相變蓄熱電采暖結構模擬研究

康佳瑩 杜 瑞 祝藝丹 王春青

（吉林建筑大學， 吉林 長春 130118）

0 引言

全球面臨的環境保護和節能減排壓力與日俱增，能源的使用與人來社會的歷史發展密切相關，在當今社會中，工業化和社會經濟穩步發展，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、經濟增長、能源效率和環境保護密不可分。在我國“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，電供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供暖耗電量太高，加重了用戶的經濟負擔和電力的負荷，為解決這一問題，可以利用峰谷電價，將相變蓄熱材料和建筑圍護結構相結合，開發適用于電采暖的裝配式建筑構件[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。

1 相變蓄熱電采暖結構模擬研究

1.1 模擬材料的選取

為提高熱舒適性能，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]。考慮石蠟在相變過程中存在液化滲漏的問題，本文選擇將石蠟封裝的石蠟微膠囊進行實驗。石蠟的導熱系數比較低，為減少蓄熱時間，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GAMBIT 軟件中建立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

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

為方便使用Fluent 進行計算，設置了相應的數學模型，并進行以下假設：

（1）假設石蠟和泡沫銅各向同性。

（2）Boussinesq 近似，流體性質不因密度變化而改變。

（3）相變材料的物性參數不隨溫度變化而變化。

1.4 數學模型

連續性方程：

動量方程：

能量方程：

泡沫金屬銅：

石蠟微膠囊：

式中：K——多孔介質滲透率；

μ——液態蠟的有效黏度，Pa.S；

2 模擬結果分析

2.1 石蠟微膠囊相變材料模擬結果

為比較泡沫銅/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。

圖2 石蠟微膠囊溫度隨時間變化云圖Fig.2 Paraffin microcapsule temperature changes over time

圖2 （1）顯示加熱時間為500s 時的溫度云圖。此時為加熱的初始階段。可以看出熱量向相變層上方傳遞，向下傳遞不明顯。如圖2（2）所示，當時間為1000s時，熱量持續向上傳遞，泥漿層的溫度持續升高，可以看到熱量開始以熱源為中心向下傳遞，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℃。靠近熱源的相變材料達到相變點開始相變蓄熱，當時間達到8000s，此時蓄熱層中的石蠟微膠囊未完全熔化達到相變溫度。

2.2 泡沫銅/石蠟微膠囊復合相變材料模擬結果

如圖3（1）所示，時間在500s 時，可以認為是加熱的初始階段，可以看出熱量在向上傳遞的同時在向下傳遞，靠近熱源的相變材料石蠟微膠囊開始相變熔化。隨著時間推進，在時間為1000s 處，在圖3（2）中的相變蓄熱層周圍的溫度以熱源為中心逐漸遞增，相變熔化的石蠟微膠囊也逐漸增多。隨著溫度持續升高，當時間到達8000s 時，如圖3（3）所示，熱量傳遞到結構表面的溫度達到38℃。可以看出相變蓄熱層的溫度顯著升高，大部分石蠟微膠囊已經達到相變溫度，熔化完成。

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蓄熱過程中使熱量均勻傳遞。

圖3 泡沫銅/石蠟膠囊溫度隨時間變化云圖Fig.3 Foam copper/paraffin microcapsule temperature changes over time

3 結論

在Gambit 軟件中，建立幾何模型，進行網格劃分和邊界設置等模擬前準備，用Fluent 軟件建立物理模型，通過分析純石蠟微膠囊與泡沫銅/石蠟微膠囊加熱過程中的溫度變化云圖以及相變蓄熱層、結構層表面的溫度分布圖，可以得出以下結論：

（1）純石蠟微膠囊的蓄熱層在加熱的初始階段，僅在靠近熱源處產生相變，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蓄熱層中，相變時間不僅大大縮減，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，除一些離熱源較遠處的受熱不利區域之外，蓄熱層產生相變的面積明顯較大。