固體蓄熱電供暖裝置的結構優化

1 概述

近年來，隨著對環境保護的重視以及居民用電量時間分布不均勻問題凸顯，國家先后出臺了煤改電、峰谷電價等一系列政策，為固體蓄熱電供暖技術的利用提供了條件

。

目前，各國學者對固體蓄熱電供暖技術進行了一定研究。在固體蓄熱材料的選擇、優化、熱物性參數等方面，已經進行了研究

。在運行參數和運行經濟性方面也進行了研究，并提出了一些運行優化策略

。

本文以實際固體蓄熱電供暖裝置為研究對象，實測出風口溫度、頂面溫度、前表面溫度、后表面溫度。對實測結果進行分析，查找實測最高溫度高于JG/T 236—2008《電采暖散熱器》限值的位置。采用模擬方法，通過優化結構，使各位置最高溫度符合限值要求。

2 測試內容

2.1 研究對象

被測固體蓄熱電供暖裝置的長度為1 000 mm，高度為800 mm，厚度為205 mm，額定加熱功率為1 600 W。測試地點為哈爾濱某房間，房間東西朝向，房間長×寬×高為3 m×4 m×3 m。測試期間，房間內無其他冷熱源。測試時間為2020年11月10—11日，晴天，室外溫度為-5～8 ℃，相對濕度為63%。

固體蓄熱電供暖裝置通過兩種途徑提高室內溫度：一種是高溫外壁面與室內空氣進行對流傳熱以及與室內物體進行輻射傳熱。另一種是經固體蓄熱電供暖裝置加熱的空氣由出風口進入室內，加熱室內空氣。

2.4 職業球探 英國大多數職業俱樂部都具有職業球探，一般來說英超級別足球俱樂部會有一個專門的球探部門，其中首席球探（Chief Scout）或者足球總監（Football Director）總負責，在國內包括海外一些地方設立球探站，或是簽約兼職球探負責該地區工作，和一些有合作關系的俱樂部之間也會交換球員信息，從而建立起復雜完善的球探網絡。

固體蓄熱電供暖裝置外形見圖1。縱向截面結構與尺寸見圖2，圖2中的數值對應的單位為mm。被測固體蓄熱電供暖裝置僅有前出風口，圖2中的上出風口在固體蓄熱電供暖裝置結構優化中涉及。固體蓄熱電供暖裝置主要由蓄熱通道、加熱體、蓄熱磚、保溫棉及外殼組成。蓄熱通道寬10 mm，蓄熱通道前后蓄熱磚的厚度均為50 mm。前出風口、上出風口的寬度均為60 mm，前出風口靠近頂面設置，上出風口位于頂面居中位置。

2.2 測試內容與結果

測試對象為固體蓄熱電供暖裝置溫度、室內空氣溫度。固體蓄熱電供暖裝置溫度包括出風口溫度、頂面溫度、前表面溫度、后表面溫度。室內空氣溫度測量0.8、1.6 m高度的空氣平均溫度，每個高度分別均勻布置4個測點。

在10日23:00打開固體蓄熱電供暖裝置的電加熱開關，進入蓄放熱階段。在11日7:00關閉電加熱開關，進入單純放熱階段。在11日23:00導出數據，測試結束。

④ 網格劃分的無關性驗證

② 風口數量

3 數值模型及求解

綜合考慮出風口溫度、頂面溫度、前表面溫度、后表面溫度的變化，頂部保溫棉厚度、前保溫棉厚度宜分別選取50、45 mm。

固體蓄熱電供暖裝置在縱向截面上的結構分布沒有變化，為提高模擬效率，將固體蓄熱電供暖裝置簡化為二維模型(見圖2a)。由于實測過程中室內溫度變化幅度相對固體蓄熱電供暖裝置溫度變化幅度很小，為進一步簡化模擬，室內溫度設定為18 ℃。

③ 初始、邊界條件

② 數學模型及方程

采用ANSYS中的Fluent模塊進行數值模擬。固體蓄熱電供暖裝置中空氣的基本控制方程由連續性方程、動量方程和能量方程組成的方程組構成

。由于空氣受熱后在蓄熱通道中形成自然對流，涉及空氣密度的改變，因此應用Incompressible Ideal Gas假設實現模擬要求。空氣的湍流模型選用RNG

-

模型

，離散格式選擇二階格式，求解器選用PISO算法

。蓄熱磚、保溫棉等固相區域以導熱為主

。

為了有效解決上述問題，該公司借助信息化、智能化、大數據分析等技術，建立質量流量計遠程智能診斷系統(MMS)，完善質量流量計采集參數，實現所有儀表剛性、驅動增益、線圈電壓、活零點等影響計量準確性的220個關鍵參數在線實時智能診斷，系統能夠監測到零漂、氣化、報警等深層的關鍵異常信息，建立起質量流量計全生命周期運行監測管理檔案，通過深化應用，取得了良好效果。

1.校內實踐教學真實程度缺失。高職院校財經專業的專業技能性強，核算方式方法繁多，有幾十種的核算和管理方式方法，要求學生實際動手能力程度很高，比如現在所有的高職院校財經專業都開基礎會計課，由于現在教材大都與實際情況相脫離，如果不通過真實的業務崗位實踐，就不可能真正掌握這些財務會計核算和管理的專業技能。現在高職院校財經專業建立的校內實習基地（實訓室）多為一些軟件公司，只是介紹軟件操作之類的所謂仿真實習。高職院校財經專業學生在校內進行的所謂“實踐教學”，很多都沒有提供真實的主要的或全面的實踐崗位，充其量也只是一些次要的核算，如財務會計的應收帳款或應付帳款的業務等。實踐教學的真實程度缺失。

對固體蓄熱電供暖裝置的簡化設定為：各部分結構連續且均勻。蓄熱磚和保溫棉的物性參數為常量(見表2)，與溫度無關。忽略加熱體與蓄熱磚以及蓄熱磚與保溫棉之間的接觸熱阻。忽略外殼的熱阻。將物理模型導入ANSYS的SpaceClaim模塊中，進行塊的定義，以便下一步的模擬工作。

從表5和表6可以看出，微波加熱預處理后錫石多金屬硫化礦的可磨度為Grpi=1.467 g/r，而未經微波處理的可磨度為Grpi=1.327 g/r，說明礦石經微波加熱預處理后其可磨度得到了提高。

將實測固體蓄熱電供暖裝置作為原型裝置。保溫棉厚度優化裝置1的頂部保溫棉厚度、前保溫棉厚度分別取50、45 mm。保溫棉厚度優化裝置2的頂部保溫棉厚度、前保溫棉厚度分別取60、45 mm。原型裝置、保溫棉厚度優化裝置1、保溫棉厚度優化裝置2的出風口溫度、頂面溫度、前表面溫度、后表面溫度隨時間的變化分別見圖5～8。

高度0.8、1.6 m的空氣平均溫度隨時間的變化見圖3。由圖3可知，在測試期內，室內空氣溫度在合理區間變化，說明固體蓄熱電供暖裝置可滿足室內溫度要求。出風口溫度及各表面溫度隨時間的變化見圖4。由圖4可知，在測試期內，出風口溫度及各表面溫度均隨電加熱開關的啟閉先快速上升，然后緩慢下降。

無關性驗證結果表明，在網格數大于120 000后，各項參數基本保持不變。說明網格數120 000足以滿足無關性且保證一定的計算效率。

4 優化分析與結果

4.1 優化分析

保溫棉厚度和出風口數量均對固體蓄熱電供暖裝置的傳熱性能有重要影響

。因此，筆者結合模擬結果，優化保溫棉厚度和出風口數量。

① 保溫棉厚度

為了進一步鞏固當前耕地總量保持相對平衡，對土地用地結構進行合理規劃，牢牢把控城鎮建設用地外擴十分必要，否則難以達到對土地的科學管理目的。對于當地政府不能簡單的采用開發管理耕地的方式來彌補城鎮化建設對于土地的占用，同時也需要運用多種手段保證耕地面積。一方面需要保護當前耕地，另一方面則面臨不斷加快的城鎮化建設需要，對土地進行整理規劃可以在不增加土地面積的前提下滿足對土地的利用需求，可以有效實現建設用地的控制，因此一定程度上符合用地需求，積極推行建設用地整理是目前較為成熟的方式之一。

室內溫度設定為18 ℃，空氣初始條件為靜止。進風口為壓力進口，出風口為壓力出口。固體蓄熱電供暖裝置的頂面、底面、前表面、后表面的綜合傳熱系數(考慮對流傳熱與輻射傳熱)為9 W/(m

·K)。加熱體加熱功率為1 600 W。運行方式與測試期相同。

由圖7可知，適當增大前保溫棉厚度，可較大幅度降低前表面溫度。由圖5、6可知，前保溫棉厚度一定時，隨著頂部保溫棉厚度增大，頂面溫度及出風口溫度升高。主要原因是：對于原型裝置，前保溫棉厚度比較小，適當增大前保溫棉厚度，能明顯降低前表面溫度。這也提高了固體蓄熱電供暖裝置隔熱性能，使蓄熱磚溫度升高，蓄熱通道出口空氣溫度升高，進而導致頂面溫度及出風口溫度升高。由圖8可知，增大頂部保溫棉與前保溫棉厚度，對降低后表面溫度的作用并不明顯。

① 物理模型

JG/T 236—2008《電采暖散熱器》第5.3.2條規定：“電供暖散熱器在正常工作時，可接觸部分的表面溫度不應大于95 ℃；如果有格柵，格柵溫度不應大于115 ℃。”固體蓄熱電供暖裝置各位置實測最高溫度與JG/T 236—2008的限值見表1。由表1可知，出風口溫度超標，存在安全隱患。頂面和前表面溫度雖未超出限值，但仍然存在一定安全隱患。因此，降低出風口溫度、頂表面溫度和前表面溫度成為主要目標。

厚萼凌霄種子的萌發情況可以通過它的各項生理指標（發芽率、發芽勢、發芽指數、簡化活力指數）反映出來[10]。

1.規范管理。礦山企業要建立礦山規范開采、環境保護、安全生產目標責任制，嚴格實施礦山環境保護和安全生產“三同時”制度，確保責任到位、措施到位和投入到位。要建立健全各項管理制度，完善規章制度。企業各類報表齊全，臺賬、檔案資料完整。

仍將實測固體蓄熱電供暖裝置作為原型裝置，保溫棉厚度與實測固體蓄熱電供暖裝置一致。出風口優化裝置設置上出風口、前出風口。原型裝置、出風口優化裝置的出風口溫度、頂面溫度、前表面溫度、后表面溫度隨時間的變化分別見圖9～12。由圖9～12可知，設置上出風口、前出風口可降低出風口溫度、頂面溫度、前表面溫度，對降低后表面溫度的作用不明顯。

4.2 優化結果

根據上述優化分析，結構參數優化結果：頂部保溫棉厚度50 mm，前保溫棉厚度45 mm，設置上出風口、前出風口。

5 結論

① 由測試結果可知：出風口溫度超標，存在安全隱患。頂面和前表面溫度雖未超出標準限值，但仍然存在著一定安全隱患。

② 由模擬結果可知：適當增大前保溫棉厚度，可較大幅度降低前表面溫度。前保溫棉厚度一定時，隨著頂部保溫棉厚度增大，頂面溫度及出風口溫度升高。增大頂部保溫棉與前保溫棉厚度，對降低后表面溫度的作用并不明顯。設置上出風口、前出風口可降低出風口溫度、頂面溫度、前表面溫度，對降低后表面溫度的作用并不明顯。

(四)傳統的政府與企業合作中，政府始終是站在主導地位上，而企業只能聽從政府的安排，進行一些小的管理，但是PPP融資模式與傳統模式不同，在這種模式下，政府與企業進行合作之后，政府與企業之間的地位是平等的，不存在誰主導誰的問題，能使傳統觀念得到極大的改善，并且有利于政府與企業的長久合作。

③ 結構參數優化結果：頂部保溫棉厚度50 mm，前保溫棉厚度45 mm，設置上出風口、前出風口。

[1] 陸啟亮，陸王琳，陳偉，等. 固體電蓄熱技術在清潔供暖中的應用及其經濟性分析[J]. 電力科技與環保，2019(5)：52-56.

[2] LAING D，STEINMANN W D，TAMME R，et al. Solid media thermal storage for parabolic trough power plants[J]. Solar Energy，2006(10)：1283-1289.

[3] KHARE S，DEL A M，KNIGHT C，et al. Selection of materials for high temperature sensible energy storage[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells，2013，115：114-122.

[4] MAWIRE A，MCPHERSON M，HRRTKAMP R R J，et al. Simulated performance of storage materials for pebble bed thermal energy storage(TES) systems[J]. Applied Energy，2009(7)：1246-1252.

[5] 楊志剛. 高溫顯熱蓄熱式電暖氣的研制及其傳熱性能研究(碩士學位論文)[D]. 北京：北京工業大學，2005：29-51.

[6] 韋成國. 蓄熱式電加熱裝置研制及經濟運行分析(碩士學位論文)[D]. 重慶：重慶大學，2004：24-41.

[7] 岳云力，訾振寧，李順昕，等. 電蓄熱技術在張家口清潔供熱領域的適用性研究[J]. 中國電力，2018(8)：112-116.

[8] 徐德璽. 固體電蓄熱裝置的熱力學有限元分析(碩士學位論文)[D]. 合肥：合肥工業大學，2017：16-30.

[9] 帕坦卡 S V. 傳熱與流體流動的數值計算[M]. 張政，譯. 北京：科學出版社，1984：130-156.

[10] 陶文銓. 數值傳熱學[M]. 西安：西安交通大學出版社，1998：263-298.

[11] 龍康. 固體蓄熱電采暖裝置傳熱特性實驗與模擬研究(碩士學位論文)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2021：19-21.

[12] 廖晉. 固體電蓄熱裝置的傳熱特性研究(碩士學位論文)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014：24-46.