一種太陽能相變蓄熱沙發采暖系統分析

上海理工大學 ■ 楊越聰 于國清

一 傳統太陽能采暖系統

當今社會能源危機、環境污染日益嚴重，建筑供熱方面的能耗應用與日劇增，我國節能減排的任務已經十分迫切。由于我國太陽能資源十分豐富，大力開發太陽能等可再生能源成為緩解能源危機的有效途徑。

傳統的太陽能采暖系統一般由太陽能集熱器、蓄熱水箱、輔助加熱器和散熱設備組成[1]， 太陽能集熱器(或輔助熱源)將蓄熱水箱內的水加熱后通過散熱設備將蓄熱水箱儲存的熱量傳到室內，達到采暖效果。此種采暖方式所需熱量大，因而所需集熱器的面積較大。另外，由于太陽能的間歇性和不可靠性，蓄熱裝置是太陽能采暖系統的必備部件，而太陽能采暖系統的供回水溫差較小，所以需要較大的蓄熱裝置，如果放置在室外，在寒冷的冬季，其散熱損失十分顯著。為了解決這些問題，本文提出一種將太陽能利用與相變蓄熱技術結合的新型太陽能采暖系統——太陽能相變蓄熱沙發采暖系統。

二 太陽能相變蓄熱沙發采暖系統

如圖1所示，太陽能相變蓄熱沙發采暖系統與傳統的太陽能采暖系統相比，最大的區別在于沒有傳統的散熱設備和蓄水熱箱，取而代之的是具有相變蓄熱功能的沙發。將蓄熱水箱和散熱設備集合成為一個整體，內部蓄熱層相當于蓄熱水箱，沙發本身相當于散熱器。太陽能熱水器的出水管經閥門與沙發座內的換熱管入口端連接，沙發座內換熱管出口端經彎頭、循環泵與沙發靠背換熱管的入口端連接，沙發靠背出口端依次經閥門、循環泵、止回閥與太陽能集熱器的回水管連接，形成傳熱流體的閉合回路。

圖1 太陽能相變蓄熱沙發采暖系統原理圖

沙發座和沙發靠背為兩個箱體，每個箱體內分別設置密閉腔，每個密閉腔內填充相變蓄熱材料微膠囊，在相變材料微膠囊內埋設換熱管。蓄熱層結構如圖2、圖3所示。

蓄熱沙發兼有蓄熱和散熱功能。冬季白天開啟循環泵，水在系統內循環吸收太陽能集熱器收集到的熱量，溫度升高后流入沙發內的換熱管，通過換熱盤管將熱量傳遞給相變蓄熱材料。蓄熱材料吸收傳熱流體的熱量后溫度不斷升高，當達到相變溫度后發生相變，即太陽能通過傳熱流體把熱量儲存在蓄熱沙發的蓄熱材料微封裝膠囊體內。在夜間或溫度較低時，利用沙發外殼表面通過傳導、對流和輻射三種方式向周圍散熱，即通過蓄熱材料放熱將存儲的熱量散發出來，維持沙發與人體接觸表面以及周圍局部環境的舒適溫度。

圖2 相變蓄熱沙發座換熱管平面布置圖

圖3 蓄熱沙發靠背換熱管串聯布置平面圖

如圖2、圖3所示，在管路敷設方面，本系統沙發座內換熱管采用新穎的盤旋方式布置，先由外圓周旋至圓心，再從圓心處旋出至外圓周，主要是為了使受熱底座溫度分布更均勻，避免出現冷熱不均現象。

三 蓄熱沙發的散熱分析

沙發表面主要通過對流與周圍的空氣進行換熱，其對流換熱系數可以利用下列公式進行計算[2]：

其中：tf為房間室溫；tw為沙發表面溫度。

若太陽能相變蓄熱沙發規格為2m×1m×1m，室溫tf=16℃，沙發表面溫度tw=25℃，經計算，24h本系統沙發通過對流換熱傳遞給周圍環境的熱量約為20.17MJ。沙發不使用時，可以在其表面覆蓋毛毯等保溫性能較好的織物，以減小無效的熱損失。

四 相變蓄熱材料需要量計算

太陽能相變蓄熱沙發的底部及背部外側鋪設較厚的保溫材料，以避免其向側面及下側大量散熱造成不必要的熱損失，其中填充的相變蓄熱材料量需要滿足沙發全天的散熱量。本系統中選用復合蓄熱材料Latest32S，相變溫度為31℃，潛熱值為230J/g[3]，通過計算得出所需的相變蓄熱材料量約為88kg。

五 太陽能集熱面積計算

當已知水平面上的直射輻照度Ib、散熱輻照度Id和地面的反射比ρ時，傾角為β的集熱表面接收到的太陽能輻射Iz可通過下列公式計算[4]：

在集熱器中的流體吸收太陽輻射，從而獲得有用的能量，同時集熱器本身對外界也存在散熱損失。太陽能集熱器的集熱量可采用式(7)計算[5]：

假定本采暖系統位于西安市，冬季采暖室外平均溫度Ta為0℃，集熱器進水平均溫度T1為30℃，計算工況選取1月1日這一天，晴天水平面上的總輻照量Hz= 10.4MJ/m2，本計算中蓄熱沙發所需的太陽能集熱器面積約為4.6m2。

六 結論

太陽能相變蓄熱沙發采暖系統是一種新型的將局部采暖、相變蓄熱與沙發這一家庭必備家具有機結合的系統。該系統具有所需太陽能集熱面積小、集熱效率較高、室外熱損失小、節省室內空間等優點，是一種有前景的太陽能利用新方式。

[1]羅運俊, 何梓年, 王長貴. 太陽能利用技術[M]. 北京: 化學工業出版社, 2005.

[2]章熙民, 任澤霈. 傳熱學(第四版)[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2002.

[3]崔海亭, 楊鋒. 蓄熱技術及其應用[M]. 北京: 化學工業出版社, 2004.

[4]張鶴飛. 太陽能熱利用原理與計算機模擬[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2004.

[5]中國建筑標準設計研究院, 太陽能集熱系統設計與安裝[M]. 北京: 中國計劃出版社, 2006.