫度相差很小，在實驗過程中依舊保持這種趨勢，在實驗最后蓄熱完成趨于穩定一致。由圖6 還可以看出：在前2h，溫度曲線的斜率較小，在2～5h，斜率增大，5h 后斜率逐漸趨于零，這是由于實驗開始時裝置中為固態石蠟，換熱過程只有導熱換熱，隨著石蠟的融化，導熱換熱和對流換熱同時進行加快了蓄熱過程，最后蓄熱完成時裝置內部石蠟換熱均勻，溫度趨于一致。

圖6 相變蓄能單元中部石蠟軸向溫度變化圖Fig.6 Axial temperature variation diagram of paraffin in the middle of the TESU

2.2.2 空氣溫度變化分析

從圖7 可以看出：在釋熱實驗中，當新風入口溫度為8℃時，經過裝置預處理后，空氣進出口最大溫差為11℃，平均出口溫度為14℃，平均升溫6℃。由圖7 還可以看出：在實驗開始時，曲線斜率最大，不同截面的溫差最大，之后斜率和溫差都逐漸減小，最后趨于穩定，這是由于最開始裝置內液態石蠟與空氣的溫差最大，隨著石蠟開始凝固，溫度逐漸降低，換熱速率隨之下降，熱量釋放完后換熱過程結束。

圖7 中心風管內部軸向溫度變化圖Fig.7 Axial temperature variation diagram of thecentral duct

由上可知，用34℃低溫熱水即可完成蓄熱過程，利用石蠟的相變儲存這部分熱量，在釋熱過程中可使室外新風平均升溫6℃，若此時的新風溫度已達到送風溫度，則可以直接送入室內，若沒有達到，則需送入新風機進一步處理，而且整個釋熱過程持續時間約為10h，能充分保證整個夜晚的熱量需求。

3 相變蓄能器經濟性分析

3.1 評價指標

冬季在預熱過程中，已知空氣進出口溫度以及空氣流速可得出空氣在某一時刻的得熱量，計算見式（1）。

式中：q1為某一時刻空氣的得熱量，kJ；為空氣的質量流量，kg/h；cair為空氣的比熱容，kJ/（kg·K）；Tair2為空氣出口溫度，℃；Tair1為空氣進口溫度，℃。

則空氣的總得熱量為Q1，計算見式（2）。

式中：Q1為預熱過程空氣的得熱量，kJ；其他參數含義同上。

在夏季預冷過程中，空氣的總失熱量為Q2，計算見式（3）。

式中：Q2為預冷過程空氣的失熱量，kJ；其他參數含義同上。

在該新風預處理系統中，水換熱器循環水泵的功率計算見式（4）。

式中：WP為循環水泵的功率，kW；ρ為水的密度，取值1000kg/m3；GW為水的流量，m3/s；HP為輻射板到水換熱器的循環阻力，取值15kPa；ηW表示水泵的效率，取值0.65。

該新風系統由于增加了預處理裝置使得風機能耗增大，由此造成的送風機附加功率計算見式（5）。

式中：W F為送風機的功率，W；V F為風機所輸送的風量，m3/h；PF為相變蓄能單元以及送風管路的風阻，取值7kPa；η F表示風機的效率，取值0.65。

利用相變蓄能單元的新風預處理系統的總能耗E1計算見式（6）。

采用傳統空調系統處理同樣的換熱量時，系統的能耗E0計算見式（7）。

式中：Q為新風負荷，kJ；EER為傳統空調系統的平均能效，制熱時取值為3.0，制冷時取值為3.6[16]；其他參數含義同前。

利用相變蓄能單元進行新風預處理系統的能耗相對于采用傳統空調系統進行新風處理的能耗，其節能率η計算見式（8）。

3.2 節能潛力預測

以重慶市一個風量為1200m3/h 的新風系統為例進行研究，計算采用重慶地區供熱時間從11月15日～次年2月15日，供冷時間從6月1日～9月31日，即冬季空調使用天數為90 天，每天使用時間為8 小時，根據文獻[17]，從11月至次年2月，只有11月和2月的太陽輻射在150 ～200MJ/m2，裝置可投入使用，12月和1月的太陽輻射均低于100MJ/m2，因此冬季取35%的保證率。夏季空調使用天數為120 天，每天使用時間為8h，根據文獻[13]，從6月至9月，只有6月和9月的夜空輻射器出水溫度約為19℃，滿足裝置的使用條件，7月和8月的出水溫度為23℃，因此夏季取50%的保證率。一個相變蓄能單元所處理的風量為60m3/h，則共需20 個相變蓄能單元。

利用該裝置的新風預處理系統節電量計算見式（9）。

式中：D為節電量，其中D1為冬季節電量，D2為夏季節電量，kWh；Q為新風預處理節能量，Q1為冬季新風預熱節能量，Q2為夏季新風預冷節能量，MJ/h；d為空調運行天數，d1為冬季運行天數，d2為夏季運行天數；t為每天空調使用時間，h；EER為空調系統平均能效，EER1為冬季空調系統能效，EER2夏季空調系統能效；φ為保證率，其中1φ為冬季的保證率，取35%，2φ為夏季的保證率，取50%。

通過計算可得，針對一個蓄能單元，在預熱過程中，節能量為4.2MJ/h，在預冷過程中，節能量為3.8MJ/h，冬季運行節電量為100kWh，夏季運行節電量為140kWh。因此針對整個新風量為1200m3/h 的系統，全年運行節能量為160MJ/h，節電量為4800kWh，節能率為69.9%。

3.3 回收周期

重慶市電價表如表4 所示。

表4 重慶市電價表Table 4 Electricity price table of Chongqing

該建筑用電屬于商業用電，故按電費0.826 元/度計算，按照每年節電量為4800kWh 計算，則該系統每年節能收益為4000 元。一個相變蓄能單元的生產成本如表5 所示，該系統共有20 個。

表5 裝置的生產成本Table 5 The production cost of the TESU

計算得回收周期為10年，隨著工業化標準的批量生產，成本將進一步降低，并且在冬夏季冷熱輻射豐富的地區會有較高的太陽能和夜空輻射保證率，因此回收期會相應降低，將少于10年。

4 總結

本文針對目前完全采用高品位的空調冷熱水進行新風處理的方式存在耗能大，系統能效低的問題，提出基于可再生能源的相變蓄能新風預處理系統，有效地利用了低輻射太陽能和夜空冷輻射，并以重慶地區的氣象條件為例，在冬季通過蓄熱和釋熱實驗測得：當通入34℃低溫熱水時，蓄能裝置能在6h 內完成蓄熱過程；當室外空氣為8℃時，經過裝置預熱后平均溫升為6℃，整個過程可持續約10h。

最后分析了該新風預處理系統的節能效果：在合理的設計和運行條件下，該系統與傳統的采用高品位的空調冷熱水對新風進行處理的方式相比，處理相同的新風負荷，節能率約為69.9%，在重慶地區新風量為1200m3/h 的新風系統中，年節電量可達4800kWh，處理1m3/h 的新風年節電量約4kWh。