新型太阳能复合相变蓄能炕的性能研究

王慧 马秀琴 陈月 胡明月 朱琳

摘要 针对北方冬季燃煤供暖造成环境污染、能耗大等问题，结合太阳能供暖和相变材料的蓄热性能设计了一种膨胀珍珠岩-石蜡复合相变蓄能炕。太阳能供水温度分别取35 ℃、40 ℃和45 ℃时，通过与石蜡单一相变蓄能炕的炕面平均温度、热流密度、炕面升温速度、炕面降温速度和炕面温度不均度进行对比分析。结果表明：单一相变蓄能炕和复合相变蓄能炕的最佳供水温度分别为40 ℃和35 ℃，睡眠炕面平均温度为30.35 ℃和31.85 ℃，升温速度为1.13 ℃/h和1.23 ℃/h，降温速度为1.59 ℃/h和1.26 ℃/h，炕面温度不均度分别为1.81 ℃和1.07 ℃。复合相变蓄能炕较单一相变蓄能炕睡眠炕面平均温度高，升温速度快，导热性好，降温速度慢，炕面温度均匀，整体性能优于单一相变蓄能炕。此外，将供水温度35 ℃的复合相变蓄能炕与传统火炕进行对比，复合相变蓄能炕优势更明显，性能更佳。

关 键 词 太阳能供热;新型蓄能炕;复合相变材料;热性能分析;热舒适

中图分类号 TU111;TU882     文獻标志码 A

On the performance of a new type solar energy composite phase-change Kang

WANG Hui， MA Xiuqin， CHEN Yue， HU Mingyue， ZHU Lin

（School of Energy and Environmental Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract An expanded perlite-paraffin composite phase change materials （PCMs） energy storage Kang is designed based on the heat storage performance coupling with solar energy for heating and PCMs because of the environmental pollution and high energy consumption caused by coal-fired heating in  northern China. As solar water temperature reaches 35 ℃，40 ℃ and 45 ℃， respectively， comparisons of surface average temperature， heat flux， heating speed， cooling speed and Kang surface temperature variability are analyzed for the composite Kang and the mono-paraffin PCM energy storage Kang. The results show that for the mono-paraffin PCM energy storage and composite PCMs energy storage， the best water supply temperature is of 40 ℃ and  35 ℃， an average temperature of the Kang sleeping surface is of 30.35 ℃ and 31.85 ℃， heating speed is 1.13 ℃/h and 1.23 ℃/h， cooling speed is 1.59 ℃ / h and 1.26 ℃/ h， Kang uneven surface temperature is of 1.81 ℃ and 1.07 ℃， respectively; Compared with mono-paraffin PCM energy storage Kang， composite PCMs energy storage Kang has higher average temperature， faster heating speed， better thermal conductivity， slower cooling speed， uniform surface temperature and better overall performance. In addition， the comparison has been made between the traditional coal-fired Kang and composite PCM storage Kang in the condition of supply temperature 35 ℃. It is shown that the composite PCM storage Kang has more advantages obviously and the performance is better， too.

Key words solar heating; energy storage Kang; composite PCMs; thermal performance analysis; heating comfort

0 引言

在我国的北方农村地区，冬季供暖主要依靠的是燃烧煤、秸秆和天然气。这种传统的供暖方式，不仅消耗着不可再生能源，而且严重污染环境。可再生能源可以降低能耗和减少环境污染，因此，可再生能源的有效利用成为农村供暖的新型趋势[1]。太阳能作为典型的可再生能源，目前已有很多学者对此进行了研究，王博渊[2]将太阳能和水相结合，形成多能源耦合的供暖系统，改善和提高供热系统稳定性。杨林等[3]对太阳能与燃气互补的供热系统进行了实验研究。

由于相变材料在相变过程中会吸收和释放大量的热量，在航天、建筑、军事、通讯等很多领域都被广泛应用。在供热方面，相变材料的应用更为突出。唐晓磊[4]研究相变蓄热应用在低温地板辐射采暖中时，室内温度场更加均匀，热舒适性更高。王睿鑫[5]将相变蓄热与供热系统相结合，分析得出相变蓄热装置在供热时的最佳使用方式。王彩霞等[6]研究了中低温相变储热技术在供暖领域中的应用。Hassan等[7] 为了提高相变材料的性能，通过进行封装和加入纳米材料添加剂来增大相变材料的表面积。Sivasamy等[8]也将封装，增大表面积作为增强相变材料性能的有效方法。复合相变材料利用了多孔材料进行支撑，对单一相变材料进行吸附可以防止液漏，提高稳定性[9]，Dinker等[10]研究了各种蓄热材料及其复合材料及其应用，复合材料是强化换热很有效的方法。

然而，大多数的实验研究都更加侧重复合相变材料的性能，只有部分在研究复合相变材料的应用。在我国北方农村地区，火炕作为最常用的取暖设备，存在睡眠舒适性差、不安全等问题。本文从实际出发，结合太阳能供热和相变材料的蓄热性能，用膨胀珍珠岩对石蜡进行吸附材料制备复合相变材料，设计一种复合相变蓄能炕。通过与石蜡单一相变蓄能炕和传统火炕的炕面平均温度、热流密度、升温速度、降温速度和炕面温度不均度进行对比分析，对新型复合相变蓄能炕的性能进行深入研究。

1 实验系统及方案

1.1 实验系统

新型复合相变蓄能炕利用太阳能和具有蓄热性能相变炕进行冬季供暖，整个系统由槽式太阳能集热器、循环水箱、蓄能炕及相关管路组成。通过太阳能集热器对水进行加热，在水箱中进行循环，同时为避免实验过程中出现太阳光照不足，无法达到实验所需的供水温度，在水箱中安装电加热器，用于辅助加热，热水通过不锈钢盘管将热量传递给蓄能炕。整体结构系统如图1所示。

炕体外部为2.2 m×1.2 m×0.2 m的木质框架外壳;内部为2 m×1 m×0.1 m的不锈钢炕盒和蛇形不锈钢盘管，蛇形盘管的直径为10 mm，间距为50 mm;底部和四周铺设保温板将内部不锈钢炕盒与外界进行隔热;炕体上方盖有不锈钢板，与外部木质炕盒紧密贴实，形成封闭的炕体，同时起到一定的支撑作用。蓄能炕结构图如图2所示。

1.2 实验材料

由于石蜡具有很好的蓄热性能，无毒，无腐蚀性，价格低廉，应用广泛。本实验为在冬季给人体提供一个舒适的睡眠环境，考虑人体正常体温在36.3～37.2 ℃（口测法）[11]范围内，选用35#石蜡为蓄热材料，利用差示扫描量热法（DSC）对其性能进行了测定，融化起始温度为35.76 ℃、潜热值为212.30 J/g，凝固起始温度为34.02 ℃、潜热值为212.74 J/g，DSC测试如图3所示。

膨胀珍珠岩作为常见的多孔介质，化学性质稳定，无毒，来源广泛且价格低廉，具有很强的吸附性。本实验采用粒径3～4 mm的膨胀珍珠岩对石蜡进行吸附，制得膨胀珍珠岩-石蜡复合相变材料。对复合相变材料进行DSC测定，融化起始温度为35.11 ℃、潜热值为198.23 J/g，凝固起始温度为33.59 ℃、潜热值为195.75 J/g。復合相变材料的相变温度和石蜡的相变温度基本一致，潜热值虽有所降低，但仍与石蜡的潜热值相差不大。制备复合相变材料的方法有真空吸附法、真空浸渗法和直接浸泡法[12]。由于实验用量较大，采用直接浸泡法进行制备，用白乳胶进行封装[13]，防止加热过程中石蜡泄露。实验称取5 g膨胀珍珠岩进行吸附量测试，保持恒温水浴50 ℃对石蜡进行加热，在一定时间后取出吸附了石蜡的膨胀珍珠岩，晾干后称取重量，吸附后膨胀珍珠岩的质量随时间变化如图4所示。由图4可以看出，膨胀珍珠岩的质量在开始一段时间内迅速上升，到达饱和状态后质量基本保持不变。为了节约时间方便实验，结合实验测得的数据，最终选择3 h作为最佳的浸泡时间，此时膨胀珍珠岩的质量15.75 g约为吸附之前的3倍。

由于石蜡在相变的过程中有相态之间的转化，加热融化之后变为液体，液体流动性强，直接应用在蓄能炕上容易出现石蜡泄露的现象。复合相变材料利用膨胀珍珠岩进行吸附，石蜡的相变过程在膨胀珍珠岩的孔隙中进行，能一定程度上避免石蜡的泄露，但为了使蓄能炕系统更加安全，吸附好的复合相变材料应进一步进行封装。将没有进行封装的复合相变材料与进行封装后的复合相变材料放在滤纸上用红外灯照射30 min，可观察石蜡的渗漏情况。未经过封装的复合相变材料加热后仍会有石蜡渗出，经过封装之后的复合相变材料加热后无明显泄漏。复合相变材料相较石蜡相变材料应用在蓄能炕上，不仅可以避免实验过程中发生泄漏，而且复合相变材料一直以固态形式存在，可以增强炕体的支撑作用。

1.3 实验方案

实验分为3组，通过温控器控制供水温度分别为35 ℃、40 ℃、45 ℃，采用T型热电偶进行测温，并在实验进行之前对热电偶进行标定。按照《民用火炕性能试验方法》 （2009版）[14]中测点布置原则，炕面温度测点布置如图5所示。热流密度计计量炕面热量变化用于分析炕面散热情况。通过对蓄能床的炕面平均温度、热流密度、炕面平均升温速度、炕面平均降温速度、炕面温度不均度、热稳定阶段平均温度、睡眠阶段平均温度和平均热流密度进行分析，比较石蜡相变蓄能炕和复合相变蓄能炕的热工性能。

2 实验数据与分析

在我国北方地区，冬季太阳照射时间大概从早晨八点半到下午五点半，基于石蜡的蓄热性能，在升温阶段对石蜡加热，加热温度要超过石蜡的熔点温度，此时温度持续升高;当石蜡全部融化后进入热稳定阶段，此时的温度基本保持不变;进入降温阶段停止对石蜡的加热，此时石蜡的温度开始降低;达到凝固温度之后石蜡开始从液相变为固相，此时温度基本保持不变，进行恒温放热，从而在夜间为人体提供一个恒定的睡眠温度。故将炕面温度变化分为4个阶段，升温阶段、热稳定阶段、降温阶段和睡眠阶段，周期为24 h。具体分段如表1所示。

2.1 评价性能指标

根据《民用火炕性能试验方法》 （2009版）提出的火炕热性能指标，本实验从炕面平均温度、热流密度、炕面平均升温速度、炕面平均降温速度、炕面温度不均度5个方面对相变蓄能炕与复合相变蓄能炕的热性能进行对比分析。

1）炕面平均温度：炕面各测点温度的平均值，炕面温度适宜温度为24～35 ℃[12]。

2）热流密度：通过单位面积上的热量，反映炕体热量传递的情况。

3）炕面平均升温速度：炕体开始加热后炕面温度上升的速度。升温阶段为8：30—13：00，炕面平均升温速度可以体现相变材料的蓄热能力，升温速度越快相变材料的蓄热越快，更快的到达稳定状态。炕面平均升温速度计算公式如式（1）所示。

[φ=tT1km-tkm，0T1-T0]， （1）

式中：[φ]为炕面平均升温速度，℃/h;[tT1km] 为[T1]时刻炕面平均温度，℃;[tkm，0] 为炕面初始平均温度，℃;[T1-T0]为炕面升温阶段所经历的时间，[T1-T0]= 4.5 h。

4）炕面平均降温速度：炕体停止加热后温度下降的速度。降温阶段为17∶30—20∶30，炕面降温速度可以体现炕体的保温性能，降温速度越慢则保温性能越好。炕面平均降温速度计算公式如式（2）所示。

[?=tT2km-tT3kmT3-T2]， （2）

式中：[?]为炕面平均降温速度，℃/h;[tT2km]为[T2]时刻炕面平均温度，℃;[tT3km]为[T3]时刻炕面平均温度，℃;[T3-T2]为炕面降温阶段所经历的时间，[T3-T2]=2.5 h。

5）炕面温度不均度：表示炕面温度的不均匀性，炕面温度不均度越低则炕体的舒适性越高。炕面温度不均度计算公式如式（3）所示。

[Δtkm，i=i=1nΔtkm，in]， （3）

式中：[Δtkm，i]为炕面温度不均度，℃;[Δtkm，i]为升温阶段同一时刻炕面各测点的最大温差，℃;[n]为升温阶段的测温次数。

2.2 单一相变蓄能炕性能分析

供水温度分别为35 ℃、40 ℃、45 ℃，单一相变蓄能炕的炕面平均温度和热流密度如图6和图7所示。

由图6和图7可以看出单一相变蓄能炕的炕面平均温度和热流密度都经历了升温阶段，热稳定阶段，降温阶段和睡眠阶段。供水温度35 ℃、40 ℃、45 ℃，单一相变蓄能炕的热稳定阶段炕面平均温度分别为34.57 ℃、36.14 ℃、37.56 ℃;睡眠阶段炕面平均温度分别为29.41 ℃、30.35 ℃、31.41 ℃。实验过程中供水温度由温控器进行控制，在热稳定阶段，温度上下浮动，导致热流密度有一定的波动。供水温度为35 ℃、40 ℃、45 ℃时，单一相变蓄能炕热稳定阶段平均热流密度分别为16.93 W/m2、17.82 W/m2、20.19 W/m2;睡眠阶段平均热流密度分别为11.88 W/m2、12.64 W/m2、13.05 W/m2。供水温度越高，炕面平均温度越高，平均热流密度越大，可根据需要选择最合适的供水温度，温度過高不仅浪费能源，而且舒适度也会有一定的下降，可选择40 ℃作为单一相变蓄能炕的最佳供水温度，此时睡眠阶段平均温度为30.35 ℃满足舒适度要求。单一相变蓄能炕其他性能参数如表2所示。

2.3 复合相变蓄能炕性能分析

复合相变蓄能炕在供水温度分别为35 ℃、40 ℃、45 ℃时炕面平均温度和热流密度如图8和图9所示。

由图8和图9可以看出，复合相变蓄能炕的炕面平均温度和热流密度的变化趋势分为4个阶段， 8∶00—13∶30为升温阶段，相变材料因为加热温度升高;13∶30—17∶30为热稳定阶段，相变材料加热到完全融后温度保持不变;17∶30—20∶30为降温阶段，停止加热后温度开始下降;20∶30—次日8∶30为睡眠阶段，温度降到凝固点之后开始进行恒温放热。供水温度为35 ℃、40 ℃、45 ℃，热稳定阶段炕面平均温度分别为37.65 ℃、39.24 ℃、42.72 ℃;睡眠阶段炕面平均温度分别为31.85 ℃、33.45 ℃、34.53 ℃。供水温度为35 ℃、40 ℃、45 ℃，复合相变蓄能炕的热稳定阶段平均热流密度为16.87 W/m2、21.39 W/m2、23.81 W/m2;睡眠阶段平均热流密度分别为11.97 W/m2、13.24 W/m2、 14.71 W/m2。供水温度越高，炕面平均温度和热流密度值越高，升温速度越快，相变材料蓄能越多。复合相变蓄能炕其他性能参数如表3所示。供水温度35 ℃时睡眠阶段炕面平均温度在舒适度范围之内，炕面温度不均度低，可作为复合相变蓄能炕的最佳供水温度。

2.4 单一相变蓄能炕与复合相变蓄能炕性能对比分析

单一相变蓄能炕的最佳供水温度为40 ℃，复合相变蓄能炕的最佳供水温度为35 ℃。此时复合相变蓄能炕比单一相变蓄能炕热稳定阶段炕面平均温度高4.18%、睡眠阶段炕面平均温度高4.94%、热流密度相差不大、升温速度提高8.85%、降温速度降低26.19%、炕面温度不均度降低69.16%。炕面平均温度高，复合相变蓄能炕可以在更低的供水温度提高更多的热量;升温速度高于单一相变蓄能炕，说明复合相变材料导热性提高，热量可以更好的传递;降温速度低，复合相变蓄能炕的保温性能更好;复合相变蓄能炕的炕面温度不均度均低于单一相变蓄能炕，复合相变材料传热更加均匀，睡眠环境更加舒适。复合相变蓄能炕炕面平均温度高，升温速度快，降温速度较低，炕面不均度低，性能较单一相变蓄能炕有很大的提升。

2.5 复合相变蓄能炕与传统火炕性能对比分析

将供水温度35 ℃复合相变蓄能炕与传统火炕[15]升温阶段炕面平均温度、升温速度、降温速度、升温阶段炕面温度不均度进行对比，结果如表4所示。

由表4可以看出，复合相变蓄能炕升温阶段炕面平均温度比传统火炕高1.08 ℃，传统火炕升温速度比复合相变蓄能炕高0.77 ℃/h，降温速度高0.20 ℃/h，炕面温度不均度高达49.5 ℃。传统火炕依靠燃煤提供热量，在相同的时间会比太阳能提供的热量多，但是最终的炕面平均温度却没有复合相变蓄能炕高，充分说明能源的浪费，而且传统火炕炕面温度不均度高，睡眠环境不舒适。复合相变蓄能炕利用太阳能提供热量，满足睡眠温度要求且炕面温度不均度低，可以提供一个舒适的睡眠环境，因此整体性能优于传统火炕。

3 结论

通过3种供水温度35 ℃、40 ℃、45 ℃，对单一相变蓄能炕、复合相变蓄能炕和传统火炕性能进行对比分析，得出以下结论。

1）供水温度为35 ℃、40 ℃、45 ℃时，考虑到实际应用以及能源有效利用，40 ℃的单一相变蓄能炕的热稳定阶段炕面平均温度和热流密度分别为36.14 ℃和17.82W/m2，睡眠阶段炕面平均温度和热流密度分别为30.35 ℃和12.64 W/m2，升温速度为1.13 ℃/h，降温速度为1.59 ℃/h，炕面温度不均度为1.81 ℃，满足舒适度要求，为最佳供水温度。

2）供水温度为35 ℃、40 ℃、45 ℃时各性能指标均满足要求，从节能角度出发，35 ℃的复合相变蓄能炕热稳定阶段炕面平均温度和热流密度分别为37.65 ℃和16.87 W/m2，睡眠阶段炕面平均温度和热流密度分别为31.85 ℃和11.97 W/m2，升温速度为1.23 ℃/h，降温速度为1.26 ℃/h，炕面温度不均度为1.07 ℃，热量传递较快，导热性能好，炕面温度均匀，35 ℃可作为复合相变蓄能炕的最佳供水温度。

3）供水温度35 ℃时，复合相变蓄能炕与供水温度为40 ℃时单一相变蓄能炕的热流密度值相差不大，但是热稳定阶段和睡眠阶段的炕面平均温度分别高4.18%和4.94%，升温速度高8.85%，降温速度及炕面温度不均度分别低26.19%和69.16%。复合相变蓄能炕导热性更好，睡眠环境更加舒适，整体性能更佳。

4）供水温度35 ℃时，复合相变蓄能炕比传统火炕炕面平均温度高，炕面温度不均度低，利用太阳能的复合相变蓄能炕不仅节约能源，保护环境，而且为北方农村冬季供暖提供了一种更安全、更舒适的方案。

综上所述，复合相变蓄能炕可以提高人体睡眠舒适度，能源利用率高，保护环境节约资源，可作为北方农村冬季的新型供暖方案。

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