太陽能輔熱相變蓄能火炕供暖系統實驗研究

李珍，付寧，張法，周偉，姜俊南，姜丹（沈陽大學建筑工程學院，沈陽110044）

太陽能輔熱相變蓄能火炕供暖系統實驗研究

李珍，付寧，張法，周偉，姜俊南，姜丹
（沈陽大學建筑工程學院，沈陽110044）

將相變蓄能和毛細管網型太陽能供熱2種技術同時運用在火炕上，通過實驗研究相變蓄能材料和太陽能毛細管網低溫熱水聯合輔助供暖時對室內溫度和舒適性的影響，得出采用該系統的房間炕頭、炕中、炕尾的平均溫度分別為40.96℃、39.06℃、37.52℃，溫差最大處僅為3℃；普通房間炕頭、炕中、炕尾的平均溫度分別為65.7℃、43.28℃、39.82℃，溫差大于20℃，夜間炕面溫度下降階段，鋪有相變材料的炕面溫度下降緩慢，在0:00~7:00之間均高于普通火炕炕面溫度，優勢明顯。新模式下的房間白天室內平均溫度比普通房間提高10.83℃，夜間比普通房間高7.21℃，大大改善了農居室內及炕面的舒適性。

相變蓄能；太陽能；毛細管網；火炕

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.151

1 引言

太陽能以其資源豐富、免費使用、對環境無任何污染的特點而成為新能源開發利用的主導方向，但由于受到晴、陰、云、雨等隨機因素的影響，必須借助于可靠的輔助熱源才能完成常規能源的供暖效果。太陽能與毛細管網聯合使用的明顯技術優勢是太陽能集熱管只需將熱水加熱到30℃以上毛細管網便可有效散熱，引入毛細管網可以大大改善農居室內熱舒適性，既節省了能源，又保護了環境。由于受到能源危機的影響，相變材料的應用已成為研究熱點。火炕面板中加入相變蓄熱材料可以把多余的熱量轉換成熱能儲存起來，并延遲火炕的有效散熱時間，提高室內舒適性。利用相變蓄熱材料的蓄換熱性能，使用少量的材料就可以儲存大量的熱量，這些熱量在炕面板溫度下降到不能為房間采暖時釋放，實現了能量的轉移。同時炕面板和室內之間的熱流波動幅度被減弱，作用時間被延遲，從而降低建筑物供暖的熱負荷，達到節能的目的，還營造了良好的人居環境。然而，相變材料的使用，勢必帶來系統熱慣性的增大，而毛細管網型太陽能供熱系統熱慣性小，熱反應時間短，恰好可以補償相變蓄能材料帶來的弊端，使得整個系統舒適性更強，使用更靈活。

2 實驗方案設計

2.1 相變蓄能火炕的特點

2.1.1 相變材料的選擇

使用相變材料進行儲熱，具有溫度恒定、儲熱密度大、儲熱容器體積小、熱效率高的優點。火炕的蓄熱形式都是顯熱蓄熱，且加熱過程中炕體升溫較高，炕面溫度往往超出人體承受極限，尤其是炕頭，溫度最高時達到90℃以上。從炕面傳熱的角度出發，炕表面溫度越高，炕體向室內散發的熱量越大。但是，人體細胞對溫度的耐受力是有限的，根據醫學研究，39～41℃屬于人體細胞正常新陳代謝的溫度范圍。而炕面溫度也不能過低，坐或臥于涼炕之上，人體會有不舒適的感覺。本文研究的相變材料重點放在相變材料的相變溫度、相變潛熱、使用壽命和價格方面來考慮。

48#石蠟基本符合本文所需相變材料的要求，48#石蠟是固體石蠟烴的混合物，有良好的儲熱性能，較寬的熔化溫度范圍，較高的熔化潛熱，相變較迅速，化學性質較穩定，無毒、無腐蝕性。此外，48#石蠟價廉、資源豐富、耐用，日常生活中應用較為廣泛，一般不容易出現過冷和相分離。48#石蠟與其他類相變材料相比，是目前理想的應用于炕體的相變材料。

2.1.2 相變材料的封裝及與火炕的結合

目前相變材料和建筑材料的融合方式主要有以下幾種：（1）將相變材料與建筑材料直接混合；（2）將相變材料吸人分割好的特殊硅中，形成柔軟可以自由流動的干粉末，再與建筑材料相混合；（3）將相變材料密封在合適的容器內，置于建筑結構內；（4）利用封接劑將相變材料密封在建筑材料中。

本文選用的是將相變材料密封在合適的容器內，再與火炕有機結合。即采用鍍鋅鋼板扁盒封裝石蠟，然后置于炕面板內，鍍鋅鋼板耐腐蝕，傳熱性能好，加工方便，密封性好，耐高溫，強度大。所以本文選用將相變材料封裝在鍍鋅鋼板扁盒內與炕體結合的封裝方式。

2.2 毛細管網型太陽能系統的特點

毛細管網型太陽能系統，由于毛細管網末端以超大的換熱面積來降低換熱溫差的特點，該系統僅需30～40℃的熱水，3℃左右溫差即可實現傳統地板輻射采暖相同的效果，此特點可針對太陽能熱水系統這種不穩定熱源形成極限利用，毛細管網型太陽能供熱系統熱慣性小，熱反應時間僅為10～30min，用能品位低，節能顯著。

2.2.1 太陽能熱水器的特點

太陽能熱水器是我國太陽能利用中應用最廣泛、產業化發展最迅速的領域。大量的農戶已經開始使用太陽能熱水器。基于現狀，本文將太陽能熱水器應用到傳統火炕中，產生一種新型的采暖方式——太陽能炕系統[8]。

全玻璃真空管集熱器的耐冰凍性、夜間保溫性能介于熱管和平板集熱器之間，玻璃真空管集熱器具有效率高、升溫快、熱水產量大、耐寒能力強、使用壽命長等特點，在玻璃壁與吸熱體之間形成一定的真空度，以抑制空氣的對流和傳導損失。在我國北方地區以玻璃真空管集熱器構成的太陽能熱水器占有絕對的統治地位。在我國北方的嚴寒地區宜選用全玻璃真空管熱水器，本實驗選用的即為全玻璃真空管熱水器，它具有升溫快、效率高、熱水產量大、耐寒和夜間保溫效果好等特點，所以在北方寒冷地區全玻璃真空管的性價比較高，使用也較為普遍。

2.2.2 毛細管網的特點

毛細管網供熱系統是國內一項新的散熱末端技術，具有輕薄、散熱面積大與不擠占室內空間的特點，以超大的換熱面積來降低換熱溫差，導熱性好、換熱均勻、水力損失小等特點，適合低溫采暖。傳統散熱器需要占用很大的空間，局部空氣對流墻體變黑。毛細管網隱形安裝以整個炕面做散熱器，散熱非常均勻，熱效率較高，舒適性好、衛生清潔、節能經濟性好。

2.3 具體實驗方案

選取2間結構相同的房間作為實驗房，2個房間內的火炕尺寸及炕體的煙道結構也完全相同，其中的一個房間作為參照的房間，保持原有的狀態不變，另一個房間作為實驗平臺搭建的房間。在實驗房間的炕面上放置3個大小相同的鍍鋅鋼板扁盒，將相變材料鋪在盒內，由于炕面溫度分布不均勻，從炕頭到炕中再到炕尾溫度依次降低，所以將炕面均勻的分成3部分，分別放置了大小相同的鍍鋅鋼板扁盒，相變材料的用量也應依次減少。鋪完相變材料之后覆蓋一層塑料薄膜進行密封，然后在每個鍍鋅鋼板扁盒內鋪上一層石膏板，這樣就完成了相變材料的封裝。毛細管網作為散熱末端與太陽能熱水器連接完成后，將2片面積相同的毛細管網分別布置在鋪有相變材料的炕面上和加保溫層的墻面上，在實驗過程中同時運行2片毛細管網為房間供熱，最后將各個管路連接完整，完成試驗臺的搭建。然后對實驗房間和參照房間的室內溫度和炕面溫度進行測試，對比分析測試結果，得出實驗結論。

3 實驗平臺搭建及運行方案

3.1 實驗平臺搭建

試驗臺是在原有火炕的基礎上進行搭建的，原有火炕為傳統的落地炕，炕體尺寸為：2800 mm×1800 mm×800 mm,如圖1、圖2所示。

圖1 炕體外觀圖

圖2 落地炕原理圖

1）相變材料的封裝。本實驗把相變材料封裝在鍍鋅鋼板扁盒內，置于炕面板上，方盒的尺寸為1600 mm×800 mm× 40 mm,鍍鋅鋼板耐腐蝕，傳熱性能好。

2）毛細管網的布置。做2片與炕面面積相同大小的毛細管網，一片鋪在炕面上，一片鋪在墻上，并在墻上做一層6cm厚的保溫隔熱層，防止毛細管網與墻壁發生熱傳導，造成熱量損失。

3）太陽能熱水器的安裝。在我國北方的冬季宜選用玻璃真空管集熱器，該集熱器具有效率高升溫快，熱水產量大，耐寒能力強，保溫性能好，玻璃內外管之間的高真空使得對流體傳導的熱損失很低。

相變蓄能火炕聯合毛細管網型太陽能系統主要由太陽能熱水器、毛細管網末端供暖系統、自動控制系統、循環水泵、連接管道和相變材料火炕集合構成。其中主要由太陽能熱水器、毛細管網和相變材料火炕構成。

3.2 實驗測試方法

測試內容：采用XMZ-J系列萬能輸入巡回檢測儀表測試相變蓄熱火炕聯合毛細管網型太陽能系統的炕面溫度和室內溫度情況，并與普通火炕的炕面溫度和室內溫度進行對比分析。

測點布置：《民用火炕性能試驗方法》（NY T58—2009），炕面溫度測點共布置9個測點。

3.3 實驗原理及運行方案

實驗工作原理：如圖3所示，白天太陽光照射到太陽能熱水器上，加熱貯水箱內的水，當室內需要采暖時，開啟循環泵，熱水進入毛細管網中，開始向室內散熱，從而提高了室內的溫度，達到采暖的目的。當生火時，會產生大量多余的熱量，利用相變材料把多余熱量轉換成熱能儲存起來，利用較少的相變材料就可以儲存大量的熱量，提高火炕的熱能利用率、延遲炕表面舒適溫度并提高室內溫度。由于相變材料的熱慣性較大會推遲清晨生火期炕面升溫的速度，而毛細管網型太陽能供熱系統熱慣性小，熱反應時間僅為10～30min，隨時啟動隨時升溫。

4 實驗結果及分析

4.1 室內外溫度分析

相變材料火炕聯合毛細管網型太陽能系統房間與普通房間室內外溫度對比分析，室內外溫度分布如圖4所示。

病人有一個繼母、一個親生哥哥、一個親生哥哥和嫂嫂、異母兄弟、異母姐妹，還有一個叔叔。她的叔叔開著一家羊肉店，但是生意不好。她的婚姻是17歲那年繼母安排的。

由圖4可知，室外平均溫度為6.2℃，普通房間室內平均溫度為11.48℃，相變材料火炕聯合毛細管網型太陽能系統房間室內平均溫度為22.31℃，比普通房間的室內平均溫度高10.83℃。太陽能毛細管網的運行使室內升溫很快，室內溫度變化較平緩，相變材料在夜間把儲存的能量釋放出來，來維持夜間室內溫度。0:00～8:00，普通房間的平均溫度為11.68℃，相變材料火炕聯合毛細管網型太陽能系統房間的平均溫度為18.89℃，比普通房間高7.21℃。

圖3 實驗原理圖

圖4 相變材料火炕聯合毛細管網型太陽能系統房間與普通房間室內外溫度分布圖

4.2 炕面溫度分析

相變材料火炕聯合毛細管網型太陽能系統房間與普通房間炕面溫度對比分析，炕面溫度分布如圖5、圖6所示。

圖5 普通房間炕面溫度分布圖

圖6 相變蓄能火炕聯合毛細管網型太陽能房間炕面溫度分布圖

由圖5、圖6可看出，相變材料火炕聯合毛細管網型太陽能系統房間炕面溫度分布較均勻，溫度波動小，而相變材料的使用又使夜間散熱時間延長，使炕面溫度下降緩慢，次日還能保持在人體舒適溫度范圍內。該系統房間的炕頭、炕中、炕尾的平均溫度分別為40.96℃、39.06℃、37.52℃，溫差最大處為3℃；普通房間炕頭平均溫度為65.7℃、炕中平均溫度43.28℃、炕尾的平均溫度39.82℃，從炕頭到炕尾溫度梯度很大，溫差大，最大處大于20℃。普通房間的炕面溫度會有3次較大的波動，最高時達到115.6℃,最低溫度為18.7℃。夜間炕面溫度開始下降時，鋪有相變材料的炕面溫度下降較緩慢，在0:00～7:00之間相變材料炕面的平均溫度高于普通火炕的炕面平均溫度。

4.3 太陽能熱水器內水溫的變化分析

太陽能熱水器內水溫變化如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可以看出，運行太陽能系統時，隨著日照強度的增強，熱水器內的水溫也隨著上升，在14:00時，水溫達到一天中的最高溫度為43.4℃，此時也是一天中日照最強的時刻，說明太陽能熱水器的集熱能力高于毛細管的散熱能力。18:00停止運行太陽能，從停止運行太陽能到次日熱水器內水溫升溫之前的最大溫差為4.5℃，水溫變化較小。由于夜間日照強度減弱直到消失，熱水器內的水溫也逐漸下降，到次日運行時可以恢復到正常運行的水溫，說明全玻璃真空管熱水器升溫較快，儲水箱的保溫效果較好。

圖7 運行太陽能時水溫變化圖

圖8 停止運行太陽能時水溫變化圖

5 結語

1）毛細管網型太陽能系統的運行，使室內溫度上升得較快，隨著日照強度的增強，熱水器內水溫升高，毛細管網向外散發的熱量隨之增加，室內溫度也不斷升高，室內溫度波動較小，溫度分布較均勻。太陽能運行期間室內平均溫度為24.41℃，普通房間在相同時間內的室內平均溫度為10.1℃，實驗房間比普通房間的室內平均溫度高14.31℃；夜間時相變材料發揮作用，夜間室內的平均溫度為18.9℃，比普通房間高7.21℃，全天室內平均溫度為22.31℃，比普通房間高10.83℃；普通房間的室內溫度到夜間停火后下降的較快，到次日7:00時室溫僅為10℃，而此時實驗房間的室溫為16.8℃。可見毛細管網型太陽能系統和相變材料聯合應用的優勢之大。

2）鋪有相變材料的炕面溫度波動小，溫度分布均勻，炕頭、炕中、炕尾3部分的平均溫度分別為40.96℃、39.06℃、37.52℃，溫差最大處僅為3℃，并且溫度都在人體感受的舒適溫度范圍內；普通房間炕頭、炕中、炕尾的平均溫度分別為：65.7℃、43.28℃、39.82℃，炕面溫差最大處大于20℃。夜間炕面溫度開始下降時，鋪有相變材料的炕面優勢較明顯，炕面溫度下降緩慢，在0:00～7:00之間相變材料炕面的平均溫度高于普通火炕炕面的平均溫度。

3）太陽能熱水器內的水溫隨著日照強度的增強，水溫逐漸升高，從停止運行太陽能到次日啟用期間，太陽能熱水器內的水溫最多下降4.5℃，到次日啟用時熱水器內的水溫又可以上升到毛細管網有效散熱的溫度，說明全玻璃真空管太陽能熱水器升溫較快，儲水箱的保溫效果較好。

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Solar Phase Change Energy Storage Complementary Heat Fire Resistance Heating Experiment

LI Zhen,FU Ning,ZHANG Fa,ZHOU Wei,JIANG Jun-nan,JIANG Dan
(Shenyang University of Architecture Engineering College,Shenyang 110044,China)

In this paper, the phase change energy storage and capillary net solar heating two technologies are applied on the fire resistance at thesame time, through the experimental study on phase change energy storage materials and solar capillary network joint auxiliary heating of lowtemperature hot water influence on indoor temperature and comfort, it is concluded that by using this system in the room the top of brick-bed,middle of brick-bed and bottom of brick-bed ,their average temperature are 40.96 ℃, 39.06 ℃ and 37.52 ℃, the temperature difference betweenthe big for only3℃; Inthe common room the to pofbrick-bed,middle of brick-bedand bottom of brick-bed ,their average temperature are 65.7 ℃,43.28 ℃ and 39.82 ℃, the temperature difference is greater than 20 ℃,in the brick-bed surface temperature drop stage, the night covered bybrick-bed surface temperature of phase change materials is falling slowly, at 0:00-7:00 between follow are higher than ordinary the brick-bedsurface temperature and obvious advantages.New mode of room in door average temperature 10.83 ℃higher than that of ordinary room during theday,night is higher than ordinary room7.21℃, greatly improving the rural brick-bedsur face and interior comfort.

phase change energy storage;solar energy;capillary network;fire resistance

TK511

A

1007-9467（2016）12-0118-05

2016-11-07

李珍（1988～），女，遼寧沈陽人，碩士在讀，從事相變蓄能研究。