基于相變儲能技術的供暖幕墻創新性研究

田太鵬 郭睿桐 桂 靜

（遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧 阜新123000）

我國北方地區由于地理位置及氣候特點，在冬季普遍采用區域集中供暖的方式抵抗嚴寒。但隨著社會的進步，人們物質生活水平不斷提高，南方集中供暖的呼聲也開始增多。北方集中供暖的管道設施較為完善，集中供暖所需的經濟成本較低，南方大多數城市沒有集中供暖的設施基礎，重新修建將會耗費大量的人力物力。如今通過陽光直接加熱圍護結構從而利用太陽能的方式，由于墻體熱容量大，熱量傳導緩慢，所以利用率不高，很難真正意義上達到節能減排的目的。Jaffrin A 等[1]人將六水合氯化鈣儲存在地下加熱溫室，結果表明在相同溫度情況下，相變溫室比普通溫度溫室節省加熱燃料。Kumari[2]等研究了相變材料對被動式熱供暖溫室大棚的影響，用相變材料和保溫材料一體的異質復合墻體板作為日光溫室背墻蓄熱保溫板，利用數值分析方法，研究發現相變材料可以顯著提高溫室背墻的蓄熱性能和保溫性能。國外較早的開始了相變材料應用于日光溫室節能蓄熱的研究，積累了大量的數據和研究經驗，技術較為領先。管勇[3]等研究了相變蓄熱墻體對日光溫室熱環境的改善，研究表明在不同天氣條件下，日光溫室北墻內表面采用40mm厚的相變蓄熱墻體材料板。李曉野[4]、王宏麗[5]等人研究用Na2HPO4·12H2O 作為相變蓄熱主體與太陽能集熱器相結合，設計制作太陽能集熱器，應用日光溫室。國內雖然已有類似研究，但著眼點大多在于日光溫室，未提出利用建筑設備實現獨立單元供暖的方法。

為解決普通墻體熱容量大，用陽光加熱圍護結構能量利用率不高，且當下相變儲能技術大多僅實現了能量的時間轉移等問題，本裝置提供了一種基于相變儲能技術的滾筒式供暖幕墻（如圖1 所示）。

圖1 基于相變儲能技術的滾筒式供暖幕墻

1 設計原理

1.1 設計思路

傳統供暖一般采用三種形式：集中供暖、地板輻射供暖以及燃氣供暖。其中集中供暖是由本地區的熱力集團將市政熱力通過管線輸配到各家各戶，但如文章開頭所說由于管線等基礎設施的匱乏，集中供暖在南方很難真正實現；地板輻射供暖通常需要用戶所在的小區配備鍋爐房，或用戶獨立設置燃氣采暖爐，這種方式供暖溫度均勻，效果好，但對管材要求較高且供暖費用較為昂貴；燃氣供暖以天然氣、煤氣等作為能源，供暖時間可自行調節，但存在一定程度上的安全隱患。考慮到現有供暖方式存在的問題，為滿足大眾的使用需求，本裝置基于相變儲能技術，綜合太陽能利用與建筑設備自動化，實現了太陽能時間和空間的轉移，使南方住宅利用清潔能源獨立供暖成為可能，符合當下社會發展方向。

1.2 設計目標

1.2.1 節能環保

基于相變儲能技術，利用相變材料的蓄熱性實現太陽能時間的轉移，利用滾筒的旋轉實現能量的空間轉移，達到高效利用太陽能的目的。

1.2.2 自動控制：自動分析環境參數，調整適當數量的供熱單元供熱。

1.2.3 舒適性高：根據用戶實際需求和設定，靈活供暖，使室內溫度保持在使用者需求的區域內，極大地提高用戶舒適性。

1.2.4 性價比高：由于生產本設備的材料較為常見，生產工藝要求相對較低，且使用本設備僅需要少量電能供給就可以實現一戶家庭的供暖需求，所以性價比頗高，市場前景廣闊。

1.3 設計原理

填充相變材料的金屬滾筒，一側用黑色涂料上色，在蓄熱狀態下與外側玻璃罩構成一個太陽能集熱溫室，另一側用保溫隔熱的材料實現阻隔，保證了熱量的有效儲存。當滾筒內部的溫度傳感器檢測到相變材料的溫度達到一定值時。滾筒會在轉軸的帶動下旋轉，此時，集熱面與內部擋板組合成散熱狀態，相變材料持續放熱，使室內溫度維持在一個相對恒定值，實現能量時間和空間的轉移，達到高效利用太陽能的目的。

1.4 總體架構

本裝置提供了一種基于相變儲能技術的滾筒式供暖幕墻，由外側玻璃罩、相變儲能滾筒（包含了儲能與隔熱功能）、溫度傳感器、轉軸、保溫隔熱毛刷、電機驅動裝置、邏輯電路控制板、內側擋板組成。其中相變儲能滾筒通過蓄熱后的旋轉放熱實現了能量的時間和空間轉移。相變儲能滾筒采用導熱性能良好的金屬制成，一側圓弧面使用黑色涂料上色作為集熱面，在蓄熱狀態下與玻璃罩組合形成溫室，實現太陽能集熱，同時通過滾筒內壁上的金屬肋片，更好地將熱量傳遞給滾筒內填充的相變材料。另一側圓弧面使用保溫隔熱材料包裹，有效防止了熱量的散失。轉軸通過固定板在滾筒內部與之相連，邏輯電路控制板控制電機運行實現轉軸轉動，從而帶動滾筒轉動，控制整個裝置在集熱模式與散熱模式間的切換。內側擋板表面布置溫度傳感器，用于檢測室內空氣溫度，同時擋板下側開進風口，上側開出風口，左右兩側固定封閉，距離相變儲能滾筒一定距離，提高整個裝置的供暖效果。所述的基于相變儲能技術的滾筒式供暖幕墻，各滾筒單元可以獨立轉動，根據儲能狀態與室內溫度可以由邏輯電路控制板調整適當數量的滾筒單元進行供暖，使室內溫度維持在一個相對恒定的值。邏輯電路控制板與室內的溫度傳感器和相變儲能滾筒內的溫度傳感器相連，通過收集實時參數，下達相應指令，控制不同的電機轉動，實現合理數量的散熱單元供暖。保溫隔熱毛刷兩端固定，將相變儲能滾筒間的縫隙完全填充，達到保溫隔熱的目的，同時不影響滾筒正常轉動，實現集熱模式與散熱模式的切換。

2 相變材料選擇

單一相變材料相變溫度固定，導致吸收熱品質單一，形式確定后相變吸熱量及吸放熱速度都無法控制。本裝置為提高溫度控制的精度，利用不同相變溫度的相變材料組合，可吸收日光條件下不同品質的熱量，如圖2 所示，利用峰值相變材料吸收高溫度熱量，中值相變材料吸收中等溫度熱量，低溫相變材料吸收基礎溫度熱量，且在不同需求下由不同溫度的相變材料釋能，從而使室內溫度始終處于使人體感最佳的溫度區間。

圖2 溫度控制示意圖

3 溫控模式

本裝置利用相變儲能技術以及滾筒的旋轉實現了太陽能的時間和空間轉移。冬季白天日照充足時，滾筒的集熱側吸收熱量，通過金屬肋片將其傳導給內部的相變儲能材料，利用其蓄熱性實現能量的儲存，當滾筒內的溫度傳感器檢測到蓄熱量達到一定值時，邏輯電路控制板會結合室溫選擇數量合適的散熱單元供熱，使室內的溫度維持在一個使人感到相對舒適的恒定值。夜間，相變儲能材料會將白天的蓄熱緩慢均勻地供給到室內，實現夜間室內的相對恒溫。

4 創新性分析

高效利用太陽能，符合碳中和的發展理念：太陽能是日光溫室增溫的主要能源，太陽能沒有地域的限制，可直接開發和利用，便于采集，且無須開采和運輸。太陽能不會污染環境，它是最清潔能源之一。但太陽能的缺點在于分散性與不穩定性，受晝夜及晴、陰、云、雨等隨機因素的影響。儲能技術能使能量產生與使用的時間與空間分離，儲能技術與太陽能技術的結合，能有效彌補太陽能的分散性與不穩定產生的問題。靈活供暖，正反饋控制：南方地區日照充足，不同朝向的住宅在不同時間段溫度差異巨大，供暖幕墻可分析外界環境參數以及相變儲能滾筒內的蓄熱量選擇適當數量的散熱單元供暖，在極大提高用戶體驗感的基礎上也節約了能源。安裝方便：整個供暖幕墻設備采用一體化設計原則，體積較小，安裝方便，且因其較好的保溫隔熱效果，在季節變換時也無需頻繁拆卸。