太陽(yáng)能熱水相變炕在不同地區(qū)的適宜性分析

李文玉 孫亮亮 袁艷平 曹曉玲 向 波

太陽(yáng)能熱水相變炕在不同地區(qū)的適宜性分析

李文玉 孫亮亮 袁艷平 曹曉玲 向 波

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

提出一種太陽(yáng)能熱水相變炕的新型供暖系統(tǒng)，系統(tǒng)無(wú)需設(shè)置水箱，僅使用炕板與相變材料作為蓄熱裝置，可有效提高供暖效率。通過(guò)在Fluent數(shù)值模擬平臺(tái)中添加自定義程序，建立了相變炕的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，研究了其在不同地區(qū)的適宜性。結(jié)果表明，在設(shè)定工況下哈爾濱、北京和銀川的太陽(yáng)熱水相變炕的太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率分別可達(dá)到49.9%、70.1%和76.5%?？惑w基本保證了人體在進(jìn)行睡眠活動(dòng)時(shí)的夜晚炕面溫度的舒適性。證明了太陽(yáng)能熱水相變炕在我國(guó)北方多地區(qū)均具有良好的效果。

太陽(yáng)能；相變炕；適宜性；太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率；數(shù)值模擬

0 引言

我國(guó)北方地區(qū)冬季寒冷，主要取暖方式為傳統(tǒng)火炕[1,2]。近年來(lái)，伴隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境舒適度的要求日益提高，而傳統(tǒng)火炕普遍存在炕面溫度分布不均、室內(nèi)環(huán)境差、燃料消耗量大等弊端[3-5]。因此，在能源短缺的今天，急需對(duì)傳統(tǒng)火炕進(jìn)行改造與創(chuàng)新。太陽(yáng)能是一種清潔、免費(fèi)、間歇的可再生能源，而相變儲(chǔ)能技術(shù)可解決太陽(yáng)能能量供求在時(shí)間和空間上不匹配的問(wèn)題[6,7]，因此一些學(xué)者對(duì)結(jié)合這些新技術(shù)的炕體進(jìn)行了研究。

將太陽(yáng)能作為炕體熱源主要有兩種應(yīng)用形式，分別是通過(guò)集熱器獲得的熱空氣[8,9]或熱水[10-15]為介質(zhì)來(lái)加熱炕體。目前較常見(jiàn)的是利用低溫地板輻射采暖原理的太陽(yáng)能熱水炕。張蓓對(duì)上述太陽(yáng)熱水炕的可行性和各種材料選擇、盤(pán)管布置、太陽(yáng)能集熱器選型、面積和蓄水箱體積的選擇都做了一個(gè)詳細(xì)的調(diào)研[11]。馮國(guó)會(huì)、李剛等人在傳統(tǒng)火炕上鋪設(shè)一層熱水毛細(xì)管網(wǎng)以輔助火炕供暖，模擬和實(shí)驗(yàn)均表明：該炕的炕面溫度分布均勻，室內(nèi)熱舒適性有所提高[12,13]。江清陽(yáng)研究了蓄熱水箱容積對(duì)炕的太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率的影響。結(jié)果表明，水箱容積越小，炕的太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率越高[14]。崔玉清通過(guò)給定不同的輔熱功率，研究了不同地區(qū)的炕的太陽(yáng)能保證率。結(jié)果表明，若維持炕面溫度全天在28~35℃，西藏和大連的太陽(yáng)能保證率可達(dá)73.9%，每天僅需提高較少能量可維持炕面溫度[15]。鄭豪放通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究太陽(yáng)能炕系統(tǒng)分別在晴天和陰天的運(yùn)行情況。結(jié)果表明，晴天太陽(yáng)輻射充足時(shí)，太陽(yáng)能集熱器在白天收集的熱量，完全可保證夜晚睡眠環(huán)境的穩(wěn)定和溫暖；陰天輻射不足時(shí)，夜間炕面溫度雖較晴天時(shí)有明顯下降，但在運(yùn)行過(guò)程中仍可保持20℃以上[16]。學(xué)者們?cè)诖嘶A(chǔ)上，還進(jìn)一步研究了太陽(yáng)能熱水相變炕體。李剛將太陽(yáng)能毛細(xì)管網(wǎng)與相變火炕聯(lián)合供暖，而系統(tǒng)初投資增加幅度不大[17]。郭敏、黃超等人對(duì)太陽(yáng)能熱水相變炕進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)初探，還對(duì)比了它與普通炕體的熱性能差異。指出這種新型炕體在炕面平均溫度、下降速率和供回水溫差特性上均優(yōu)于普通炕體[18,19]。

現(xiàn)有的文獻(xiàn)均證明了太陽(yáng)能熱水炕體的可行性，但對(duì)太陽(yáng)能熱水相變炕的研究?jī)H為初探，未在動(dòng)態(tài)的太陽(yáng)輻照度下研究太陽(yáng)能相變炕的供暖性能以及可達(dá)到的太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率等。同時(shí)，我國(guó)幅員遼闊，各地區(qū)太陽(yáng)能資源不均且氣候條件差異較大，上述文獻(xiàn)也未見(jiàn)針對(duì)太陽(yáng)能熱水相變炕在我國(guó)大多數(shù)地區(qū)是否具有適宜性進(jìn)行研究分析。

該文通過(guò)在Fluent中添加太陽(yáng)能集熱器和電輔熱層的自定義程序，建立三維太陽(yáng)能熱水相變炕傳熱數(shù)值模型，對(duì)太陽(yáng)能熱水相變炕在不同地區(qū)的適宜性進(jìn)行了研究。

1 模型建立

1.1 物理模型

如圖1所示，該文提出的太陽(yáng)能熱水相變炕，主要由太陽(yáng)能平板集熱器、循環(huán)水泵、炕內(nèi)管道、炕體結(jié)構(gòu)材料及相變材料組成。系統(tǒng)日間運(yùn)行時(shí)，平板集熱器吸收陽(yáng)光，將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并傳遞給流體通道里的循環(huán)水。循環(huán)水流經(jīng)炕內(nèi)管道，從而加熱炕體，改善室內(nèi)熱環(huán)境。系統(tǒng)無(wú)需設(shè)置水箱，僅采用炕板和相變材料作為蓄熱裝置?？捎行岣哐h(huán)水溫度并減少泵耗。夜間水泵停止運(yùn)行，依靠相變材料緩慢釋放潛熱來(lái)維持恒定的炕面溫度。由文獻(xiàn)[20]可知，上炕面溫度在夜間無(wú)法一直維持在人體舒適的睡眠溫度。并且若為了儲(chǔ)存足夠的熱量以供夜晚使用，相變填充層會(huì)較厚，而熱量在放熱周期結(jié)束時(shí)卻無(wú)法完全放出，將影響下一周期的蓄熱過(guò)程。因此，該文為太陽(yáng)能熱水相變炕添加電輔助層，即在現(xiàn)有炕體上炕面層下鋪設(shè)一層電加熱碳纖維卷材，當(dāng)夜晚上炕面溫度低于人體舒適值時(shí)，電輔熱層自動(dòng)開(kāi)啟，超過(guò)設(shè)定值時(shí)則自動(dòng)關(guān)閉。與傳統(tǒng)的加熱電纜相比，碳纖維卷材鋪設(shè)方便，加熱時(shí)溫度均勻，不會(huì)造成局部過(guò)熱等問(wèn)題。

圖1 太陽(yáng)能熱水相變炕運(yùn)行系統(tǒng)圖

炕體尺寸為2.4m×2m×0.185m（長(zhǎng)×寬×厚），太陽(yáng)能熱水相變炕的三維模型如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能熱水相變炕的三維模型圖

炕體從上至下分別是上炕板層、電輔熱層、相變層、保溫層和下炕板層。由文獻(xiàn)[20]可知，下炕板溫度幾乎沒(méi)有變化，該文對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，不再建立下炕板部分，將保溫層下邊界設(shè)置為絕熱條件。上炕板層、電輔熱層、和保溫層的材料分別使用水泥砂漿、碳纖維卷材和聚苯乙烯，材料物性參數(shù)及幾何參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 炕體材料的物性參數(shù)及幾何參數(shù)

太陽(yáng)能熱水相變?nèi)S炕采暖系統(tǒng)耦合了多個(gè)傳熱過(guò)程，如果要建立精確的太陽(yáng)能集熱器和炕體的實(shí)際模型，近乎不能完成。因此，對(duì)以上的傳熱模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，做出部分假設(shè)。

（1）炕體的各層材料緊密接觸，不考慮接觸熱阻。

（2）相變材料均勻且各向同性，其熔化時(shí)的自然對(duì)流為二維層流流動(dòng)。同時(shí)對(duì)相變材料采用Boussinesq近似。

（3）將碳纖維卷材層視為均勻發(fā)熱的體熱源

（4）忽略炕體與太陽(yáng)能集熱器之間的連接管道的傳熱損失。

（5）忽略炕體外部總管沿排管方向的散熱，即每根排管的進(jìn)出口水溫均相同。

（6）假設(shè)炕體外部環(huán)境溫度保持恒定為15℃。

基于以上假設(shè)，本章選取兩管之間的1/2的炕體結(jié)構(gòu)層作為基本傳熱單元。如圖3所示，整個(gè)模型縱向長(zhǎng)度為炕體長(zhǎng)度，為2.4m。熱水管直徑為10mm，兩管間距為100mm。上炕板層、電輔熱層，相變層、保溫層的厚度分別為30mm、5mm、30mm和20mm。

圖3 基本傳熱單元模型圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 炕體各層材料控制方程

利用焓法建立炕體各層的非穩(wěn)態(tài)傳熱模型。

式中ρ、c與λ為分別代表不同材料層的密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)。對(duì)常物性材料，焓與溫度關(guān)系滿(mǎn)足H=c×T；對(duì)于相變材料，焓與溫度的關(guān)系式為：

式中，s和c分別為相變材料為固相和液相時(shí)的定壓比熱容，J·(kg·K)-1；s和T分別為相變材料熔化時(shí)的起始和終止溫度，K；s和H分別為相變材料在s和T點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的比焓值，J·kg-1；△是為相變材料潛熱，J·kg-1。

1.2.2 太陽(yáng)能集熱器內(nèi)換熱介質(zhì)溫度方程

假設(shè)集熱器水管內(nèi)水沿徑向分布均勻，僅考慮其沿軸向的一維傳熱和太陽(yáng)輻射傳熱。其基本方程如下：

式中，為水的密度，kg·m-3；為水的定壓比熱容，J·(kg·℃)-1；為集熱器的水管直徑，m；為集熱器水管流速，m；為集熱器內(nèi)水管的總長(zhǎng)度，m。

經(jīng)核算，本文可忽略擴(kuò)散項(xiàng)的影響，對(duì)流項(xiàng)近似采用上風(fēng)差分[21]。將基本方程離散成段，每段長(zhǎng)度為△。除首尾點(diǎn)外，每段節(jié)點(diǎn)中心定義為P，其相鄰的前后段的中心點(diǎn)分別為W和E。除首尾點(diǎn)外，離散方程的形式如：

1.2.3定解條件

（1）初始條件：假設(shè)在初始時(shí)刻0時(shí)，炕體內(nèi)各層材料及太陽(yáng)能集熱器內(nèi)流體溫度一致。

（2）邊界條件

①炕體上表面為對(duì)流輻射換熱邊界[22]：

式中，r為輻射換熱量，W·m-2；c為對(duì)流換熱量，W·m-2；為綜合對(duì)流換熱系數(shù)，W·(m2·℃)-1，約為[23]10W·(m2·℃)-1；f為炕體上表面平均溫度，℃；a為空氣的溫度，℃；為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，W·(m2·K4)-1，=5.67×10-8W·(m2·K4)-1；r為輻射換熱系數(shù)，無(wú)量綱，由Hottel方程確定，此處取0.87[22]；s為除輻射面外的其余表面的加權(quán)平均溫度，根據(jù)[24]?。╝－1.1），℃；e為輻射板的當(dāng)量直徑，D=4/，m。

②兩側(cè)為絕熱邊界：由于相鄰計(jì)算單元的溫度場(chǎng)呈對(duì)稱(chēng)分布，可近似將計(jì)算單元的左右兩面看成是絕熱面。

③水管的進(jìn)出口面：炕體水管的進(jìn)出口的溫度值是不斷變化的，其進(jìn)口溫度為太陽(yáng)能集熱器的出口水溫，由自定義程序計(jì)算給出，其出口溫度為Fluent自身內(nèi)部計(jì)算得到。

2 模擬工況及參數(shù)確定

2.1 太陽(yáng)能熱水相變炕的性能參數(shù)

太陽(yáng)能熱水相變炕在進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，分別涉及到太陽(yáng)能集熱器、相變炕以及電輔熱層等多個(gè)部分。因此，在分析太陽(yáng)能熱水相變炕的供暖性能時(shí)，應(yīng)考慮它的多項(xiàng)性能參數(shù)。該文主要關(guān)注的性能參數(shù)為集熱器的集熱效率、相變材料的液相率、炕的上炕面溫度以及炕的太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率。其中，相變材料的液相率和炕的上炕面溫度可通過(guò)Fluent軟件提供的監(jiān)測(cè)設(shè)置直接得出。集熱器集熱效率與太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率則使用下式進(jìn)行計(jì)算得出。

太陽(yáng)能集熱器的瞬時(shí)集熱效率定義為：穩(wěn)態(tài)（或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)）條件下，集熱器在規(guī)定時(shí)間輸出的能量與規(guī)定的集熱器面積和同一時(shí)段內(nèi)入射在集熱器上的太陽(yáng)輻照度的乘積之比[25]，即為：

式中，U為集熱器在規(guī)定時(shí)間輸出的能量，W；為集熱器總面積，m2；為太陽(yáng)輻照度，W·m-2。

由集熱器的瞬時(shí)能量平衡方程，通過(guò)歸一化溫差的計(jì)算，可推導(dǎo)得出集熱器的集熱效率用集熱系統(tǒng)的進(jìn)口水溫來(lái)表示[25]?？梢?jiàn)，集熱效率不是恒定不變的常數(shù)值，會(huì)受到外界環(huán)境變化而變化。在外界太陽(yáng)輻照度較大或環(huán)境溫度較高時(shí)，具有較高的值，反之，則比較低。根據(jù)《平板型太陽(yáng)能集熱器熱性能試驗(yàn)方法》通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)擬合，得到集熱器的瞬時(shí)效率主要與集熱器傳熱工質(zhì)的進(jìn)口溫度、太陽(yáng)輻照度和空氣溫度均有關(guān)。

式中，0為集熱器光效率，%；為集熱器熱損系數(shù)，%；in為集熱器的傳熱工質(zhì)進(jìn)口溫度，℃；a為集熱器外環(huán)境溫度，℃。

太陽(yáng)能熱水相變炕的太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率定義為：炕在運(yùn)行期間從太陽(yáng)得到的熱量與從太陽(yáng)得到的熱量與夜間炕電加熱消耗的熱量的之和的比值[14]。

式中，solar為炕運(yùn)行期間從太陽(yáng)得到的能量，kJ；aux為夜間電輔熱層開(kāi)啟時(shí)所消耗的能量，kJ。

2.2 不同地區(qū)的選取

選取哈爾濱，北京、銀川三個(gè)城市，可分別看作東北地區(qū)，華北地區(qū)和西北地區(qū)的代表城市。三個(gè)地區(qū)均屬于嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)，都有使用炕體的習(xí)俗；三個(gè)地區(qū)都屬于太陽(yáng)資源Ⅱ、Ⅲ區(qū)，是我國(guó)大多數(shù)的太陽(yáng)能資源區(qū)域；其經(jīng)緯度有一定差距，氣候條件不同，采暖期時(shí)間長(zhǎng)短也不相同。因此，將這三個(gè)地區(qū)選做典型研究地區(qū)。

表2 不同地區(qū)的地理參數(shù)

由于該文各地區(qū)太陽(yáng)輻照度差異不大，因此集熱器面積均使用估算得到3塊面積為2m2的集熱器。不同地區(qū)由于其地理位置的不同，其采暖期開(kāi)始時(shí)間和長(zhǎng)短也各不相同。該文根據(jù)各地區(qū)采暖期的集熱器傾斜面上的總輻照量和估算的集熱效率，可計(jì)算得到相變層的厚度。計(jì)算過(guò)程中使用的參數(shù)及結(jié)果如表3所示。

表3 不同地區(qū)的計(jì)算參數(shù)

為考察太陽(yáng)能熱水相變炕在采暖期的供暖效果，該文使用各地區(qū)在典型年采暖期平均的逐時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。圖4所示分別為三個(gè)地區(qū)采暖期平均逐時(shí)的太陽(yáng)輻照度和室外空氣溫度變化圖。

圖4 三個(gè)地區(qū)的氣象參數(shù)

3 不同地區(qū)的模擬結(jié)果及分析

3.1 集熱器效率

太陽(yáng)能集熱器的效率與其進(jìn)出口水溫關(guān)系較為密切，所以以下將先對(duì)集熱器進(jìn)出口水溫分析，再對(duì)集熱器效率的變化進(jìn)行說(shuō)明。觀察圖5的不同地區(qū)集熱器進(jìn)出口水溫，發(fā)現(xiàn)其水溫變化情況基本與太陽(yáng)輻照度大小相對(duì)應(yīng)。哈爾濱地區(qū)9點(diǎn)時(shí)太陽(yáng)開(kāi)始升起，但由于此時(shí)太陽(yáng)輻照度低導(dǎo)致的集熱器效率較低，采暖系統(tǒng)并未開(kāi)始運(yùn)行。10點(diǎn)后系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，水溫隨時(shí)間逐漸上升。當(dāng)水溫高于相變材料的相變溫度時(shí)，相變材料開(kāi)始熔化，炕體儲(chǔ)熱能力增強(qiáng)，炕內(nèi)水管出口水溫先緩慢升高再降低，集熱器進(jìn)出口水溫隨之變化。在13-14點(diǎn)間，由于太陽(yáng)輻照度的增大，循環(huán)水在集熱器中吸收了更多熱量，溫度較之前更高。在15-16點(diǎn)間，水溫隨著太陽(yáng)輻照度的降低略有降低。16點(diǎn)后的太陽(yáng)輻照度較弱，系統(tǒng)停止不運(yùn)行。全天僅6個(gè)小時(shí)的輻射為有效輻射時(shí)間，其余時(shí)間炕體僅進(jìn)行放熱。

北京地區(qū)集熱器的進(jìn)出口水溫呈階梯狀逐漸上升，這是由于本文的太陽(yáng)輻照度和室外空氣溫度均采用的是每小時(shí)變化一次。北京在16-18點(diǎn)，水溫呈較大幅度地下升趨勢(shì)。這是由于北京地區(qū)在16點(diǎn)后，太陽(yáng)輻照度迅速減小。但炕體仍在不斷吸收循環(huán)水的熱量，因此集熱器內(nèi)循環(huán)水溫度急劇下降。銀川地區(qū)集熱器的進(jìn)口出水溫變化規(guī)律與北京地區(qū)相似，僅太陽(yáng)輻射持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在此不過(guò)多敘述。

圖5 不同地區(qū)集熱器的進(jìn)出口水溫

由于清晨和傍晚的太陽(yáng)輻照度較弱，集熱器效率較低，系統(tǒng)并未啟動(dòng)運(yùn)行。從表4可以看出，哈爾濱、北京和銀川的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)全天分別運(yùn)行了6、8、7個(gè)小時(shí)。哈爾濱地區(qū)由于其太陽(yáng)輻照度弱，同時(shí)室外空氣溫度也很低，向外界散失了較多能量，其集熱器的全天平均效率為三個(gè)地區(qū)內(nèi)最低僅為40.2%。表4中給出的是集熱器每小時(shí)的平均效率，實(shí)際中集熱效率會(huì)隨入口水溫的變化時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行變化，隨著入口水溫的升高而降低，但水溫穩(wěn)定后降低幅度較小。通過(guò)對(duì)比太陽(yáng)輻照度和室外空氣溫度值以及表4，可得到集熱器效率主要受太陽(yáng)輻照度影響較大，受入口水溫和室外空氣溫度影響小的結(jié)論。

表4 不同地區(qū)集熱器的時(shí)均集熱效率

3.2 相變材料的液相率

從圖6（a）可得，哈爾濱、北京和銀川的在集熱結(jié)束時(shí)刻相變材料液相率分別達(dá)到48.7、81.1、92.3%。北京和銀川地區(qū)的相變材料均幾乎完全熔化，可見(jiàn)根據(jù)采暖期日均輻照量和集熱器效率估算得到的相變層厚度較為合理，幾乎可將日間得到的太陽(yáng)能量全部?jī)?chǔ)存在相變材料和炕板中，以供夜晚使用。而哈爾濱由于早晚集熱效率過(guò)低，集熱器全天運(yùn)行時(shí)間短，所以較估算設(shè)計(jì)時(shí)得到的熱量少，相變材料僅熔化了一半左右。若相變材料填充過(guò)多，在集熱結(jié)束后熔化的較少，不僅會(huì)造成相變材料的浪費(fèi)，還會(huì)使得上炕面溫度上升的過(guò)于緩慢。若填充過(guò)少，會(huì)使得相變材料過(guò)早完全熔化。之后集熱器吸收的太陽(yáng)能量只能由炕體各層材料以顯熱的方式吸收，將導(dǎo)致上炕面溫度過(guò)高，超出人體舒適范圍。

圖6 不同地區(qū)相變材料的液相率

圖6（b）顯示了夜間相變材料液相率的變化情況。由于22:00前，電輔熱層未開(kāi)啟，炕體散熱主要依靠相變材料的凝固放熱，此階段內(nèi)相變材料液相率下降快。在22:00后，由于電輔熱層的開(kāi)啟，上炕板層的溫度較之前有所升高，影響了相變材料的凝固速度。一旦電輔熱層處于加熱狀態(tài)，相變材料的液相率幾乎維持不變，其余時(shí)間液相率變化較之前緩慢一些，但仍在下降。在次日8:00時(shí)，哈爾濱、北京和銀川的液相率分別降至0、32.9和50.8%。因?yàn)楣枮I地區(qū)蓄熱時(shí)間僅有6個(gè)小時(shí)，而在電輔熱層開(kāi)啟前相變材料又已經(jīng)進(jìn)行了6小時(shí)的放熱，所以在次日清晨相變材料幾乎完全凝固。而銀川地區(qū)白天蓄熱時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7小時(shí)，電輔熱層開(kāi)啟前僅放熱了3小時(shí)，后期受電輔熱影響相變材料凝固放熱緩慢。同時(shí)，銀川地區(qū)本身相變材料層較厚，儲(chǔ)存了較多的能量，因此在次日8:00點(diǎn)時(shí)熱量未被完全釋放。但是考慮早晨太陽(yáng)輻照度較弱且日間不開(kāi)啟輔助熱源，炕體溫度較低，相變材料可依舊繼續(xù)凝固放熱，可在次日開(kāi)始運(yùn)行時(shí)留有部分余量。但余量過(guò)多時(shí)，將造成相變材料的浪費(fèi)且影響下一周期的蓄熱過(guò)程。因此，針對(duì)某些地區(qū)太陽(yáng)能熱水相變炕的相變材料夜晚凝固緩慢，次日留有過(guò)多余量的問(wèn)題，應(yīng)從相變材料自身放熱性能和電輔熱層的運(yùn)行模式上進(jìn)行優(yōu)化，使得將日間儲(chǔ)存的熱量可以及時(shí)放出，才能最大程度利用太陽(yáng)能資源。

3.3 上炕面溫度

圖7 不同地區(qū)的上炕面溫度

圖7（a）可知，上午由于太陽(yáng)輻照度弱和相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低等原因，上炕面溫升速度緩慢，下午溫升速度有所提高。哈爾濱、北京和銀川的日間上炕面平均溫度分別可以達(dá)到22.13、21.95和20.43℃，溫度均在地板輻射采暖的最高限制范圍內(nèi)[22]，可作為低溫?zé)嵩聪蚴覂?nèi)進(jìn)行散熱。銀川地區(qū)的日間總輻照量雖然高于哈爾濱，但由于其相變層較厚，上炕面溫度上升更加緩慢，因此銀川地區(qū)的上炕面日間平均溫度要低于哈爾濱。

圖7（b）可以看出，在22:00時(shí)，哈爾濱、北京和銀川地區(qū)的上炕面溫度已分別降至22.45、25.25和26.59℃，因此哈爾濱電輔熱層立即啟動(dòng)。而北京和銀川地區(qū)分別在22:22時(shí)和23:57時(shí)上炕面溫度才降至25℃，電輔熱層才啟動(dòng)。三個(gè)地區(qū)夜晚的電輔熱啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)分別為7.5、5.7和4.9h，夜晚上炕面平均溫度分別可達(dá)到26.67、27.30和27.50℃，可見(jiàn)太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)不僅夜間電輔熱運(yùn)行的時(shí)間短，夜間上炕面平均溫度也較其他地區(qū)更高。

表5 不同地區(qū)的上炕面平均溫度

3.4 太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率

由圖8所示，哈爾濱、北京和銀川地區(qū)的炕體日間得熱量與其太陽(yáng)能資源相關(guān)，因此銀川地區(qū)得熱量最大，全天可達(dá)49189.8kJ。但其夜晚電加熱量的減小幅度并不如得熱量增大的幅度顯著。這是因?yàn)殡娸o熱層開(kāi)啟后會(huì)影響到相變材料的放熱，所以相變材料在日間儲(chǔ)存的熱量在周期結(jié)束時(shí)未能完全有效放出。哈爾濱、北京和銀川的太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率分別為49.9、70.1和76.5%，較其他文獻(xiàn)更高一些，是由于本文的太陽(yáng)能熱水相變炕僅保證了人體在進(jìn)行睡眠活動(dòng)時(shí)的夜晚炕面溫度的舒適性。白天室內(nèi)采暖需采用其他有效方式，相變炕僅作為低溫?zé)嵩摧o助，并未對(duì)炕面溫度進(jìn)行設(shè)定。因此，電輔熱僅夜間開(kāi)啟消耗電量較小，則太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率較大。證明了太陽(yáng)能熱水相變炕在我國(guó)北方多地區(qū)均具有良好的效果。

圖8 不同地區(qū)炕體日間得熱量和夜間電加熱量

表6 不同地區(qū)的太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率

4 結(jié)論

該文建立了三維太陽(yáng)能熱水相變炕的傳熱模型，研究了其在不同地區(qū)的適宜性。選取了具有代表性的典型地區(qū)，并根據(jù)其采暖期的日均輻照量對(duì)不同地區(qū)的炕體的相變層厚度進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，后使用各地區(qū)采暖期的平均逐時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)太陽(yáng)能熱水相變炕進(jìn)行了模擬，得到以下結(jié)論：

（1）太陽(yáng)能集熱器效率受太陽(yáng)輻照度影響較大，受入口水溫和室外空氣溫度影響小。因此，哈爾濱地區(qū)由于太陽(yáng)輻照度和室外空氣溫度低，其全天的太陽(yáng)能集熱器平均效率在三個(gè)地區(qū)內(nèi)最低為40.2%，全天僅有6小時(shí)集熱系統(tǒng)開(kāi)啟。

（2）相變材料的凝固速度受輔助熱源影響較大。當(dāng)夜晚電輔熱層開(kāi)始加熱后，相變材料的液相率將幾乎不變化，電輔熱層停止加熱時(shí)，相變材料的液相率緩慢下降。因此，可能會(huì)導(dǎo)致炕內(nèi)相變材料次日未完全凝固而留有過(guò)多余量的問(wèn)題。應(yīng)從相變材料自身放熱性能和電輔熱層的運(yùn)行模式上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，使得將日間儲(chǔ)存的熱量可以及時(shí)放出，才能最大程度利用太陽(yáng)能資源。

（3）哈爾濱、北京和銀川的太陽(yáng)熱水相變炕在模擬工況下太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率分別可達(dá)到49.9%、70.1%和76.5%?？惑w基本保證了人體在進(jìn)行睡眠活動(dòng)時(shí)的夜晚炕面的舒適性。證明了太陽(yáng)能熱水相變炕在我國(guó)北方多地區(qū)均具有良好的效果。

[1] 清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告(2008)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008: 173.

[2] Zhuang Z, Li Y G, Chen B, et al. Chinese Kang as a domestic heating system in rural northern China-A review[J]. Energy and Buildings, 2009,41(1):111-119.

[3] Qian H, Li Y G, Zhang X S, et al. Surface temperature distribution of Chinese kangs[J]. International Journal of Green Energy, 2010,7(3):347-360.

[4] 高翔翔,胡冗冗,劉加平,等.北方炕民居冬季室內(nèi)熱環(huán)境研究[J].建筑科學(xué),2010,26(2):37-40.

[5] 劉滿(mǎn),夏曉東.遼寧省農(nóng)村住宅的采暖方式與能耗研究[J].建筑節(jié)能,2007,35(7):56-59.

[6] 張寅平,胡漢平,孔祥冬,等.相變貯能—理論和應(yīng)用[M].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1996:1-5.

[7] 袁艷平,向波,曹曉玲,等.建筑相變儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,51(3):585-598.

[8] Yang M, Yang X D, Wang P S, et al. A new Chinese solar kang and its dynamic heat transfer model[J]. Energy and Buildings, 2013,62(3):539-549.

[9] Yang M, Yang X D, Wang Z F, et al. Thermal analysis of a new solar kang system[J]. Energy and Buildings, 2014,75(2):531-537.

[10] 王崇杰,管振忠,張蓓,等.傳統(tǒng)火炕的生態(tài)技術(shù)改造—太陽(yáng)炕系統(tǒng)[C].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006: 566-569.

[11] 張蓓.寒冷地區(qū)農(nóng)居新型太陽(yáng)能采暖技術(shù)設(shè)計(jì)研究[D].濟(jì)南:山東建筑大學(xué),2007.

[12] 馮國(guó)會(huì),王茜,李剛,等.太陽(yáng)能炕采暖系統(tǒng)的試驗(yàn)研究[J].可再生能源,2013,31(3):11-13.

[13] 李剛,李小龍,李世鵬,等.太陽(yáng)能輔助火炕供暖系統(tǒng)熱工性能[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,30(2): 305-311.

[14] 江清陽(yáng).與新型百葉集熱墻結(jié)合的復(fù)合太陽(yáng)能炕系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和理論研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2012.

[15] 崔玉清.太陽(yáng)能炕和Trombe墻相結(jié)合的新型采暖系統(tǒng)的數(shù)值研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2009.

[16] 鄭豪放.太陽(yáng)能炕主被動(dòng)復(fù)合采暖系統(tǒng)在青海的應(yīng)用研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2016.

[17] 李剛,池蘭,李珍,等.太陽(yáng)能輔熱相變蓄能火炕供暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2015,36(11):2632-2637.

[18] 郭敏,馬秀琴,葛夢(mèng)媛,等.太陽(yáng)能相變材料蓄能炕設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)初探[J].能源與節(jié)能,2017,(2):62-64,99.

[19] 黃超,鄭輝,楊振民,等.石蠟復(fù)合混凝土太陽(yáng)能相變蓄能炕系統(tǒng)的熱性能研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018,50(1):111-116.

[20] 李文玉,孫亮亮,袁艷平,等.太陽(yáng)能熱水相變炕體蓄放熱性能及影響因素[J/OL].化工學(xué)報(bào):1-16[2019-06-09]

[21] 李人憲.有限體積法基礎(chǔ)（第2版）[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.

[22] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第2版）[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008:496.

[23] 劉艷峰.地板供暖設(shè)計(jì)與運(yùn)行基礎(chǔ)理論研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2004.

[24] Wang S K. Handbook of Air Conditioning and Refrigeration(2nd ed)[M]. The United States of America: McGraw-Hill Companies, 2000:68-72.

[25] GB50364-2018,民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2018.

Suitability Analysis of Solar Phase Change Heat Kang In Different Areas

Li Wenyu Sun Liangliang Yuan Yanping Cao Xiaoling Xiang Bo

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

The system combining the solar water and phase change heat storage Kang is put forward. Instead of water tank, Kang plate and phase change material are used as heat storage devices to availably improve the heating efficiency in this system. By adding udf to Fluent, three-dimensional unsteady heat transfer model of the Kang is established. The results show that the solar energy contribution rates of the Kang in Harbin, Beijing, Yinchuan can reach 49.9%, 70.1% and 76.5% respectively under the working condition. The solar phase change Kang can guarantee the comfort of Kang at night when people are sleeping. It is proved that the solar phase change Kang have good effect in many areas of northern China.

solar energy; phase change Kang; suitability analysis; solar energy contribution rates; numerical simulation

1671-6612（2019）06-621-08

TK512

A

李文玉（1993.10-），女，在讀碩士研究生，E-mail：lwylucy@126.com

孫亮亮（1982.04-），女，博士，講師，E-mail：sunliangliang@home.swjtu.edu.cn

2019-06-05