太阳能空气集热器和相变储能墙复合采暖系统分析

刘 馨，冯国会，黄凯良



太阳能空气集热器和相变储能墙复合采暖系统分析

刘 馨，冯国会，黄凯良

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

可再生能源的高效利用是降低建筑能耗的有效方法。将相变储能墙与太阳能热风相结合，可改善太阳能热风采暖的不稳定性，从而提高太阳能的利用效率。通过试验和ANSYS模拟软件对复合系统的分析，确定相变储能墙体的储热特性和合理用量，研究复合采暖系统的室温变化和传热规律，分析相变储能墙对采暖系统的贡献率。结果表明：与未采暖房间相比，复合采暖系统可以使室内平均温度提高7～15℃，该复合采暖系统具有一定的应用前景；当太阳能空气集热器的送风口温度在37～77℃时，相变材料能够充分利用，相变墙整体的相变比例约为40%，从线性回归比例看，复合采暖效果要比太阳能热风采暖效果好。

相变储能墙；节能率；采暖系统；模拟分析

储能是影响未来能源格局的关键技术，对提高能源利用效率、促进新能源产业发展、推动能源战略转型有重要意义。各国专家学者对相变储能相继开展了研究，Athienitis等[1]在被动式太阳房中使用相变墙，结果显示房间的温度在白天比常规墙板房间温度低4℃，而夜间其放热可以延续7 h以上。Los Alamos国家实验室（LANL）的计算结果表明，使用相变墙可以使建筑的逐时负荷均匀化，减少空调设备的初投资和运行费用[2]。Koschenz等[3]提出了一种应用于轻质建筑中的主动式相变蓄能石膏吊顶空调系统。冒东奎[4]通过实验检验了含相变材料壁板的潜热，在天花板和墙壁安装石膏板，相变材料是50%硬脂酸丁酯和48%软脂酸丁酯的混合物。储能模块与太阳能热风采暖系统相结合，可以优势互补，从而改善太阳能热风采暖的不稳定性，有效提高太阳能的利用效率。选用癸酸与月桂酸的混合物封装后形成相变储能墙，与太阳能空气集热器共同组成采暖系统，研究复合采暖系统的传热特性。

1 研究方法

1.1 实验方法

基于传统围护结构，太阳能空气集热器和相变墙分别安装，搭建了单一太阳能热风采暖系统和复合采暖系统。

（1）太阳能空气集热器

太阳能空气集热器的内部结构包括箱体、集热板、透明盖板和保温材料四大部分[5-6]。它们的材料和主要功能见表1，其工作原理如图1所示。集热器的集热面积为10.6 m2。单一的太阳能热风采暖系统是使用太阳能空气集热器采暖的。白天，集热器内空气被太阳辐射能加热，热空气通过浮升力进入室内，室内底层的冷空气通过集热器的回风口进入集热器内，重新加热，实现室内采暖。

表1 太阳能空气集热器的组成

（2）相变模块-相变墙

脂肪酸与很多相变材料相比有优势，具有良好的化学稳定性和无毒性[7]。本文采用癸酸和月桂酸的低温共熔物作为相变材料，制作成相变储能墙。两种材料按照一定比例混合，用差示扫描量热分析仪（DSC）测试混合物的相变温度和相变潜热，选择在室内舒适温度范围内具有高潜热和合适相变温度的混合比例。

分析测试结果，选用相变材料的混合质量分数为癸酸66%、月桂酸34%，共熔物的相变温度为18.55～25.41 ℃，相变潜热为126.356 kJ/kg。采用相变材料的总量约为163 kg，共熔物采用塑料管封装，防止材料挥发，提高其耐久性，避免室内人员产生不舒适感。选用内径18 mm，外径20 mm的塑料管，长为3 m。封装的相变管大约200根，用铁架将其立于实验房西墙内侧，为防止热量向外墙流失，采用苯板保温，外用石膏板封堵，形成长3.24 m、宽0.15 m、高2.9 m的相变蓄热墙（图2）。在太阳能空气集热器送风口2处，设置有小型风机，风量为3～4.3 m3/h，用来克服流动阻力。

（3）相变墙与太阳能热风采暖系统

实验房间的面积为10.5 m2，室内设计采暖负荷为75 W/m2。复合采暖系统如图3所示。它的工作原理是白天太阳能空气集热器吸收太阳辐射能，开启集热器的送回风口，热空气通过相变墙后送入室内，加热相变墙，相变材料熔化蓄热，风机开启将循环空气重新送回集热器加热；夜间，关闭风机和集热器的送回风口，相变材料凝固放热，把白天蓄存的热能送入房间。

1.2 ANSYS模拟

运用ANSYS[8]模拟软件分析相变墙的相变过程，针对相变墙中任一相变管进行数值模拟，建立二维模型，通过改变施加温度载荷来代替不同时间或不同位置的相变管，进行相变墙的储热性能分析。

数值模拟的模型与相变管实际尺寸一致，由于圆管为中心对称，沿直径选取断面的上半部进行模拟，长为3 m，内径为0.009 m，外径为0.010 m，相变材料密度为900 kg/m3，热传导率为0.558 W/(m·K)，初始温度为280 K，塑料管密度为930 kg/m3，热传导率为0.34 W/(m·K)，施加温度荷载大小见表2。从表中可以看出温度荷载随时间变化而变化，相同温度荷载持续时间约为1 h，如上述简化便于验证所建立模型的有效性。实测温度位置为太阳能空气集热器送风口处。

表2 不同时间的实测温度和温度荷载值

2 结果与讨论

在传统围护结构的基础上分别安装太阳能空气集热器和相变储能墙，通过实验数据分析单一太阳能热风采暖系统和复合式采暖系统的温度响应规律和传热特性的基础。通过模拟数据分析相变储能墙的传热性能。

2.1 单一采暖

太阳能热风采暖的效果如图4所示，由于实验房间采用的是轻质围护结构，室内温度波动较大，昼夜最大温差约为12 ℃。白天，室内温度为5～10℃；夜间，室内温度为0 ℃左右。与未采暖房间对比，太阳能采暖系统将室内温度平均提高5～7 ℃。集热器送回风口的空气温度温差也较大，这是由于送回风口相距较远所致。集热器送风口温度在每天中午13:00左右达到最高，送风口温度范围在5～70 ℃，和太阳辐射强度的分布情况吻合。

2.2 复合采暖

相变墙与太阳能热风共同采暖的效果如图5和图6所示。从图5中可以看出，由于空气比热容较小，在蓄热循环中空气温度沿相变墙高度有明显的变化。但处于相同高度的相变墙，温度波动较小。相变墙白天的测试温度能一直维持在15～16℃，夜间温度下降，蓄热量有限，第五天为阴天，未给予分析。相变墙上中下层的划分是将3 m高的相变墙均匀分成3个梯度，每一梯度各个区域的温度最高值取平均数，得到相变墙上中下的温度变化曲线。图6给出了实验房间、对比房间的室内温度和室外温度曲线。由于试验房间采用的是轻质围护结构，室内温度波动较大，昼夜最大温差约为10℃。晴天情况下，室内平均温度能维持在13℃左右。与对比房间相比，复合采暖系统将室内温度平均提高7～15℃。测试房间没有安装辅助热源。

2.3 模拟结果

如图7所示，相变管不同位置的温度是通过不同温度荷载3600 s后模拟结果表示的。

从图7中可以看出，相变管每个节点的温度是很明显的。管两端的温度明显高于管中间段的温度，相变管中间段温度分布均匀。在图7(a)～7(e)中，各个节点的温度均高于相变材料的相变温度，管内材料完全发生相变。在图7(f)中，各个节点的温度均低于相变材料的相变温度，温度范围在291.2～291.6 K，管内材料不发生相变，说明在集热器送风口温度达到300 K时，相变管内部经过3600 s的换热过程，相变管内相变材料不熔化，也说明在9:00—10:00、16:00—16:30时间段内相变材料不蓄热或处于放热状态。相变管的模拟情况见表3。

表3 不同温度荷载对应的相变材料性状

由表3得到，相变管的储能时间区间为10:00—16:00，而9:00—10:00、16:00—16:30时间段内相变材料不蓄热或处于放热状态。

2.4 线性回归分析

根据实验和模拟结果对比分析相变墙内材料的利用率，相变墙模拟的蓄热时间段为10:00—16:00，通过图6中的实验数据可以得到，相变墙温度梯度明显，中层下层的相变材料无法达到相变温度，未实行蓄热相变。只有上层相变材料发生相变，相变比例约为40%，存储能量为8238.4 kJ。相变材料未全部完成蓄热过程，这有两个主要原因，一是由于太阳能空气集热器辐射面积有限，并且太阳能热风系统属于被动式采暖方式，空气循环依靠浮升力，热交换不充分导致的；室外气象条件是另一个重要影响因素，太阳能辐射强度变化剧烈，热风的温度不易控制。

对比热风采暖方式和复合采暖方式的室内温度波动情况，通过线性回归的方式，研究某一天室内温度变化随室外温度变化的一致性，通过相似比率来判断室内温度的稳定性和舒适性。线性拟合度越高，室内温度变化越接近室外温度变化，则采暖效果越差。如图8和图9可知，热风采暖方式和复合采暖方式的线性拟合度分别为0.6219和0.5922。单一太阳能热风采暖系统的线性拟合度高于组合式采暖系统，说明组合式采暖系统的温度性和舒适性更高一些。

3 结 论

本文对比单一太阳能热风采暖系统和复合采暖系统，通过实验和模拟的方式研究采暖效果，得到以下结论。

（1）由于实验房间采用的是轻质围护结构，单一太阳能热风采暖系统的室内温度波动较大，昼夜最大温差约为12 ℃。白天，室内温度为5～10 ℃；夜间，室内温度为0 ℃左右。假设相变墙后，实验房间室内温度波动变小，昼夜最大温差降为10 ℃。晴天情况下，室内平均温度能维持在13 ℃左右，与单一太阳能热风采暖房间相比，室内昼夜最大温差减小2 ℃，夜间温度提升5～7 ℃，室温平稳性大大提高。与未采暖房间相比，复合采暖系统可以使室内平均温度提高7～15 ℃，该复合采暖系统具有一定的应用前景。

（2）当集热器送风口温度达到310～350 K时，相变材料完全熔化。模拟表明相变材料的蓄热时 段在10:00—16:00，但是其它时段相变墙处于未 蓄热或释热阶段。当集热器送风口温度达到300 K时，相变管内相变材料不熔化。只有上层相变材 料发生相变，相变比例约为40%，存储能量为 8238.4 kJ。

（3）利用某一天的线性拟合度来研究室内温度变化随室外温度变化的一致性，热风采暖方式和复合采暖方式的线性拟合度分别为0.6219和0.5922。单一太阳能热风采暖系统的线性拟合度高于组合式采暖系统，说明组合式采暖系统的温度性和舒适性更高一些。

[1] Athienitis A K，Liu C，Hawes D，. Investigation of the thermal performance of a passive solar test-room with wall latent heat storage[J] .，1997，32（5）：405-410.

[2] Karen L G，Michael S. Phase change wallboard for peak demand reduction[R]. Los Alamos National Laboratory (LANL) Report，TM29324，1993.

[3] Koschenz M，Lehmann B. Development of a thermally activated ceiling panel with PCM for application in lightweight and retrofitted buildings[J].，2004，36：567-578.

[4] Mao Dongkui（冒东奎）. 含相变材料的壁板的潜热蓄热试验[J].（新能源），1998，20（4）：1-5.

[5] Chen Bin（陈滨），Xue Jing（薛静），Yang Wenxiu（杨文秀），. Experimental study on thermal performance of a new type solar air collector with colored façade in winter[J].（暖通空调），2007，37（8）：103-107.

[6] Zhang Dongfeng（张东峰），Chen Xiaofeng（陈晓峰）. Study on solar high efficient air collector[J].（太阳能学报），2009，30（1）：61-64.

[7] ZhangYanping（张寅平）. 相变贮能–理论和应用[M]. Hefei：Press of University of Science and Technology of China，1996.

[8] Li Liming（李黎明）. ANSYS有限元分析实用教程[M]. Beijing：Tsinghua University Press，2006.

Integration of solar air collector with phase change material wall for a heating system

LIU Xin, FENG Guohui, HUANG Kailiang

(School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, Liaoning, China)

Using renewable energy is one of the effective methods to reduce building energy consumption. In this paper, a solar hot air heating system is combined with phase change material wall with an aim to improve the efficiency of solar heating. With such a heating system, the instability due to intermittency of solar energy and the efficiency of solar energy utilisation could be improved. Experimental testing and numerical modelling in the ANSYS environment have been carried out on the integrated heating system. The characteristics of phase change material wall and the percentage of the phase change materials in the wall are determined and the contribution of the phase change material is obtained. The results indicate that, compared with the non-heating case, the combined heating system increases the indoor temperature by 7 ℃ to 15 ℃ on average. When the air inlet temperature of the collector is between 37 ℃ and 77 ℃, the phase change material is fully utilised with approximately 40% of the wall performing phase change function. Analysis of the results suggests the combined heating system be better than solar air heating only system.

phase change wall; energy saving effect; heating system; simulation analysis

10.3969/j.issn.2095-4239.2015.06.012

TK 512.4

A

2095-4239（2015）06-632-06

2015-07-30；修改稿日期：2015-09-11。基金项目：国家自然科学基金（51308352），辽宁省高校创新团队（LT2013013）和沈阳市科技局（F13-160-9-00）项目。第一作者：刘馨（1983—），女，博士，讲师，主要研究建筑热过程、室内空气保障技术、相变储能及建筑节能技术等，E-mail：girl_liuxin@ 163.com；通讯联系人：冯国会，教授，博士研究生导师，主要研究方向有：建筑节能、相变储能技术及应用、室内空气品质保障技术等，E-mail：Fengguohui888@163.com。