混凝土储热块在太阳能采暖系统中的特性

王 艳，菅泳仿，白凤武，田斌守，李 洋

（1中国科学院电工研究所，北京 100190；2甘肃省建材科研设计院，甘肃 兰州 730020；3南京工业大学，江苏省过程强化与新能源装备技术重点实验室，江苏 南京 211816）

1随着能源需求的不断增长，推进可再生能源的发展成为现今能源领域的一大主题[1-3]。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，符合目前能源结构发展需求，近年来在大型建筑、区域供热领域取得了快速的发展。但由于太阳能资源的间歇性和不连续性，在太阳能建筑采暖和太阳能热水系统中加入储热系统成为今后发展的一个重要方向。

目前采暖系统中的储热方式以显热储热和潜热储热为主。显热储热是利用物质本身的温度变化来实现热量的存储和释放。潜热储热是利用物质的相变潜热来实现热量的存储和释放。对于以太阳能作为热源的采暖系统，目前采用的储热系统主要是以显热潜热为主。太阳能采暖系统中典型的储热装置主要有带相变材料的混凝土储热、大容积水箱储热、跨季节储热等。跨季节储热是利用地埋水箱的方法，将春、夏、秋三季的热量存储起来，用于冬季的采暖需求，近年来跨季节储热成为亚欧国家最受关注的储热形式[4-5]之一。但跨季节储热由于热量存储周期较长，对储热系统的容积要求高，初期投资成本大，因此适合于大面积的集中供热使用。在混凝土中加入低熔点的相变材料，形成相变混凝土储热装置，在太阳能热利用领域也受到了广泛的关注[6-8]。虽然在建筑材料中加入相变材料能有效提高储热系统的储能密度，但固体材料和相变材料之间的封装、腐蚀等问题成为制约混凝土相变储热大规模发展的一个重要因素，因此相变混凝土储热目前还停留在实验室的性能测试阶段。为了实现规模化的混凝土储热工程示范，提高混凝土储热块的热性能，近年来提出了通过在混凝土内添加高导热率的材料，如钢纤维、石墨等，提高混凝土的导热性和耐温性，成为固体储热领域的一个重要研究方向[9-11]。耐高温混凝土的储热特性在中高温储热领域已经开展了实验及数值研究，研究结果表明，利用混凝土储热块来存储热量，可以有效地降低储热系统的成本，同时由于混凝土储热块的耐高温性，可以满足较宽温度范围内的储热要求。虽然混凝土储热块在中高温领域得到了广泛的研究和示范，但在中低温领域的应用还相对较少。

本工作通过实验研究了太阳能采暖系统中混凝土储热块的充放热特性。通过对大容积混凝土储热块在充放热过程中流体温度及混凝土储热块内部温度的变化，分析混凝土储热块作为储热装置在太阳能采暖系统中的可行性。

1 太阳能采暖系统中混凝土储热装置传热机理

混凝土储热主要是利用混凝土的显热特性，将热流体的能量存储到混凝土储热块中，同时利用冷流体将储热块中的热量进行提取的一种热量存储装置。充热状态下，热流体通过换热管，将热量传给混凝土储热块；放热状态下，混凝土储热块中的热量通过换热管，将热量传给冷流体，加热冷流体达到一定的温度。其存储的热量为

混凝土储热块通过与流体的热交换，实现了充热与放热过程。为了进一步分析混凝土储热块的传热特性，定义了混凝土储热块及传热流体的传热速率，即

混凝土储热块在充放热过程中，与流体进行热交换，其充热效率和放热效率分别定义如下

充热效率

放热效率

式中，K为对流放热系数，W/(m2·K)；A为混凝土与传热管之间的传热面积，m2；TΔ为混凝土储热块充热与放热状态下的温差，K；Q为传热量，kJ；m为混凝土储热块或水工质的质量，kg；cp为比热容，kJ/(kg·K)；t为充放热时间，s；solid表示混凝土储热块；fluid表示水工质。

2 实验系统及设备

2.1 混凝土储热块

为了开展混凝土储热块在太阳能采暖系统中传热特性的研究，甘肃省建材科研设计院研发了一种新型的用于太阳能采暖的高性能混凝土。通过在混凝土中添加如钢纤维、粉煤灰以及石墨等材料来增加混凝土的容重，提高混凝土的导热系数以及混凝土在高温条件下的力学和热学性能。表1所示为新型混凝土的热物性参数，其中密度和比热容由中国航天科技集团公司五院五一O所进行测试。混凝土的导热系数由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室进行相关测试。从表1中可以看出，由甘肃省建材科研设计院研发的混凝土导热系数为 2.65 W/(m·K)[普通混凝土导热系数仅为1W/(m·K)左右]。图1为在甘肃省永登县太阳能实验基地建成的用于太阳能采暖的混凝土储热模块。

表1 混凝土热物性参数Table 1 Properties of concrete material

图1 混凝土储热模块Fig.1 Concrete thermal storage

混凝土储热模块由换热管束和混凝土储热块组成，如图 1(a)所示，其中换热管束主要用于流体的传输及热量传递，并埋植于混凝土块中。而混凝土块主要用于热量的存储。根据充放热过程中传热流体进出口温差的要求，整个混凝土储热块的体积为9.26 m3，分别由两块1.2 m×0.96 m×4 m的混凝土储热块串联纵向叠加组成。为了减小混凝土储热块与外界的热交换，采用厚度为160 mm的聚苯板对混凝土储热块进行保温处理，如图1(b)所示。每块混凝土储热块内埋置有86根DN=19 mm×1.5 mm的换热钢管，换热钢管的管间距为 100 mm，呈正三角形排布，混凝土储热块的截面如图2所示。

2.2 带储热装置的太阳能采暖系统

为开展混凝土储热块储热特性的研究，提高可再生能源的利用率，本工作提出一种利用混凝土储热块和水箱来储存由太阳能集热器收集的热量，同时满足建筑采暖需求的太阳能采暖系统。图3所示为带混凝土储热块的太阳能采暖系统流程图。

图2 混凝土储热块截面图Fig.2 The cross-section of concrete thermal storage

图3 带混凝土储热块的太阳能采暖系统Fig.3 The solar heating system with concrete thermal storage

太阳能采暖系统由太阳能集热器、储热水箱、混凝土储热块和采暖末端组成。其中太阳能集热器为热管式太阳能集热器，总面积为 96 m2。太阳能集热器通过吸收太阳辐照，提供采暖和储热所需的热量。整个系统采用储热水箱和混凝土储热块来实现热量的存储。从图3中可以看出，由于系统中加入了混凝土储热模块，整个采暖系统一天的热量由两种不同的模式提供：太阳辐照强时，太阳能集热器为混凝土储热模块充热和提供建筑采暖所需的热量；夜间或阴天时，通过混凝土储热块的放热和水箱内电加热的方式，提供建筑采暖所需的热量。由于系统中加入了混凝土储热模块，可以有效延长太阳能的利用时间，满足24 h建筑采暖需求。

2.3 测试系统

实验过程中采用精度为±0.5%、最高使用温度为 80 ℃的体积流量计测量进出口水工质流量。采用54根精度为±0.1 ℃的PT100热电阻测量水的进出口温度以及混凝土储热块内部温度。为了测量混凝土储热块沿径向和轴向的温度分布，每块混凝土储热块沿轴向分布有3个测温截面，如图4(a)所示，以测量混凝土储热块内沿流动方向的温度分布。每个轴向测温截面内有9个测温点，如图4(b)所示，分别测量3个不同轴向上的温度分布，其中测温点1、4、7为换热管管壁温度（混凝土内最高温度），测温点3、6、9为三角形排布的换热管几何中心处的温度（混凝土内最低温度），测温点2、5、8为上述测温点中间位置的温度。

图4 混凝土储热模块内温度测点布局图Fig.4 The position of thermal resistance

3 结果分析

3.1 混凝土内部温度计算方法

混凝土储热块的横截面为1.2 m×0.96 m，混凝土储热块内温度的测量采用多点测试方法，对内部温度进行测试。通过对不同位置处温度的测量，采用数学平均法来表示每一个截面处的平均温度，如式(5)所示。

从图4中可以看出，每块混凝土储热块的长度均为4000 mm，沿轴向方向设置有3个测温截面。为了更加准确地得到整个混凝土储热块的平均温度，单块混凝土储热块的平均温度采用加权平均法来计算。由图4(a)可知，每块混凝土储热块沿轴向分布有3个测温截面。在计算每块混凝土储热块的平均温度时，以充热流体的入口端面为基准，以各个测温截面距离入口端面的距离作为计算加权平权温度的加权因子。各个截面的加权因子及总的加权数见表2。每块混凝土储热块的平均温度见式(6)。

表2 混凝土储热块各截面加权因子Table 2 Weight factor of concrete average temperature

式中，Ti,aver-con-tem为沿轴向每个截面处的平均温度，由式(1)计算所得。

3.2 混凝土储热块充热特性及内部温度分布

3.2.1 混凝土储热块充热特性

充热过程中，采用太阳能集热器对水箱中的水进行加热，水箱中的水达到一定温度后，进入到混凝土储热块中进行充热实验。实验过程中，混凝土储热块充热时，其水流量为4.3 m3/h，充热时间为6 h，混凝土储热块在充热过程中水工质进出口温度及混凝土储热块内部温度变化如图5所示。

图5 混凝土储热块充热状态下温度变化Fig.5 The temperature variation with time in charging processing

从图5可以看出，在6 h的充热状态下，混凝土储热块的温度从31.5 ℃加热到65 ℃。水工质的进出口温差随着充热过程的进行，其温差越来越小，充热完成时，进出口水工质的传热温差仅为2 ℃左右。其原因在于随着充热过程的进行，混凝土储热块的温度逐渐升高，混凝土储热块的储热量减小，导致传热工质的出口温度上升。但在充热1 h后，传热工质的出口温度均维持在 45 ℃以上。根据分散式采暖要求可知，储热块中出来的水工质可以用于建筑采暖。

3.2.2 混凝土储热块内部温度分布

图6所示为混凝土储热块充热过程中轴向温度分布，截面位置如图4所示，其中每个截面之间的距离均为1 m。从图中可以看出，在整个充热过程中，混凝土储热块轴向温差最高时可以达到11 ℃，充热结束时，最高温差仍然有4.5 ℃，截面1和截面3的温度与入口温度基本达到一致，说明第一块混凝土已经完成充热。

图6 混凝土储热块和水工质温度分布Fig.6 The temperature distribution of concrete thermal storage and water fluid

3.3 混凝土储热块放热特性及内部温度分布

3.3.1 混凝土储热块放热特性

实验过程中，对混凝土储热块的放热特性进行了研究。在放热之前，采用储热水箱中的水对建筑进行采暖，降低储热水箱中的水温，保证进入到混凝土储热块中冷流体的入口温度。同时，由于混凝土储热块在充热过程中，两块混凝土储热块内部温度分布不一致，放热过程采用逆流放热，即放热过程中，流体的入口为充热时流体的出口。图7为混凝土储热块放热状态下的温度变化图。

从图7可以看出，混凝土储热块在放热状态下，经过8 h的放热，温度从61.5 ℃下降到46 ℃，而传热工质水的出口温度从放热初期的 56 ℃下降到45 ℃。传热工质的进出口温差随着放热过程的进行逐步缩小，从开始的10 ℃减小到放热结束后的2 ℃。传热工质进出口温差的减小，一方面是由于在放热过程中混凝土储热块内部温度在逐步下降，同时由于从混凝土储热块中出来的水工质进入采暖循环系统回到储热水箱中，进一步降低了水工质在放热过程中的入口温度，从而导致传热工质的进出口温差随着放热过程的进行不断下降。但放热状态下的温度变化表明，利用混凝土储热块存储的热量进行放热，可以实现夜间的建筑采暖。

图7 混凝土储热块放热状态下的温度变化Fig.7 The temperature variation with time in discharging processing

3.3.2 混凝土储热块内部温度分布

图8为混凝土储热块各截面在放热过程中的轴向温度变化情况。

图8 混凝土储热块和水工质温度分布Fig.8 The temperature distribution of concrete thermal storage and water fluid

从图8可以看出，在整个放热过程中，混凝土各截面的轴向平均温度以及传热流体的出口温度基本都是线性变化的。放热结束时，截面1的温度比截面3、4要低，其原因在于实验过程中，两块混凝土储热块纵向叠加在一起，混凝土储热块在径向存在一定的温差，截面1的平均温度明显高于截面6。在放热过程中，流体从截面6的端部进入混凝土储热块中，并与混凝土储热块进行放热，温度下降趋势明显，加速了截面 1通过径向与截面 6的放热速率。

3.4 混凝土储热块充放热效率

为了进一步分析混凝土储热块的热性能，对混凝土储热块在太阳能采暖系统中的充放热效率进行了分析。表3为太阳能采暖系统储热装置各阶段的热量分配表。太阳能采暖系统的储热装置是采取混凝土充热、储热水箱放热、混凝土放热的模式来进行热量的存储及释放，以确保最大限度地增大混凝土储热块与传热工质的进出口温差，同时有效延长太阳能采暖时间，提高太阳能的利用率。

表3 太阳能采暖系统充放热过程热量分配Table 3 The heat of solar heating system

从表3可以看出，混凝土储热块的充热效率为94%，而放热效率为81%。经过8 h的放热后，混凝土储热块的温度达到47 ℃左右。同时从表3可以看出，采用储热水箱和混凝土储热块来存储太阳能集热器提供的热量，可以实现15 h的建筑采暖，从而满足21 h的太阳能采暖需求，有效地降低了辅助能源的利用率。

4 结 论

本工作通过实验验证了混凝土储热块在太阳能采暖系统中的充放热特性。研究结果表明，可以将混凝土储热块用于太阳能建筑采暖系统中作为储热装置，来提高可再生能源的利用率。

（1）充热过程中，水工质的进出口平均温差达到 10 ℃；放热过程中，水工质的进出口平均温差为2 ℃。

（2）对1.2 m×1.92 m×4 m的混凝土储热块进行6 h充热，使混凝土储热块的温度达到65 ℃以上。经过8 h的放热，水工质的出口温度维持在45℃左右，在夜间太阳能不足的条件下，可以满足建筑采暖的需求。

（3）由于混凝土储热块为固体储热，其内部导热系数相对较小。实验结果表明：混凝土储热块的充热效率比放热效率高。

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