蓄熱電采暖結構模擬研究

康佳瑩　杜瑞　祝藝丹　王春青

【摘??要】相變蓄熱層是相變蓄熱電采暖結構的核心層，蓄熱層中的儲能材料以顯熱或相變的方式吸收，當一定的時間溫度降到相變點，通過交換介質以導熱、對流和輻射的方式將儲存的熱量釋放給熱用戶。本實驗將探究相變熱過程中的理論蓄熱、散熱，先在GAMBIT軟件中進行幾何建模，網格劃分，邊界設定，完成模擬前處理。運用Fluent軟件模擬蓄熱層為純石蠟微膠囊、蓄熱層為泡沫金屬銅/石蠟微膠囊復合相變材料的蓄熱過程。結果表明，蓄熱層中添加泡沫金屬銅與石蠟微膠囊，強化了傳熱效果，解決了石蠟微膠囊導熱率低的問題。與純石蠟微膠囊對比，加快了相變響應時間，同時，導熱效果更加明顯。

【關鍵詞】電采暖;石蠟微膠囊;泡沫銅;蓄放熱性能;FLUENT

引言

在當今高度轉變的工業，和物質發展的基礎上。能源的使用與人類社會的歷史發展密切相關，特別是在當今社會中，工業化和社會經濟發展正在穩步發展，能源日益影響著人類生產和生活的各個方面。在當今世界，全球化，經濟，能源和環境的步伐已密不可分。在“三北地區”，近年來風電過剩[1]，電力需求降低，因此棄風現象比較嚴重。為了響應國家政策，改變冬季采暖地區煤燃燒造成的環境污染問題，同時提高風電利用率，電采暖作為一種新型的采暖方式出現在了人們的面前。相對于傳統供暖，目前采用的直供式電采暖耗電量太高，加重了用戶的經濟負擔和電力的負荷，為了解決這一問題，可以利用峰谷電價，將相變蓄熱材料加入電采暖模塊中進行間歇供熱[2]。本文將具有蓄熱功能的石蠟微膠囊與具有導熱功能的泡沫金屬銅相結合，制成一種新型的電采暖蓄熱模塊，研究泡沫金屬銅對電采暖模塊的蓄放熱性能的影響。本文依據有限差分法，利用Fluent軟件對非線性邊界條件下各層材料與尺寸不同的實驗結構的二維穩態傳熱問題做了數值模擬分析。

一、相變蓄熱電采暖結構模擬研究

1.1?模擬材料的選取

為了提高熱舒適性能，使房間內的溫度分布均勻，李國建等人搭建了一個房間，用相變溫度為44℃的石蠟作為蓄熱材料，建立電加熱相變蓄熱電熱地板采暖系統，能夠有效的實現削峰填谷[3]?？紤]到石蠟在相變過程中液化滲漏的問題比較嚴重，本文選擇將其封裝起來的石蠟微膠囊進行試驗。因為石蠟的導熱系數比較低，為了減少蓄熱時間以及增加電的導熱性能，陳華等人將比例為1：3的泡沫銅和石蠟混合，有效的提高了石蠟的相變速率，減少了相變時間，解決了靠近熱源處的過熱現象以及遠離熱源處的不熔現象[4]。

1.2?幾何模型的建立

首先在電采暖蓄熱模塊的幾何模型，在圖1中，四周是保溫層，內部結構上面是水泥砂漿找平層，下面是相變蓄熱層。模擬一共分為兩組，其一是相變層內只有石蠟微膠囊，其二是孔隙率為95%+石蠟微膠囊。

圖1?相變蓄熱電采暖結構Gambit幾何模型

FIG.1?Gambit?geometric?model?of?phase-change?thermoelectric?thermal?heating?structure

之后，將網格劃分為熱源，石蠟區域，泥灰區域，每個區域使用四面體網格，將熱源區域的單位網格大小設置為0.5，石蠟區域和泥灰區域的網格大小設置為1。

1.3?模型參數及假設

為了方便使用Fluent進行計算，設置了相應的數學模型，并進行了以下假設：

（1）假設石蠟和泡沫銅各向同性。

（2）滿足Boussinesq假設的牛頓流體，在內部材料中熔化石蠟后沒有被壓縮。

（3）在石蠟和泡沫銅的每個步驟中，性能參數不會因溫度上升和下降而改變。

1.4?數學模型

二、模擬結果分析

2.1?石蠟微膠囊相變材料模擬結果

為了比較泡沫銅/石蠟微膠囊復合相變材料的傳熱性能，首先分析了純石蠟微膠囊相變材料的相變傳熱的數值模擬結果。熱源的表面溫度為70°C（343.5K），環境溫度為17°C（290.5K），儲熱層的溫度為17°C（290.5K），結構的上表面溫度為17°C（290.5K）在圖2（1）、2（2）和2（3）中顯示了在500s，1000s和8000s加熱過程中獲得的溫度分布云圖。

（1）t=500s溫度云圖????????（2）t=1000s溫度云圖???????（3）t=8000s溫度云圖

圖（1）顯示了加熱時間為500秒時的溫度云圖。這可以認為是加熱的初始階段。觀察云圖，可以看出熱量以傳導的方式傳導至泥層的頂部和熱源的底部。在熱源下傳遞至儲熱層的熱量不是關鍵的。如圖2（2）所示，隨著時間的流逝，在t=1000秒時，熱量繼續升高，泥漿層的溫度持續升高，圖像向側面擴散。仔細觀察熱源下方儲熱層的溫度變化。向下的傳熱是基于加熱電纜的，并由周圍的蓄熱層組成，傳熱效果略顯明顯，但未達到相變溫度，并且尚未開始相變蓄熱過程。當加熱時間到達t=8000s時，溫度變化如圖2（3）所示。通過灰泥層的熱傳遞，結構表面的溫度達到約40℃。已達到與熱源接觸的下部儲熱層的溫度。一旦達到了相變的優勢，便開始熔化（液相），并存儲相變的潛熱，在t=8000?s時，蓄熱層中的石蠟微膠囊未達到溫度且未完全熔化。

（1）t=500s溫度分布圖?????（2）t=1000s溫度分布圖????（3）t=8000s溫度分布圖

2.2?泡沫銅/石蠟微膠囊復合相變材料模擬結果

儲熱層中充滿了帶有石蠟微膠囊粉末的泡沫金屬銅孔，因此Fluent的計算比純石蠟微膠囊還多。本節主要通過結構中溫度場的時變云圖和結構上表面的溫度-時間變化曲線以及儲熱層其他位置來獲得泡沫銅對相變儲熱和傳熱過程的影響。泡沫銅/石蠟微膠囊復合相變材料的數值模擬與上述石蠟微膠囊模擬條件的數值模擬相同。

如圖4（1）所示，t=500s時，是模擬的初始階段，可以清楚的看出靠近熱源的石蠟微膠囊開始相變，進行相交變換。隨著實驗地進行，在t=1000秒處，在圖4（2）中的蓄熱層周圍的溫度沿加熱電纜的方向遞增，并且在相變熔化區以較低的速率膨脹。隨著溫度持續升高，如果t=8000s，溫度將隨著時間變化，如圖4（3）所示。結構的表面溫度在約38°C。較時間為1000s時溫度明顯升高，其中大部分達到了相變溫度。

與純石蠟微膠囊的相變過程相比，可以看出，泡沫金屬銅顯著提高了石蠟微膠囊的導熱性，并在石蠟微膠囊的相變儲熱過程中均勻地加熱了儲熱層。

（1）t=500s溫度云圖???????（2）t=1000s溫度云圖??????（3）t=8000s溫度云圖

由圖可以看出，與僅包含石蠟微囊的蓄熱層的結構表面和蓄熱層的溫度分布相比，添加泡沫金屬銅可以起到加強傳熱效果以及均勻熱量的效果，提高了相變材料石蠟微膠囊的導熱效率，使復合相變材料的蓄熱傳熱性能達到頂峰。

（1）t=500s溫度分布圖?????（2）t=1000s溫度分布圖???（3）t=8000s溫度分布圖

三、結論

在GAMBIT軟件中，執行幾何建模，網格分割和邊界設置以完成預模擬過程，而Fluent用于建立能量計算模型，通過分析以上圖片，得出以下結論：

（1）只有石蠟微膠囊的蓄熱層在加熱的初始階段，僅在靠近熱源的一小塊區域內產生相變，溫度上升較快，其他區域的溫度變化不明顯，相變響應時間也較慢。且熱量向上傳遞較多，向下較少。

（2）在加入泡沫銅的相變層中，相變實踐不僅大大縮減，而且提高了傳熱效果，石蠟微膠囊導熱系數低的問題得到有效解決。

（3）泡沫銅作為支撐體，不僅增強了向蓄熱層的熱傳遞，而且還起到均勻熱量的作用。同時，除了一些受熱不利的區域之外，蓄熱層相變區域的面積比較大。

參考文獻：

[1]賈常艷.由《重點區域風電消納監管報告》引發的風電行業全景思考[J].電器工業，2012（09）：2-5.

[2]徐嘉一，李占新.儲能式電采暖技術——集中供熱的有效補充方式[J].中國資源綜合利用，2019，37（09）：99-101.

[3]李國建，馮國會，朱能，胡艷軍.新型相變儲能電熱地板采暖系統[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2006（02）：294-298.

[4]陳華，柳秀麗，楊亞星.泡沫銅對相變蓄熱系統蓄熱性能影響的實驗研究[J].熱科學與技術，2019，18（03）：228-233.

作者簡介：

康佳瑩，（1993～），女，漢，吉林省吉林市，碩士。

基金項目：

吉林省教育廳“十三五”科技項目（JJKH20180602KJ）。

（作者單位：1吉林建筑大學;2吉林建筑科技學院）