新型太陽能復合相變蓄能炕的性能研究

王慧 馬秀琴 陳月 胡明月 朱琳

摘要 針對北方冬季燃煤供暖造成環境污染、能耗大等問題，結合太陽能供暖和相變材料的蓄熱性能設計了一種膨脹珍珠巖-石蠟復合相變蓄能炕。太陽能供水溫度分別取35 ℃、40 ℃和45 ℃時，通過與石蠟單一相變蓄能炕的炕面平均溫度、熱流密度、炕面升溫速度、炕面降溫速度和炕面溫度不均度進行對比分析。結果表明：單一相變蓄能炕和復合相變蓄能炕的最佳供水溫度分別為40 ℃和35 ℃，睡眠炕面平均溫度為30.35 ℃和31.85 ℃，升溫速度為1.13 ℃/h和1.23 ℃/h，降溫速度為1.59 ℃/h和1.26 ℃/h，炕面溫度不均度分別為1.81 ℃和1.07 ℃。復合相變蓄能炕較單一相變蓄能炕睡眠炕面平均溫度高，升溫速度快，導熱性好，降溫速度慢，炕面溫度均勻，整體性能優于單一相變蓄能炕。此外，將供水溫度35 ℃的復合相變蓄能炕與傳統火炕進行對比，復合相變蓄能炕優勢更明顯，性能更佳。

關 鍵 詞 太陽能供熱;新型蓄能炕;復合相變材料;熱性能分析;熱舒適

中圖分類號 TU111;TU882? ? ?文獻標志碼 A

On the performance of a new type solar energy composite phase-change Kang

WANG Hui， MA Xiuqin， CHEN Yue， HU Mingyue， ZHU Lin

（School of Energy and Environmental Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract An expanded perlite-paraffin composite phase change materials （PCMs） energy storage Kang is designed based on the heat storage performance coupling with solar energy for heating and PCMs because of the environmental pollution and high energy consumption caused by coal-fired heating in? northern China. As solar water temperature reaches 35 ℃，40 ℃ and 45 ℃， respectively， comparisons of surface average temperature， heat flux， heating speed， cooling speed and Kang surface temperature variability are analyzed for the composite Kang and the mono-paraffin PCM energy storage Kang. The results show that for the mono-paraffin PCM energy storage and composite PCMs energy storage， the best water supply temperature is of 40 ℃ and? 35 ℃， an average temperature of the Kang sleeping surface is of 30.35 ℃ and 31.85 ℃， heating speed is 1.13 ℃/h and 1.23 ℃/h， cooling speed is 1.59 ℃ / h and 1.26 ℃/ h， Kang uneven surface temperature is of 1.81 ℃ and 1.07 ℃， respectively; Compared with mono-paraffin PCM energy storage Kang， composite PCMs energy storage Kang has higher average temperature， faster heating speed， better thermal conductivity， slower cooling speed， uniform surface temperature and better overall performance. In addition， the comparison has been made between the traditional coal-fired Kang and composite PCM storage Kang in the condition of supply temperature 35 ℃. It is shown that the composite PCM storage Kang has more advantages obviously and the performance is better， too.

Key words solar heating; energy storage Kang; composite PCMs; thermal performance analysis; heating comfort

0 引言

在我國的北方農村地區，冬季供暖主要依靠的是燃燒煤、秸稈和天然氣。這種傳統的供暖方式，不僅消耗著不可再生能源，而且嚴重污染環境。可再生能源可以降低能耗和減少環境污染，因此，可再生能源的有效利用成為農村供暖的新型趨勢[1]。太陽能作為典型的可再生能源，目前已有很多學者對此進行了研究，王博淵[2]將太陽能和水相結合，形成多能源耦合的供暖系統，改善和提高供熱系統穩定性。楊林等[3]對太陽能與燃氣互補的供熱系統進行了實驗研究。

由于相變材料在相變過程中會吸收和釋放大量的熱量，在航天、建筑、軍事、通訊等很多領域都被廣泛應用。在供熱方面，相變材料的應用更為突出。唐曉磊[4]研究相變蓄熱應用在低溫地板輻射采暖中時，室內溫度場更加均勻，熱舒適性更高。王睿鑫[5]將相變蓄熱與供熱系統相結合，分析得出相變蓄熱裝置在供熱時的最佳使用方式。王彩霞等[6]研究了中低溫相變儲熱技術在供暖領域中的應用。Hassan等[7] 為了提高相變材料的性能，通過進行封裝和加入納米材料添加劑來增大相變材料的表面積。Sivasamy等[8]也將封裝，增大表面積作為增強相變材料性能的有效方法。復合相變材料利用了多孔材料進行支撐，對單一相變材料進行吸附可以防止液漏，提高穩定性[9]，Dinker等[10]研究了各種蓄熱材料及其復合材料及其應用，復合材料是強化換熱很有效的方法。

然而，大多數的實驗研究都更加側重復合相變材料的性能，只有部分在研究復合相變材料的應用。在我國北方農村地區，火炕作為最常用的取暖設備，存在睡眠舒適性差、不安全等問題。本文從實際出發，結合太陽能供熱和相變材料的蓄熱性能，用膨脹珍珠巖對石蠟進行吸附材料制備復合相變材料，設計一種復合相變蓄能炕。通過與石蠟單一相變蓄能炕和傳統火炕的炕面平均溫度、熱流密度、升溫速度、降溫速度和炕面溫度不均度進行對比分析，對新型復合相變蓄能炕的性能進行深入研究。

1 實驗系統及方案

1.1 實驗系統

新型復合相變蓄能炕利用太陽能和具有蓄熱性能相變炕進行冬季供暖，整個系統由槽式太陽能集熱器、循環水箱、蓄能炕及相關管路組成。通過太陽能集熱器對水進行加熱，在水箱中進行循環，同時為避免實驗過程中出現太陽光照不足，無法達到實驗所需的供水溫度，在水箱中安裝電加熱器，用于輔助加熱，熱水通過不銹鋼盤管將熱量傳遞給蓄能炕。整體結構系統如圖1所示。

炕體外部為2.2 m×1.2 m×0.2 m的木質框架外殼;內部為2 m×1 m×0.1 m的不銹鋼炕盒和蛇形不銹鋼盤管，蛇形盤管的直徑為10 mm，間距為50 mm;底部和四周鋪設保溫板將內部不銹鋼炕盒與外界進行隔熱;炕體上方蓋有不銹鋼板，與外部木質炕盒緊密貼實，形成封閉的炕體，同時起到一定的支撐作用。蓄能炕結構圖如圖2所示。

1.2 實驗材料

由于石蠟具有很好的蓄熱性能，無毒，無腐蝕性，價格低廉，應用廣泛。本實驗為在冬季給人體提供一個舒適的睡眠環境，考慮人體正常體溫在36.3～37.2 ℃（口測法）[11]范圍內，選用35#石蠟為蓄熱材料，利用差示掃描量熱法（DSC）對其性能進行了測定，融化起始溫度為35.76 ℃、潛熱值為212.30 J/g，凝固起始溫度為34.02 ℃、潛熱值為212.74 J/g，DSC測試如圖3所示。

膨脹珍珠巖作為常見的多孔介質，化學性質穩定，無毒，來源廣泛且價格低廉，具有很強的吸附性。本實驗采用粒徑3～4 mm的膨脹珍珠巖對石蠟進行吸附，制得膨脹珍珠巖-石蠟復合相變材料。對復合相變材料進行DSC測定，融化起始溫度為35.11 ℃、潛熱值為198.23 J/g，凝固起始溫度為33.59 ℃、潛熱值為195.75 J/g。復合相變材料的相變溫度和石蠟的相變溫度基本一致，潛熱值雖有所降低，但仍與石蠟的潛熱值相差不大。制備復合相變材料的方法有真空吸附法、真空浸滲法和直接浸泡法[12]。由于實驗用量較大，采用直接浸泡法進行制備，用白乳膠進行封裝[13]，防止加熱過程中石蠟泄露。實驗稱取5 g膨脹珍珠巖進行吸附量測試，保持恒溫水浴50 ℃對石蠟進行加熱，在一定時間后取出吸附了石蠟的膨脹珍珠巖，晾干后稱取重量，吸附后膨脹珍珠巖的質量隨時間變化如圖4所示。由圖4可以看出，膨脹珍珠巖的質量在開始一段時間內迅速上升，到達飽和狀態后質量基本保持不變。為了節約時間方便實驗，結合實驗測得的數據，最終選擇3 h作為最佳的浸泡時間，此時膨脹珍珠巖的質量15.75 g約為吸附之前的3倍。

由于石蠟在相變的過程中有相態之間的轉化，加熱融化之后變為液體，液體流動性強，直接應用在蓄能炕上容易出現石蠟泄露的現象。復合相變材料利用膨脹珍珠巖進行吸附，石蠟的相變過程在膨脹珍珠巖的孔隙中進行，能一定程度上避免石蠟的泄露，但為了使蓄能炕系統更加安全，吸附好的復合相變材料應進一步進行封裝。將沒有進行封裝的復合相變材料與進行封裝后的復合相變材料放在濾紙上用紅外燈照射30 min，可觀察石蠟的滲漏情況。未經過封裝的復合相變材料加熱后仍會有石蠟滲出，經過封裝之后的復合相變材料加熱后無明顯泄漏。復合相變材料相較石蠟相變材料應用在蓄能炕上，不僅可以避免實驗過程中發生泄漏，而且復合相變材料一直以固態形式存在，可以增強炕體的支撐作用。

1.3 實驗方案

實驗分為3組，通過溫控器控制供水溫度分別為35 ℃、40 ℃、45 ℃，采用T型熱電偶進行測溫，并在實驗進行之前對熱電偶進行標定。按照《民用火炕性能試驗方法》 （2009版）[14]中測點布置原則，炕面溫度測點布置如圖5所示。熱流密度計計量炕面熱量變化用于分析炕面散熱情況。通過對蓄能床的炕面平均溫度、熱流密度、炕面平均升溫速度、炕面平均降溫速度、炕面溫度不均度、熱穩定階段平均溫度、睡眠階段平均溫度和平均熱流密度進行分析，比較石蠟相變蓄能炕和復合相變蓄能炕的熱工性能。

2 實驗數據與分析

在我國北方地區，冬季太陽照射時間大概從早晨八點半到下午五點半，基于石蠟的蓄熱性能，在升溫階段對石蠟加熱，加熱溫度要超過石蠟的熔點溫度，此時溫度持續升高;當石蠟全部融化后進入熱穩定階段，此時的溫度基本保持不變;進入降溫階段停止對石蠟的加熱，此時石蠟的溫度開始降低;達到凝固溫度之后石蠟開始從液相變為固相，此時溫度基本保持不變，進行恒溫放熱，從而在夜間為人體提供一個恒定的睡眠溫度。故將炕面溫度變化分為4個階段，升溫階段、熱穩定階段、降溫階段和睡眠階段，周期為24 h。具體分段如表1所示。

2.1 評價性能指標

根據《民用火炕性能試驗方法》 （2009版）提出的火炕熱性能指標，本實驗從炕面平均溫度、熱流密度、炕面平均升溫速度、炕面平均降溫速度、炕面溫度不均度5個方面對相變蓄能炕與復合相變蓄能炕的熱性能進行對比分析。

1）炕面平均溫度：炕面各測點溫度的平均值，炕面溫度適宜溫度為24～35 ℃[12]。

2）熱流密度：通過單位面積上的熱量，反映炕體熱量傳遞的情況。

3）炕面平均升溫速度：炕體開始加熱后炕面溫度上升的速度。升溫階段為8：30—13：00，炕面平均升溫速度可以體現相變材料的蓄熱能力，升溫速度越快相變材料的蓄熱越快，更快的到達穩定狀態。炕面平均升溫速度計算公式如式（1）所示。

[φ=tT1km-tkm，0T1-T0]， （1）

式中：[φ]為炕面平均升溫速度，℃/h;[tT1km] 為[T1]時刻炕面平均溫度，℃;[tkm，0] 為炕面初始平均溫度，℃;[T1-T0]為炕面升溫階段所經歷的時間，[T1-T0]= 4.5 h。

4）炕面平均降溫速度：炕體停止加熱后溫度下降的速度。降溫階段為17∶30—20∶30，炕面降溫速度可以體現炕體的保溫性能，降溫速度越慢則保溫性能越好。炕面平均降溫速度計算公式如式（2）所示。

[?=tT2km-tT3kmT3-T2]， （2）

式中：[?]為炕面平均降溫速度，℃/h;[tT2km]為[T2]時刻炕面平均溫度，℃;[tT3km]為[T3]時刻炕面平均溫度，℃;[T3-T2]為炕面降溫階段所經歷的時間，[T3-T2]=2.5 h。

5）炕面溫度不均度：表示炕面溫度的不均勻性，炕面溫度不均度越低則炕體的舒適性越高。炕面溫度不均度計算公式如式（3）所示。

[Δtkm，i=i=1nΔtkm，in]， （3）

式中：[Δtkm，i]為炕面溫度不均度，℃;[Δtkm，i]為升溫階段同一時刻炕面各測點的最大溫差，℃;[n]為升溫階段的測溫次數。

2.2 單一相變蓄能炕性能分析

供水溫度分別為35 ℃、40 ℃、45 ℃，單一相變蓄能炕的炕面平均溫度和熱流密度如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可以看出單一相變蓄能炕的炕面平均溫度和熱流密度都經歷了升溫階段，熱穩定階段，降溫階段和睡眠階段。供水溫度35 ℃、40 ℃、45 ℃，單一相變蓄能炕的熱穩定階段炕面平均溫度分別為34.57 ℃、36.14 ℃、37.56 ℃;睡眠階段炕面平均溫度分別為29.41 ℃、30.35 ℃、31.41 ℃。實驗過程中供水溫度由溫控器進行控制，在熱穩定階段，溫度上下浮動，導致熱流密度有一定的波動。供水溫度為35 ℃、40 ℃、45 ℃時，單一相變蓄能炕熱穩定階段平均熱流密度分別為16.93 W/m2、17.82 W/m2、20.19 W/m2;睡眠階段平均熱流密度分別為11.88 W/m2、12.64 W/m2、13.05 W/m2。供水溫度越高，炕面平均溫度越高，平均熱流密度越大，可根據需要選擇最合適的供水溫度，溫度過高不僅浪費能源，而且舒適度也會有一定的下降，可選擇40 ℃作為單一相變蓄能炕的最佳供水溫度，此時睡眠階段平均溫度為30.35 ℃滿足舒適度要求。單一相變蓄能炕其他性能參數如表2所示。

2.3 復合相變蓄能炕性能分析

復合相變蓄能炕在供水溫度分別為35 ℃、40 ℃、45 ℃時炕面平均溫度和熱流密度如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可以看出，復合相變蓄能炕的炕面平均溫度和熱流密度的變化趨勢分為4個階段， 8∶00—13∶30為升溫階段，相變材料因為加熱溫度升高;13∶30—17∶30為熱穩定階段，相變材料加熱到完全融后溫度保持不變;17∶30—20∶30為降溫階段，停止加熱后溫度開始下降;20∶30—次日8∶30為睡眠階段，溫度降到凝固點之后開始進行恒溫放熱。供水溫度為35 ℃、40 ℃、45 ℃，熱穩定階段炕面平均溫度分別為37.65 ℃、39.24 ℃、42.72 ℃;睡眠階段炕面平均溫度分別為31.85 ℃、33.45 ℃、34.53 ℃。供水溫度為35 ℃、40 ℃、45 ℃，復合相變蓄能炕的熱穩定階段平均熱流密度為16.87 W/m2、21.39 W/m2、23.81 W/m2;睡眠階段平均熱流密度分別為11.97 W/m2、13.24 W/m2、 14.71 W/m2。供水溫度越高，炕面平均溫度和熱流密度值越高，升溫速度越快，相變材料蓄能越多。復合相變蓄能炕其他性能參數如表3所示。供水溫度35 ℃時睡眠階段炕面平均溫度在舒適度范圍之內，炕面溫度不均度低，可作為復合相變蓄能炕的最佳供水溫度。

2.4 單一相變蓄能炕與復合相變蓄能炕性能對比分析

單一相變蓄能炕的最佳供水溫度為40 ℃，復合相變蓄能炕的最佳供水溫度為35 ℃。此時復合相變蓄能炕比單一相變蓄能炕熱穩定階段炕面平均溫度高4.18%、睡眠階段炕面平均溫度高4.94%、熱流密度相差不大、升溫速度提高8.85%、降溫速度降低26.19%、炕面溫度不均度降低69.16%。炕面平均溫度高，復合相變蓄能炕可以在更低的供水溫度提高更多的熱量;升溫速度高于單一相變蓄能炕，說明復合相變材料導熱性提高，熱量可以更好的傳遞;降溫速度低，復合相變蓄能炕的保溫性能更好;復合相變蓄能炕的炕面溫度不均度均低于單一相變蓄能炕，復合相變材料傳熱更加均勻，睡眠環境更加舒適。復合相變蓄能炕炕面平均溫度高，升溫速度快，降溫速度較低，炕面不均度低，性能較單一相變蓄能炕有很大的提升。

2.5 復合相變蓄能炕與傳統火炕性能對比分析

將供水溫度35 ℃復合相變蓄能炕與傳統火炕[15]升溫階段炕面平均溫度、升溫速度、降溫速度、升溫階段炕面溫度不均度進行對比，結果如表4所示。

由表4可以看出，復合相變蓄能炕升溫階段炕面平均溫度比傳統火炕高1.08 ℃，傳統火炕升溫速度比復合相變蓄能炕高0.77 ℃/h，降溫速度高0.20 ℃/h，炕面溫度不均度高達49.5 ℃。傳統火炕依靠燃煤提供熱量，在相同的時間會比太陽能提供的熱量多，但是最終的炕面平均溫度卻沒有復合相變蓄能炕高，充分說明能源的浪費，而且傳統火炕炕面溫度不均度高，睡眠環境不舒適。復合相變蓄能炕利用太陽能提供熱量，滿足睡眠溫度要求且炕面溫度不均度低，可以提供一個舒適的睡眠環境，因此整體性能優于傳統火炕。

3 結論

通過3種供水溫度35 ℃、40 ℃、45 ℃，對單一相變蓄能炕、復合相變蓄能炕和傳統火炕性能進行對比分析，得出以下結論。

1）供水溫度為35 ℃、40 ℃、45 ℃時，考慮到實際應用以及能源有效利用，40 ℃的單一相變蓄能炕的熱穩定階段炕面平均溫度和熱流密度分別為36.14 ℃和17.82W/m2，睡眠階段炕面平均溫度和熱流密度分別為30.35 ℃和12.64 W/m2，升溫速度為1.13 ℃/h，降溫速度為1.59 ℃/h，炕面溫度不均度為1.81 ℃，滿足舒適度要求，為最佳供水溫度。

2）供水溫度為35 ℃、40 ℃、45 ℃時各性能指標均滿足要求，從節能角度出發，35 ℃的復合相變蓄能炕熱穩定階段炕面平均溫度和熱流密度分別為37.65 ℃和16.87 W/m2，睡眠階段炕面平均溫度和熱流密度分別為31.85 ℃和11.97 W/m2，升溫速度為1.23 ℃/h，降溫速度為1.26 ℃/h，炕面溫度不均度為1.07 ℃，熱量傳遞較快，導熱性能好，炕面溫度均勻，35 ℃可作為復合相變蓄能炕的最佳供水溫度。

3）供水溫度35 ℃時，復合相變蓄能炕與供水溫度為40 ℃時單一相變蓄能炕的熱流密度值相差不大，但是熱穩定階段和睡眠階段的炕面平均溫度分別高4.18%和4.94%，升溫速度高8.85%，降溫速度及炕面溫度不均度分別低26.19%和69.16%。復合相變蓄能炕導熱性更好，睡眠環境更加舒適，整體性能更佳。

4）供水溫度35 ℃時，復合相變蓄能炕比傳統火炕炕面平均溫度高，炕面溫度不均度低，利用太陽能的復合相變蓄能炕不僅節約能源，保護環境，而且為北方農村冬季供暖提供了一種更安全、更舒適的方案。

綜上所述，復合相變蓄能炕可以提高人體睡眠舒適度，能源利用率高，保護環境節約資源，可作為北方農村冬季的新型供暖方案。

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