基于太陽能集熱水箱耦合相變蓄熱器的分戶供暖系統

摘 要：太陽能熱水器與相變蓄熱材料耦合應用可有效提高太陽能集熱水箱的效能，促進能源的優化配置。該文提出了一種與太陽能集熱水箱耦合的相變儲能系統，并進行儲能材料的測試和分戶供暖系統的模擬分析。首先提出了儲能系統的制作方案及其與太陽能集熱水箱供暖系統的連接方式。利用DSC對石蠟進行測試，選定46#石蠟作為系統的相變蓄熱材料；采用數值模擬軟件FLUENT對含有相變蓄熱器的集熱水箱和不含相變蓄熱器的普通集熱水箱（直接進水）的釋能工況進行數值模擬。數值模擬結果表明集熱水箱加入相變蓄熱器，一方面相變儲存罐堆積起到了散流作用，另一方面冷水進入水箱中通過相變儲存罐的外圍時，經過相變儲存罐的放熱作用，相變儲能模塊對冷水有一定的加熱作用。加入相變蓄熱器改善了釋能過程的水箱內熱分層效果，提高了進入水箱的釋熱總量，在流量為10L/min時，相變蓄熱水箱的釋熱效率比普通集熱水箱的釋熱能效率高12%，系統設計兩臺大容量的太陽能蓄熱水箱，輪流供熱，系統通過管道分水器，分戶供熱，管道分水器的每個出水端分別設置有流量控制閥，實行計量使用，這樣更能有效的節約水資源。

關鍵詞：太陽能集熱水箱 相變蓄熱器 相變儲存罐 熱源控制箱 相變儲能

中圖分類號：TU83 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（b）-0085-04

目前資源與環境問題日益嚴重，在保證舒適、健康要求的同時，如何有效且合理地分配利用資源，減少常規能源消耗已成為人們不得不面對的問題。

隨著經濟的飛速發展，人們對于能源的要求也日益增加。化石能源的不可再生性和清潔能源的低利用率迫切要求我們提供能量的利用效率，為解決能量利用在空間和時間上的不匹配，能源儲存技術已成為重要的技術手段而廣泛應用于建筑、軍事、紡織、工業廢熱余熱利用、電子產品熱保護、航空航天等領域。

在眾多的能源儲存技術中，相變儲能因其儲存能量大、儲能密度高、相變過程中溫度恒定等諸多優點而受到廣泛的關注和研究。

1 相變儲能系統

該文所研究系數為太陽能熱水器雙水箱與相變儲能系統組成的耦合系統，相變儲能系統集合了蓄熱、釋熱相變材料，系統運行原理如圖2所示。蓄熱時控制熱媒進入儲能系統，順次通過相變蓄熱材料，相變蓄熱材料進行相變蓄熱，熱量釋放時控制熱媒流入儲能系統，相變蓄熱材料利用潛熱蓄熱，實現了相變儲能系統的蓄熱功能。

儲能設備按橫向平行方式置于太陽能集熱水箱中，連接方式如圖1所示。相變儲能設備集成相變蓄熱，流體進入儲能設備（蓄熱器）后分別流經蓄熱器的內壁和儲存罐的外壁再流出儲能設備（蓄熱器），通過控制系統改變閥門的開啟與關閉，可實現儲能系統與太陽能集熱水箱的連接，同時通過智能控制系統實現太陽能熱水器雙水箱分戶供暖。具體實施方式如下：太陽能熱水器雙水箱耦合相變蓄熱器分戶供暖包括戶外供暖系統和戶內控制系統，戶外供暖系統包括第一集熱水箱（1）、第二集熱水箱（2）和管道分水器（10）。第一集熱水箱（1）通過第一電子排水閥（8）與管道分水器（10）連接；第二集熱水箱（2）通過第二電子排水閥（28）與管道分水器（10）連接；管道分水器（10）通過若干熱源供水管（18）分別與各自對應的戶內控制系統連接。所述戶內控制系統包括入戶智能截止閥（19）；所述入戶智能截止閥（19）與終端水嘴（23）連接。儲能設備的制作可實現模塊化，制作簡單，成型后基本不需要維護。

2 相變蓄能材料

2.1 相變蓄熱材料

2.1.1 測定方法

根據馮國會等在文章中介紹[1]，實驗采用DSC（差式掃描量熱儀）對石蠟進行分析，測試得到石蠟融化與凝固過程的DSC曲線，根據太陽能集熱水箱的輔助加熱器溫控開關和溫度傳感器的設定值，集熱水箱的溫度50/45度，選取合適的石蠟作為相變蓄熱材料。

2.1.2 實驗結果

46#石蠟DSC測試曲線顯示，46# 石蠟的相變開始溫度為40.77度，相變峰值溫度為47.33度，與集熱水箱內的溫度傳感器所設定的溫度50/45度具有非常好的匹配效果。相變潛熱為142.7J/g，其蓄放熱過程的峰值溫度十分接近，不存在過冷，可以認為46# 石蠟的蓄放熱性能優越。該文選定46#石蠟作為相變儲熱材料。

張永信、李舒宏[2]等在文章中簡要介紹了Talmatsky等對含有相變材料的儲熱水箱和沒有相變材料的標準水箱用能過程做了數值模擬并將結果進行對比，引入了實際環境條件和典型的終端用戶需求，建立了系統模擬。模擬結果顯示在水箱含有相變材料對終端用戶沒有產生明顯的效益，主要原因是夜間相變材料的再熱使得熱損失過大，可以通過改進水箱結構，加強保溫提高儲熱水箱的性能。

現有的研究對相變儲能水箱釋能過程中熱分層和釋能性能研究較少，因此，該文提高采用FLUENT數值模擬軟件模擬了相變儲能水箱和普通水箱釋能過程溫度的變化，出水溫度的變化，研究相變儲能模塊對儲熱水箱溫度和釋熱性能的影響，從而對儲能水箱進行優化，提高儲熱水箱釋能性能。

汪意[3]有機固一液相變儲能材料中以石蠟類相變材料最為典型，石蠟由直鏈烷烴混合而成，是石油精制過程中的副產品，可以用通式CnH2n+2來表示。其熔點與潛熱隨碳鏈的增長而增大，當碳數增長到一定值時，其熔點也趨于某一定值。

3 模型的建立

3.1 物理模型的建立

根據張永信，李舒宏[2]等在文章中介紹，結合儲能水箱與相變蓄熱器的耦合結構，為了模擬儲能水箱的釋能過程，建立了相變儲能水箱的物理模型。相變儲能水箱的尺寸相變儲能模塊的尺寸如圖3所示，水箱和相變儲能模塊的形狀均為圓筒型，水箱的體積為200 L，相變儲能模塊殼體壁厚0.001 m，單個相變儲能模塊的體積為0.85 L，相變儲能模塊數為40，相變儲能模塊的總體占水箱體積的15 %；水箱的進水口管徑為0.02 m；相變儲能模塊放置在水箱底部，距水箱底端0.05 m。

相變儲能模塊（相變儲存罐）為將相變材料封裝在圓柱形的金屬罐中，相變儲能模塊（相變儲存罐）的殼體采用304不銹鋼。

水的密度為1000kg/m3，比熱容為4186j/（kg.k）儲熱從20度升到60度溫差為40度；則相變儲能水箱的儲熱總量比普通水箱高4.5%，水箱釋能時流量分別為5 L/min、10 L/min和15L/min。水箱的壁厚為絕熱壁面，沒有熱量損失。

3.2 數值模擬

根據張永信，李舒宏等[2]；太陽能相變儲能水箱釋能性能的數值模擬數值模擬采用商業軟件FLUENT進行，在前處理軟件GAMBIT中建模并劃分網絡，導入到FLUENT求解器中進行參數設定并求解。入口邊界設定為速度入口，流速為0.265m/s、0.5306m/s和0.7959m/s，入口溫度恒定為20.c，水箱內部初始溫度為60.c。FLUENT軟件采用有限體積的離散方法來求解控制方程，壓力和速度求解采用壓力耦合方程的半隱方法（SIMPLE算法）；換熱流體的流動計算采用層流模型，網絡劃分采用混合網絡，對模型劃分不同大小的網絡來進行網絡獨立檢驗。該模擬網絡尺寸為0.3，各項的收斂標準為104；時間步長分別以0.1s、0.2s、0.5s、1s來進行計算。綜合考慮計算精度和時間成本，該文選用時間步長為0.2s。

4 工作原理

4.1 原理分析

近年來國內外對相變材料尤其對石蠟做了大量的研究，且提出了諸多新觀點和方法。鄒復炳，章學來[4]石蠟類有機相變材料具有較高的相變潛熱，無過冷及分析出現象，性能穩定、無毒、價格便宜等優點，但也存在導熱系數小、密度小的缺點。解決方法是在石蠟中加入添加劑強化石蠟的導熱性能和改善蓄熱設備增加換熱能力，以提高蓄熱器的蓄熱和放熱能力。熊偉，朱金華[5]可以通過對石蠟進行改性或與其它相變材料進行復合，進一步提高石蠟的潛熱。盛青青[6]可將石蠟等有機相變材料與無機相變材料相結合，制備出有機、無機納米復合相變材料，集有機與無機相變材料的優點于一體。為了提高石蠟的導熱系數，研究者主要從蓄熱設備的改進，比如采用肋片、蜂窩、多孔介質等。該文采用蜂窩式相變蓄熱器。

該文公開了一種太陽能熱水器雙水箱分戶供暖系統及其安裝方法，包括戶外供暖系統和戶外控制系統；所述戶外供暖系統包括第一集熱水箱、第二集熱水箱和管道分水器。所述第一集熱水箱通過第一電子排水閥與管道分水器連接；所述第二集熱水箱通過第二電子排水閥與管道分水器連接；所述管道分水器通過若干熱源供水管分別與各自對應的戶內控制系統連接；所述戶內控制系統包括入戶智能截止閥；所述入戶智能截止閥與終端水嘴連接。系統可與建筑一體化設計，兩臺大容量的太陽能集熱水箱輪流供暖，可供整棟樓一個單元的居民的正常熱水供應。

4.2 原有技術

在市場已有的眾多品牌、型號的空調產品中，歸納起來不外是兩大類，一類是真空集熱管式熱水器，另一類是窗式平板熱水器。現有太陽能真空集熱管熱水器，供熱模式是通過真空集熱管接受太陽能輻射并加熱載熱工質，載熱工質大多數是采用集熱水箱的水通過自然循環實現供暖，在使用過程中要用很大的儲水箱，冬天安裝在戶外的真空集熱管經常出現凍裂。現有窗式平板太陽能熱水器，供熱模式時是通過集熱板接受太陽能輻射并加熱載熱工質，載熱工質大多數是采用水箱與集熱板分體安裝，在安裝和使用過程中存在安全隱患，且室外集熱板影響整幢樓的美感。

4.3 新型太陽能集熱水箱分戶供暖

通過市場調研加之對業內工程技術人員的咨詢，該研究者經過實驗設計了一種新型太陽能熱水器雙水箱分戶供暖系統，該系統屬于節能型供暖裝置。見圖4，分戶供暖系統結構示意圖。

如圖4所示，一種太陽能熱水器雙水箱分戶供暖系統，包括戶外供暖系統和戶內控制系統；所示戶外供暖系統包括第一集熱水箱、第二集熱水箱和管道分水器。第一集熱水箱通過第一電子排水閥與管道分水器連接；第二集熱水箱通過第二電子排水閥與管道分水器連接。所示管道分水器通過若干熱源供水管分別各自對應的戶內控制系統連接；所示戶內控制系統包括入戶智能截止閥；入戶智能截止閥與終端水嘴連接。

所述第一集熱水箱和第二集熱水箱內分別設有第一水位控制儀和第二水位控制儀；所示第一集熱水箱和第二集熱水箱的上端分別連有第一電子進水閥和第二電子進水閥；第一水位控制儀的信號輸出端與第一電子排水閥的信號輸入端連接；第一電子排水閥的信號輸出端分別與第一電子進水閥和第二電子排水閥信號輸入端連接；第二水位控制儀的信號輸出端與第二電子排水閥的信號輸入端連接；第二電子排水閥的信號輸出端分別與第二電子進水閥和第一電子排水閥的信號輸入端連接。

4.4 相變儲熱器

所述第一集熱水箱和第二集熱水箱內分別設有蜂窩式相變蓄熱器；所述蜂窩式相變蓄熱器為筒體結構，且在其圓筒體兩側端板上均勻分布若干相通透小孔，在所述蜂窩式相變蓄熱器內設置若干相變儲存罐；相變儲存罐有序排列在相變蓄熱器內，相變儲存罐為封密式筒體，在相變儲存罐內裝有固體或液體的相變材料，蜂窩式相變蓄熱器和相變儲存罐均采用304不銹鋼薄板制作而成。在第一集熱水箱或第二集熱水箱進水時，通過過度管流經相變儲存罐的外壁，通過相變儲存罐釋放熱量完成集熱水箱加熱過程；所述相變儲存罐在集熱水箱盛有熱水時蓄熱，在集熱水箱添加冷水時發放熱，這樣在進水過程中當冷水源通過相變儲存罐外圍時，經過相變儲存罐的放熱作用，在整個水箱換水時能保持水溫夏天在30-35℃左右，冬天在20-25℃左右，這樣能提高太陽能熱水器的工作效率。王志飛[7]在冬季或陰雨天由于陽光不足，會導致太陽能熱水器供熱不足，而此時往往又是需熱水量多的時間，為使太陽能熱水器在集中供熱系統中全天候供應熱水，應采用輔助電加熱器。

如圖4所示，在所述第一集熱水箱1和第二集熱水箱2內均設有輔助加熱器14，溫度傳感器13和溫控開關15；所述溫度傳感器13的信號輸出端與溫控開關15的信號輸入端連接；所述溫控開關15的信號輸出端與輔助加熱器14的信號輸入端連接，在陰雨天氣，通過集熱水箱中的蜂窩式相變蓄熱器16提高輔助加熱器14給集熱水箱內的水加熱的初始溫度，更顯節約電能。

4.5 戶外控制系統

如圖4所示，所述第一集熱水箱1通過第一電子排水閥8與管道分水器10連接；所示第二集熱水箱2通過第二排水閥28與管道分水器10連接；所示管道分水器10通過若干熱源供水管18分別與各自對應的戶外控制系統連接；該發明中過度分水器10的每一個出水端口分別與所述戶內控制系統中的對應入戶智能截止閥19連接；所述入戶智能截止閥19與其對應終端水嘴23連接。

4.6 戶內控制系統

如圖5所示。所述戶內控制系統還包括墻壁磁卡座20；所述墻壁磁卡座20的信號輸出端與入戶智能截止閥19的信號輸入端連接。當用戶需要熱水時，將磁卡插入墻壁磁卡座20，墻壁磁卡座20將信號傳輸至入戶智能截止閥19，智能化打開截止閥；所述入戶智能截止閥19的出水端通過室內熱水支管連接終端水嘴23；所述入戶智能截止閥19的入水端口與熱源供水管18的出水端連接；所述管道分水器10分別通過流量控制閥11與若干個熱源供水管18連接；所述流量控制閥11連有計量表，這樣可以分戶計量供熱。熱源供水管18的入水端連接流量控制閥11的出水端，流量控制閥11的入水端口連接管道分水器10的出水端口。

4.7 系統分戶供暖及蓄能釋能的工作原理

一種分戶供暖的太陽能熱水器雙水箱耦合相變蓄熱器蓄能釋能的工作原理，根據該課題的數值模擬第一集熱水箱1和第二集熱水箱2內分別設有第一水位控制儀12和第二水位控制儀121，在第一集熱水箱1和第二集熱水箱2的上端分別連有第一電子進水閥6和第二電子進水閥61；所述第一水位控制儀12的信號輸出端與第一電子排水閥8的信號輸入端連接；所述第一電子排水閥8的信號輸出端分別與第一電子進水閥6和第二電子排水閥28的信號輸入端連接；所述第二水位控制儀121的信號輸出端與第二電子進水閥61和第一電子排水閥8的信號輸入端連接。系統在初始狀態。第一集熱水箱1和第二集熱水箱內均有熱水，第一電子排水閥8處于開啟狀態，第二電子排水閥28處于關閉狀態。此時用戶磁卡插入墻壁磁卡座20，墻壁磁卡座20將信號傳輸至入戶智能截止閥19，智能化打開入戶智能截止閥19，熱水從終端水嘴23流出。當第一集熱水箱1內的熱水即將用完時，第一水位控制儀12檢測出水位過低，將水位過低的信號傳輸至第一電子排水閥8，第一排水閥8智能化關閉。與此同時第一電子排水閥8再將信號傳輸至第一電子進水閥6和第二電子排水閥28，第一電子進水閥6和第二電子排水閥28分別開啟，此時第一集熱水箱1開始蓄水，第二集熱水箱2開始供應熱水。待第二集熱水箱2中熱水即將用完時，第二水位控制儀121檢測出水位過低，將水位過低的信號傳輸給第二電子排水閥28，第二電子排水閥28智能化關閉，與此同時第二電子排水閥28再將信號傳輸至第二電子進水閥61和第一電子排水閥8，第二電子進水閥61和第一電子排水閥8分別開啟，此時第二集熱水箱2開始蓄水，第一集熱水箱1開始供應熱水，以此循環不間斷式供應熱水。

5 結論

采用分戶供暖的太陽能熱水器雙水箱耦合相變蓄熱器蓄能釋能的數值模擬，將模擬結果進行對比分析表明，太陽能集熱水箱內的相變蓄熱器的蓄能模擬對冷水有一定的加熱作用。然而隨著流量的增大，相變蓄熱器釋能性能下降，主要由于釋能時間縮短，相變儲能模塊來不及釋放熱量。太陽能集熱水箱配置相變蓄熱器可以提高太陽能集熱水箱的釋能量，尤其對于太陽能的利用與建筑一體化設計，開發商在建房時就考慮屋頂配裝太陽能熱水器，同時預留暗裝通道和上下水暗裝管道，及太陽能集熱水箱的支架平臺，這樣完全可以做到：不僅安全，在外表也看不見雜亂管線，美觀且便于維修，熱利用率會更高。該課題的供熱系統設計兩臺大容量的太陽能集熱水箱，輪流供熱，系統通過管道分水器，分戶供熱。在每個用戶的熱源入戶端口處分別設有智能截止閥，且設置有墻壁磁卡座。當用戶需要用熱水時將磁卡插入磁卡座，磁卡座將信號傳遞至智能截止閥，智能化打開截止閥供暖。另外，系統在過度分水器的每個出水端分別設置有流量控制閥，實行計量使用，這樣更能有效節約水資源。

參考文獻

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[2]張永信，李舒宏.太陽能相變儲能水箱釋能性能的數值模擬[J].儲能科學與技術，2013，2（4）：378—380.

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