太阳能热风相变蓄热采暖系统实验研究

阚荣强，李隆键，崔文智，侯 宇，冯 雅

(1.重庆大学 能源与动力工程学院， 重庆 400044; 2.中国建筑西南建筑设计研究院有限公司， 成都 610041)

建筑能耗约占全球能源消耗的1/3。因此，促进建筑行业能源消费结构的转型，提高建筑行业能源利用效率对于节能环保、提升人们居住水平意义重大。

在气候寒冷地区，如中国的川西及青藏高原，气温较低，昼夜温差较大，采暖能源仍以煤炭和电力为主，建筑采暖能耗较高。而这些地区太阳能资源常常较为丰富，施行太阳能供暖对于节约电力、保护环境具有重要意义[2]。

太阳能具有间歇性，其能量分布与建筑采暖负荷之间存在时序上的不匹配，采用储能技术可以很好地解决这一矛盾[3]。热能储存可分为显热储存和潜热储存[4]。其中相变潜热储存利用物质相变来储存热量，具有储热量大、体积小、相变过程温度保持不变、蓄放热性能稳定等特性，被认为是较为理想的储热方式。本文设计制作了一种分体式、质量轻、结构紧凑的太阳能热风相变蓄热板，并在川西高原某游客服务中心进行安装测试，研究该相变蓄热板的蓄放热特性以及相应太阳能热风相变蓄热采暖系统的性能。

1 相变蓄热板及实验系统

1.1 相变蓄热板

许多学者对蓄热装置的形式进行了研究，其中一些将蓄热装置直接作为建筑的维护结构，如地板[5]、墙体[6-8]、天花板[9-10]等。这种蓄热形式需在新建建筑上使用，对既有建筑改造实施困难，并且可能影响建筑围护结构强度。另一些研究者将蓄热装置与建筑维护结构完全分离，做成独立的蓄热结构，如箱体[11]、套管[12-13]、螺旋套管[14-15]等，然后通过强制通风与室内进行换热。这种结构会占用建筑使用空间，夜晚风机运行不仅耗能而且会产生噪音。

本文设计了一种热风相变蓄热板，如图1所示，相变蓄热板由壳体、集风箱、矩形风管、接口、固定支架组成。考虑到与相变材料的相容性，蓄热板通体采用铝材[16,17]。蓄热板外形尺寸为570 mm×400 mm×40 mm，灌装相变材料后总质量为8.8 kg，每块蓄热板可以灌装5.6 kg相变材料。每块蓄热板中含有40根16 mm×2 mm的矩形风管。蓄热板为进出风口异侧布置，保证热空气可以均匀流过相变蓄热板。与其他蓄热形式相比，本文设计的蓄热板换热面积大，蓄放热迅速，便于安装，可根据需求灵活控制使用数量及其安装形式。

图1 相变蓄热板结构示意图

1.2 相变材料

在民用或商用建筑中供冷和采暖相变温度利用范围为18～40 ℃[18]。在该温度范围内的相变材料中二元复合有机酸以其热稳定性好、无过冷结晶现象、相变温度可调、与容器的相容性较好以及相变潜热高等优点被广泛使用[19]。本文选用摩尔质量比为51∶49的癸酸-月桂酸二元复合材料作为相变蓄热材料。相变材料性质如表1所示。经DSC测试相变材料的相变温度为25 ℃，相变焓为160.4 kJ/kg。

表1 相变材料的性质

1.3 实验系统与测试方法

实验地点位于四川省康定县江巴村。该地海拔3 800 m，年平均温度-10 ℃，属高寒地区。太阳能资源丰富，冬季日照时数758 h，最冷月日照率高达78%，适合太阳能采暖的应用。实验房间为江巴村游客服务中心，房间结构示意图如图2所示。该房间为被动式太阳房，具有保温良好的维护结构。选取中间客房为实验房，相邻房间为参照房，房间面积均为15 m2。

图2 实验房结构示意图

实验系统由3部分构成：集热系统、空气输配系统、蓄热-供暖系统，如图3所示。空气经太阳能平板集热器加热后进入蓄热板内放热，蓄热板回风经风机送入太阳能集热器形成闭环系统。3块太阳能平板集热器并联安装于客房房顶上面(见图4)，每块集热器的有效集热面积为1.8 m2。

1.风机；2.阀门；3.集热器；4.蓄热板；5.温度测点；A、B、C、D蓄热板表面温度测点

空气输配系统由CRZ80型离心式风机、管道以及连接部件构成。风管采用PPR管，管外部包裹保温棉以降低散热损失。循环风量由LUGB-2305ZCE型涡街流量计测量。

图4 实验系统照片

相变蓄热装置安装在客房北墙，数量为10块，两两串联形成1组，5组并联构成1个蓄热-供暖装置，如图3所示。蓄热板的表面、内部以及进出口布置有温度测点。系统运行分为2个阶段：

1) 蓄热阶段：8∶00—17∶00，风机开启，实现热量在集热器与相变材料之间的转移。

2) 放热阶段：17∶00—8∶00，风机关闭，实现热量在相变材料与室内空气之间的转移。

实验过程中同时监测了实验房和对比房的室内温度变化。实验中所有温度均采用T型热电偶测量，通过Agilent-34970A数据采集仪与电脑连接进行数据采集、存储和分析。当地太阳辐射强度用TES132太阳辐射仪测量。实验时间为2018年4月16日至19日。

2 结果讨论与分析

2.1 集热器运行效率

图5为实验期间环境温度、平板集热器表面太阳总辐射强度以及进出口风温。实验期间集热器接受的最高辐照强度可达1 115 W/m2。集热器进出口平均温差达38.8 ℃。室外温度最高为18.7 ℃，最低温度零下2.2 ℃，昼夜温差较大。

由式(1)定义的集热器瞬时效率如图6所示。

(1)

式中：cp为空气比(kJ/(kg·K));qm为集热器内空气的质量流量(kg/s); ΔTair为集热器进出口温差(℃);Ib为集热器表面所接收到的太阳总辐射(W/m2);S为平板集热器有效集热面积(m2)。

图5 集热器进出口风温及环境参数

图6 太阳集热器集热效率

从图6中可以看出：测试期间平均集热效率为27.3%，最大效率为41.5%，总体效率偏低。其原因有：由于当地气候以及电力设施的影响，运行风量仅为30 m3/h，未达到集热器额定风量，致使出口温度过高，散热损失较大；集热器出口处存在漏风；集热器的保温性能不良。因此，在实际工程应用中，选择合适的风量、做好保温工作是提高集热效率的关键。

2.2 蓄热板蓄放热特性

图7分别给出了1组蓄热板进、出口和连接处的空气温度以及不同位置相变材料的温度变化。可见，第1块蓄热板出口风温与第2块蓄热板出口风温相差无几，相变材料利用率不高，因此蓄热板不宜串联使用，图8中A、B测点温度在蓄热阶段高于相变温度，而C、D测点温度低于相变温度也说明了这一点。

从图8中可以看出：蓄热阶段温度上升较快，无明显显热阶段和潜热阶段的区分。而放热过程中显热放热温度曲线较潜热放热温度曲线陡峭。这是因为蓄热过程温差大，相变过程短，而放热过程温差小，且液相结晶需要一定的过冷度。

图7 集热器出口与蓄热板进口温度

图8 相变材料温度变化

图9为实验房与对比房温度变化曲线。日间将实验房与对照房的房门打开，使其与走廊进行连通，保证日间两间房间的温度一致。夜间，将实验房与对照房的门窗关闭。从图中可以看出：实验房由于有相变蓄热板为其提供热量，温度下降较对比房缓慢，基本维持在15 ℃以上。夜晚蓄热板放热期间，实验房温度较对比房高出2～3 ℃。

图9 实验房与对比房温度变化

3 结论

本文设计了一套太阳能热风相变蓄热采暖系统，蓄热装置为分体式、轻量化可拆卸的板式蓄热器，并在高寒地区进行了现场实验。结果表明：使用56 kg的相变材料为15 m2的房间来供暖，室内夜间温度可以提高2～3 ℃。总体来说，该系统对藏区采暖具有重要意义，适合太阳能资源丰富、人口分散的川西及藏族地区使用。