太陽(yáng)能復(fù)合梯級(jí)相變供暖床的熱舒適性研究

胡明月，馬秀琴，劉長(zhǎng)昊，竇一帆

（河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

0 引言

為解決我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)冬季傳統(tǒng)火炕供暖造成的污染問(wèn)題，首先應(yīng)從熱源處對(duì)火炕進(jìn)行改造，而太陽(yáng)能作為典型清潔能源，成為了農(nóng)村冬季供暖的首選熱源。

劉慶玉[1]對(duì)農(nóng)村住宅供暖能耗進(jìn)行了優(yōu)化分析，太陽(yáng)能熱水輔助供暖的加入可在每年冬季節(jié)能11 768.85 MJ。楊詩(shī)薇[2]設(shè)計(jì)了一種以太陽(yáng)能為熱源的太陽(yáng)能炕采暖系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，該系統(tǒng)可有效提高室內(nèi)環(huán)境溫度。在利用太陽(yáng)能與相變材料相結(jié)合的方式進(jìn)行供暖方面，傅杰[3]設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能相變蓄熱地暖系統(tǒng)，在保證冬季室內(nèi)熱舒適的前提下，降低了供暖成本。范蕊[4]通過(guò)Fluent對(duì)西部高海拔地區(qū)供暖情況進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，使用太陽(yáng)能相變蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行供暖有利于改善室內(nèi)溫度。針對(duì)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低、換熱性能較差的問(wèn)題，洪鼎華[5]通過(guò)數(shù)值模擬研究了不同參數(shù)的空腔對(duì)相變蓄熱裝置熱工性能的影響。李培濤[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了螺旋盤(pán)管式相變蓄熱裝置傳熱流體的入口溫度和流量對(duì)其蓄能效果的影響。Peiró[7]將兩種熔點(diǎn)不同的相變材料進(jìn)行串聯(lián)，通過(guò)對(duì)比梯級(jí)與單級(jí)相變的蓄熱性能發(fā)現(xiàn)，梯級(jí)相變的蓄能效率比單級(jí)相變提高了19.36%。Cheng X[8]在蓄能時(shí)間、總量和效率方面對(duì)梯級(jí)相變蓄能單元進(jìn)行模擬分析，最終確定質(zhì)量均勻分布的3～5級(jí)相變?yōu)橄嘧冃钅艿淖罴逊桨浮hao Y[9]研究了相變級(jí)數(shù)對(duì)蓄能裝置熱工性能的影響，隨著蓄能裝置相變級(jí)數(shù)從一級(jí)增加到三級(jí)，平均蓄能效率從51.75%增加到了63.58%。張群力[10]選用多種碳材料，研制了一種具有更好經(jīng)濟(jì)性和熱舒適性的復(fù)合相變蓄能電暖器。

本文以農(nóng)村傳統(tǒng)火炕為原型，結(jié)合太陽(yáng)能低溫地板輻射采暖技術(shù)，利用相變材料對(duì)炕體進(jìn)行重構(gòu)；提出了一種以太陽(yáng)能為熱源，以復(fù)合相變材料為儲(chǔ)能介質(zhì)的新型太陽(yáng)能復(fù)合梯級(jí)相變供暖床系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析不同工況床體的熱工性能，確定更優(yōu)的相變供暖形式，以達(dá)到改善農(nóng)宅居住環(huán)境，減少農(nóng)村地區(qū)能源消耗的目的。

1 梯級(jí)相變供暖床系統(tǒng)

1.1 梯級(jí)相變供暖床系統(tǒng)的提出

圖1為太陽(yáng)能梯級(jí)相變供暖床系統(tǒng)，該系統(tǒng)以太陽(yáng)能為熱源，通過(guò)槽式集熱器加熱傳熱流體——水，加熱后的熱水進(jìn)入保溫儲(chǔ)水水箱。水箱中的水通過(guò)動(dòng)力系統(tǒng)以設(shè)定流速和溫度進(jìn)入供暖床體。床體內(nèi)相變材料在加熱階段吸收熱水的熱量，當(dāng)停止加熱時(shí)，相變材料釋放熱量為床面繼續(xù)供暖。

圖1 太陽(yáng)能梯級(jí)相變供暖床系統(tǒng)Fig.1 Solar cascaded PCMs heating bed system diagram

如圖2所示，太陽(yáng)能梯級(jí)相變供暖床主要由相變介質(zhì)層、床面和睡眠層構(gòu)成。在蓄熱過(guò)程中，梯級(jí)相變可通過(guò)將不同相變材料按照相變溫度由高到低的順序，沿供水方向依次排列，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳熱流體不同區(qū)域溫度的梯級(jí)利用，從而提高太陽(yáng)能相變供暖床系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

圖2 梯級(jí)相變供暖床體構(gòu)造Fig.2 Structure diagram of cascaded PCMs heating bed

1.2 實(shí)驗(yàn)材料選取

石蠟是最為常見(jiàn)的無(wú)色無(wú)味的相變材料，潛熱值高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)毒，無(wú)腐蝕性且價(jià)格低廉。因此，太陽(yáng)能供暖床系統(tǒng)采用石蠟作為相變儲(chǔ)能介質(zhì)。考慮到人體正常體溫11]，單級(jí)相變供暖床僅采用35#石蠟作為儲(chǔ)能介質(zhì)。同時(shí)，人體不同部位熱舒適感覺(jué)略有不同，頭部的熱舒適溫度較低，且熱舒適感覺(jué)僅占整體熱感覺(jué)的18%[12]，因此采用熔點(diǎn)較低的30#石蠟為梯級(jí)相變供暖床的頭部區(qū)域進(jìn)行供暖，使用38#和35#石蠟為梯級(jí)相變主要供暖區(qū)域（睡眠區(qū)域）進(jìn)行供暖，即梯級(jí)相變供暖床采用38#，35#和30#石蠟沿供水方向，按熔點(diǎn)從高到低的順序依次排列。利用差示掃描量熱法（DSC）對(duì)3種不同型號(hào)石蠟的性能進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如圖3所示。其中，30#石蠟融化起始溫度為27.51℃，凝固起始溫度為24.48℃；35#石蠟融化起始溫度為31.85℃，凝固起始溫度為32.92℃；38#石蠟融化起始溫度為35.81℃，凝固起始溫度為34.00℃。

圖3 石蠟DSC物性測(cè)定Fig.3 DSC physical property determination of paraffin waxes

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

為測(cè)定不同工況下供暖床體熱工性能的差異，本文利用T型熱電偶在供暖床體（圖2）睡眠層布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)定睡眠層溫度，睡眠層根據(jù)人體睡眠熱舒適分布規(guī)律分為頭部區(qū)域（4個(gè)測(cè)點(diǎn)）和睡眠區(qū)域（8個(gè)測(cè)點(diǎn)）。此外，利用熱流傳感器在床面布置測(cè)點(diǎn)測(cè)定床面向睡眠層傳遞的熱流密度，并通過(guò)安捷倫傳輸至電腦端，其中安捷倫采用精度為6位半的34970A數(shù)據(jù)采集儀。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)定38.0，42.5，47.5℃3種太陽(yáng)能供水溫度，探究不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下供暖床體的性能差異，并設(shè)定8：30-17：30為太陽(yáng)能供水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。分別在不同供水溫度下對(duì)梯級(jí)相變供暖床和單級(jí)相變供暖床進(jìn)行供暖。考慮到頭部區(qū)域與睡眠區(qū)域舒適溫度的差異，本文僅討論睡眠區(qū)域床體熱舒適性。利用T型熱電偶測(cè)定睡眠區(qū)域溫度，從睡眠區(qū)域的升、降溫速度和平均溫度方面比較兩供暖床體熱工性能的差異，并通過(guò)對(duì)比睡眠區(qū)域溫度的變化率、標(biāo)準(zhǔn)差和不均度分析兩供暖床體的熱穩(wěn)定性；在相同工況下對(duì)碳纖維-石蠟復(fù)合梯級(jí)相變供暖床體進(jìn)行供暖，從熱流密度和睡眠區(qū)域的平均溫度方面分析對(duì)比純石蠟梯級(jí)相變供暖床和碳纖維-石蠟復(fù)合梯級(jí)相變供暖床的熱工性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 梯級(jí)相變供暖床熱舒適性分析

圖4為梯級(jí)、單級(jí)兩相變床體在3個(gè)供水溫度下的睡眠溫度對(duì)比。為便于不同時(shí)間段供暖床體性能分析，按照供暖床體的溫度變化和我國(guó)北方的日照時(shí)間，設(shè)定相變供暖床實(shí)驗(yàn)以24 h為一周期，并將24 h劃分為4個(gè)階段，如表1所示。

圖4 睡眠溫度對(duì)比Fig.4 Comparison chart of sleeping temperature

表1 時(shí)間階段劃分Table 1 Division of time stages

通過(guò)分析圖4可以發(fā)現(xiàn)，在各個(gè)供水溫度的不同時(shí)間段內(nèi)，梯級(jí)供暖床的睡眠溫度均高于單級(jí)供暖床。當(dāng)供水溫度為38.0℃時(shí)，由于加熱時(shí)間有限，且石蠟導(dǎo)熱性較差，在較低的供水溫度下相變材料與傳熱流體不能進(jìn)行良好的換熱，所以?xún)纱搀w在睡眠階段溫度衰減較為嚴(yán)重。為進(jìn)一步改善這一問(wèn)題，可在相變材料中添加導(dǎo)熱性較高的材料，提高相變蓄能的換熱效率。對(duì)于睡眠區(qū)域在睡眠階段的平均溫度，當(dāng)供水溫度為42.5℃時(shí)，梯級(jí)供暖床比單級(jí)供暖床提高了5%；當(dāng)供水溫度為47.5℃時(shí)，提高了4%，梯級(jí)相變供暖的形式有利于提高供暖床體的睡眠溫度。此外，在38.0，42.5，47.5℃3種供水工況下，單級(jí)供暖床在供水溫度為47.5℃時(shí)性能最佳，睡眠階段平均溫度為25.95℃。而梯級(jí)供暖床供水溫度取47.5℃時(shí)，睡眠階段平均溫度為27.04℃，可滿(mǎn)足睡眠區(qū)域舒適溫度為27～32℃[12]的要求。兩供暖床體其他熱舒適性能參數(shù)如表2所示。

表2 睡眠區(qū)域熱舒適性能參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison table of thermal comfort parameters of sleeping area

隨著供水溫度的提高，升、降溫速度也在增加。并且，在相同供水溫度下，梯級(jí)供暖床的升溫速度基本都略高于單級(jí)供暖床，梯級(jí)供暖床的降溫速度基本略低于單級(jí)供暖床。這就意味著在同樣的供水溫度下，梯級(jí)供暖床的蓄熱時(shí)間更短，床體熱損失更少。同時(shí)，在38.0，42.5，47.5℃3種供水溫度下，梯級(jí)供暖床的平均熱流密度比單級(jí)供暖床分別提高了1.3%，4.4%和11.8%。

睡眠溫度變化率[13]表示睡眠區(qū)域的平均溫度在每小時(shí)內(nèi)的溫度波動(dòng)幅度，計(jì)算式為

式中：β為睡眠溫度變化率，%；trm，N-N-1為N～N-1時(shí)刻持續(xù)1 h內(nèi)的睡眠溫度平均值，℃；trm，N-1為N-1時(shí)刻的睡眠溫度，℃。

圖5為兩床體在3種供水溫度下的睡眠溫度變化率對(duì)比圖。由圖可以看出：在3種供水溫度下，梯級(jí)相變供暖床與單級(jí)相變供暖床的變化趨勢(shì)大致相同，兩床體同一時(shí)刻睡眠溫度變化率的差異基本在±0.3%以?xún)?nèi)；在升溫階段初期，兩床體溫度逐漸升高，睡眠區(qū)域溫度變化率較大，且供水溫度越高，睡眠區(qū)域溫度變化率變化幅度越大；進(jìn)入熱穩(wěn)定階段后，床體睡眠區(qū)域溫度趨于穩(wěn)定，溫度變化率逐漸降低，趨近于零；在停止加熱初期，睡眠溫度開(kāi)始降低，溫度變化率負(fù)向增長(zhǎng)；進(jìn)入睡眠階段，睡眠區(qū)域溫度恢復(fù)穩(wěn)定，溫度變化率再次趨近于零。其中，梯級(jí)供暖床睡眠溫度變化率都在±2%之內(nèi)，按照NY/T 58-2009《民用火炕性能試驗(yàn)方法》中的規(guī)定，處于熱穩(wěn)定狀態(tài)[14]。

圖5 睡眠溫度變化率對(duì)比Fig.5 Comparison chart of the rate of change of sleep temperature

睡眠溫度標(biāo)準(zhǔn)差表示同一時(shí)刻睡眠區(qū)域各點(diǎn)溫度的偏離程度，計(jì)算式為

式中：σ為睡眠溫度標(biāo)準(zhǔn)差，℃；n為將睡眠區(qū)域劃分的份數(shù)；tiτ為τ時(shí)刻各個(gè)小份的睡眠區(qū)域的平均溫度，℃；tp為τ時(shí)刻睡眠區(qū)域平均溫度，℃；Ai為各小份的面積，m2；A為睡眠區(qū)域總面積，m2。

睡眠溫度不均度[14]為睡眠區(qū)域在各時(shí)間段內(nèi)不同時(shí)刻最大溫差的平均值，計(jì)算式為

式中：Δtkm，i為睡眠溫度不均度，℃；Δtkm，i為同一時(shí)刻睡眠區(qū)域各點(diǎn)的最大溫差，℃；n為各階段睡眠溫度的測(cè)溫次數(shù)。

在不同供水溫度下兩床體全天睡眠溫度標(biāo)準(zhǔn)差最大值和睡眠階段溫度不均度見(jiàn)表3。

表3 睡眠區(qū)域熱穩(wěn)定參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison table of thermal stability parameters of sleeping area

通過(guò)表3的參數(shù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在3個(gè)供水溫度下，相比于單級(jí)相變供暖床，梯級(jí)相變供暖床的睡眠溫度標(biāo)準(zhǔn)差分別減少了65%，59%，37%，睡眠溫度不均度分別減少了77%，63%，81%。梯級(jí)相變供暖床有效緩解了單級(jí)相變供暖床因床體內(nèi)相變材料導(dǎo)熱性較差而引起的溫度分布不均勻的現(xiàn)象，有利于睡眠區(qū)域維持穩(wěn)定均勻的熱環(huán)境。

2.2 碳纖維-石蠟復(fù)合梯級(jí)相變供暖床熱舒適性分析

為進(jìn)一步提高梯級(jí)相變供暖床的傳熱性能，解決石蠟導(dǎo)熱性能較差的問(wèn)題，可在純石蠟梯級(jí)相變供暖系統(tǒng)中添加導(dǎo)熱系數(shù)較高的碳纖維布，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析碳纖維-石蠟復(fù)合梯級(jí)相變供暖床與純石蠟的梯級(jí)相變供暖床熱工性能差異。

碳纖維-石蠟復(fù)合梯級(jí)相變供暖床與純石蠟梯級(jí)相變供暖床在不同溫度下的熱流密度對(duì)比如圖6所示。由圖可見(jiàn)：供水溫度越高，兩床體熱流密度波動(dòng)范圍越大，并且，由于供暖床的供水溫度由溫度控制器實(shí)時(shí)監(jiān)控并調(diào)整，所以在熱穩(wěn)定階段，供暖床的熱流密度仍有所波動(dòng)；當(dāng)水箱停止向供暖床供熱水，睡眠區(qū)域沒(méi)有外部熱源的供給，僅靠床體內(nèi)的相變材料放熱維持溫度，因此在睡眠階段，熱流密度趨于穩(wěn)定。但由于石蠟在融化階段的過(guò)冷特性，導(dǎo)致睡眠階段介質(zhì)層向睡眠區(qū)域傳遞的熱流密度呈現(xiàn)先下降后逐步上升的曲線(xiàn)。碳纖維的添加可改善純石蠟梯級(jí)相變供暖床換熱不充分的問(wèn)題，并提高床體熱流密度，其中，復(fù)合梯級(jí)相變供暖床熱流密度在供水溫度為38.0，42.5，47.5℃時(shí)分別提高了31%，21%，6%。

圖6 熱流密度對(duì)比Fig.6 Comparison chart of heat flux density

圖7為不同供水溫度下兩床體睡眠溫度對(duì)比。相較于純石蠟梯級(jí)相變供暖床，復(fù)合梯級(jí)相變供暖床睡眠階段的平均溫度在不同供水溫度下均有所提高，其中，在供水溫度為38.0℃時(shí)提高了9%，42.5℃時(shí)提高了6%，47.5℃時(shí)提高了7%。當(dāng)供水溫度為38.0℃時(shí)，碳纖維布的添加在提高睡眠溫度的同時(shí)，有效緩解了純石蠟梯級(jí)相變供暖床在睡眠階段溫度衰減嚴(yán)重的情況，提高了供暖床體的換熱效率。供水溫度為42.5℃和47.5℃的睡眠溫度曲線(xiàn)變化趨勢(shì)大致相同，睡眠階段的溫度變化較為平穩(wěn)，且復(fù)合供暖床全天的睡眠溫度均高于梯級(jí)供暖床。對(duì)于復(fù)合梯級(jí)相變供暖床，3個(gè)供水溫度下的睡眠階段平均溫度分別為28，28.2，28.99℃，均滿(mǎn)足睡眠區(qū)域熱舒適[12]需求。在冬季，復(fù)合梯級(jí)相變供暖床因其良好的傳熱性能可有效避免太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不足對(duì)床體熱舒適產(chǎn)生的影響。

圖7 睡眠溫度對(duì)比Fig.7 Comparison chart of sleeping temperature

3 結(jié)論

在38.0，42.5，47.5℃3個(gè)供水溫度下，本文對(duì)單級(jí)相變供暖床、梯級(jí)相變供暖床和碳纖維-石蠟復(fù)合梯級(jí)相變供暖床的熱性能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：

①在睡眠溫度標(biāo)準(zhǔn)差方面，梯級(jí)相變供暖床比單級(jí)相變供暖床減少了至少59%，梯級(jí)蓄熱的形式有利于營(yíng)造更加舒適均勻的睡眠環(huán)境；

②梯級(jí)相變供暖床在全天的睡眠溫度均高于單級(jí)相變供暖床，其中，在睡眠階段的平均溫度至少提高了4%；

③碳纖維布的加入進(jìn)一步改善了供暖床體的傳熱性能，提高了供暖床體的睡眠溫度。相較于純石蠟梯級(jí)相變供暖床，復(fù)合梯級(jí)相變供暖床在睡眠階段的平均溫度提高了6%以上。