太阳能辅热相变蓄能火炕供暖系统实验研究

李珍，付宁，张法，周伟，姜俊南，姜丹（沈阳大学建筑工程学院，沈阳110044）

太阳能辅热相变蓄能火炕供暖系统实验研究

李珍，付宁，张法，周伟，姜俊南，姜丹
（沈阳大学建筑工程学院，沈阳110044）

将相变蓄能和毛细管网型太阳能供热2种技术同时运用在火炕上，通过实验研究相变蓄能材料和太阳能毛细管网低温热水联合辅助供暖时对室内温度和舒适性的影响，得出采用该系统的房间炕头、炕中、炕尾的平均温度分别为40.96℃、39.06℃、37.52℃，温差最大处仅为3℃；普通房间炕头、炕中、炕尾的平均温度分别为65.7℃、43.28℃、39.82℃，温差大于20℃，夜间炕面温度下降阶段，铺有相变材料的炕面温度下降缓慢，在0:00~7:00之间均高于普通火炕炕面温度，优势明显。新模式下的房间白天室内平均温度比普通房间提高10.83℃，夜间比普通房间高7.21℃，大大改善了农居室内及炕面的舒适性。

相变蓄能；太阳能；毛细管网；火炕

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.151

1 引言

太阳能以其资源丰富、免费使用、对环境无任何污染的特点而成为新能源开发利用的主导方向，但由于受到晴、阴、云、雨等随机因素的影响，必须借助于可靠的辅助热源才能完成常规能源的供暖效果。太阳能与毛细管网联合使用的明显技术优势是太阳能集热管只需将热水加热到30℃以上毛细管网便可有效散热，引入毛细管网可以大大改善农居室内热舒适性，既节省了能源，又保护了环境。由于受到能源危机的影响，相变材料的应用已成为研究热点。火炕面板中加入相变蓄热材料可以把多余的热量转换成热能储存起来，并延迟火炕的有效散热时间，提高室内舒适性。利用相变蓄热材料的蓄换热性能，使用少量的材料就可以储存大量的热量，这些热量在炕面板温度下降到不能为房间采暖时释放，实现了能量的转移。同时炕面板和室内之间的热流波动幅度被减弱，作用时间被延迟，从而降低建筑物供暖的热负荷，达到节能的目的，还营造了良好的人居环境。然而，相变材料的使用，势必带来系统热惯性的增大，而毛细管网型太阳能供热系统热惯性小，热反应时间短，恰好可以补偿相变蓄能材料带来的弊端，使得整个系统舒适性更强，使用更灵活。

2 实验方案设计

2.1 相变蓄能火炕的特点

2.1.1 相变材料的选择

使用相变材料进行储热，具有温度恒定、储热密度大、储热容器体积小、热效率高的优点。火炕的蓄热形式都是显热蓄热，且加热过程中炕体升温较高，炕面温度往往超出人体承受极限，尤其是炕头，温度最高时达到90℃以上。从炕面传热的角度出发，炕表面温度越高，炕体向室内散发的热量越大。但是，人体细胞对温度的耐受力是有限的，根据医学研究，39～41℃属于人体细胞正常新陈代谢的温度范围。而炕面温度也不能过低，坐或卧于凉炕之上，人体会有不舒适的感觉。本文研究的相变材料重点放在相变材料的相变温度、相变潜热、使用寿命和价格方面来考虑。

48#石蜡基本符合本文所需相变材料的要求，48#石蜡是固体石蜡烃的混合物，有良好的储热性能，较宽的熔化温度范围，较高的熔化潜热，相变较迅速，化学性质较稳定，无毒、无腐蚀性。此外，48#石蜡价廉、资源丰富、耐用，日常生活中应用较为广泛，一般不容易出现过冷和相分离。48#石蜡与其他类相变材料相比，是目前理想的应用于炕体的相变材料。

2.1.2 相变材料的封装及与火炕的结合

目前相变材料和建筑材料的融合方式主要有以下几种：（1）将相变材料与建筑材料直接混合；（2）将相变材料吸人分割好的特殊硅中，形成柔软可以自由流动的干粉末，再与建筑材料相混合；（3）将相变材料密封在合适的容器内，置于建筑结构内；（4）利用封接剂将相变材料密封在建筑材料中。

本文选用的是将相变材料密封在合适的容器内，再与火炕有机结合。即采用镀锌钢板扁盒封装石蜡，然后置于炕面板内，镀锌钢板耐腐蚀，传热性能好，加工方便，密封性好，耐高温，强度大。所以本文选用将相变材料封装在镀锌钢板扁盒内与炕体结合的封装方式。

2.2 毛细管网型太阳能系统的特点

毛细管网型太阳能系统，由于毛细管网末端以超大的换热面积来降低换热温差的特点，该系统仅需30～40℃的热水，3℃左右温差即可实现传统地板辐射采暖相同的效果，此特点可针对太阳能热水系统这种不稳定热源形成极限利用，毛细管网型太阳能供热系统热惯性小，热反应时间仅为10～30min，用能品位低，节能显著。

2.2.1 太阳能热水器的特点

太阳能热水器是我国太阳能利用中应用最广泛、产业化发展最迅速的领域。大量的农户已经开始使用太阳能热水器。基于现状，本文将太阳能热水器应用到传统火炕中，产生一种新型的采暖方式——太阳能炕系统[8]。

全玻璃真空管集热器的耐冰冻性、夜间保温性能介于热管和平板集热器之间，玻璃真空管集热器具有效率高、升温快、热水产量大、耐寒能力强、使用寿命长等特点，在玻璃壁与吸热体之间形成一定的真空度，以抑制空气的对流和传导损失。在我国北方地区以玻璃真空管集热器构成的太阳能热水器占有绝对的统治地位。在我国北方的严寒地区宜选用全玻璃真空管热水器，本实验选用的即为全玻璃真空管热水器，它具有升温快、效率高、热水产量大、耐寒和夜间保温效果好等特点，所以在北方寒冷地区全玻璃真空管的性价比较高，使用也较为普遍。

2.2.2 毛细管网的特点

毛细管网供热系统是国内一项新的散热末端技术，具有轻薄、散热面积大与不挤占室内空间的特点，以超大的换热面积来降低换热温差，导热性好、换热均匀、水力损失小等特点，适合低温采暖。传统散热器需要占用很大的空间，局部空气对流墙体变黑。毛细管网隐形安装以整个炕面做散热器，散热非常均匀，热效率较高，舒适性好、卫生清洁、节能经济性好。

2.3 具体实验方案

选取2间结构相同的房间作为实验房，2个房间内的火炕尺寸及炕体的烟道结构也完全相同，其中的一个房间作为参照的房间，保持原有的状态不变，另一个房间作为实验平台搭建的房间。在实验房间的炕面上放置3个大小相同的镀锌钢板扁盒，将相变材料铺在盒内，由于炕面温度分布不均匀，从炕头到炕中再到炕尾温度依次降低，所以将炕面均匀的分成3部分，分别放置了大小相同的镀锌钢板扁盒，相变材料的用量也应依次减少。铺完相变材料之后覆盖一层塑料薄膜进行密封，然后在每个镀锌钢板扁盒内铺上一层石膏板，这样就完成了相变材料的封装。毛细管网作为散热末端与太阳能热水器连接完成后，将2片面积相同的毛细管网分别布置在铺有相变材料的炕面上和加保温层的墙面上，在实验过程中同时运行2片毛细管网为房间供热，最后将各个管路连接完整，完成试验台的搭建。然后对实验房间和参照房间的室内温度和炕面温度进行测试，对比分析测试结果，得出实验结论。

3 实验平台搭建及运行方案

3.1 实验平台搭建

试验台是在原有火炕的基础上进行搭建的，原有火炕为传统的落地炕，炕体尺寸为：2800 mm×1800 mm×800 mm,如图1、图2所示。

图1 炕体外观图

图2 落地炕原理图

1）相变材料的封装。本实验把相变材料封装在镀锌钢板扁盒内，置于炕面板上，方盒的尺寸为1600 mm×800 mm× 40 mm,镀锌钢板耐腐蚀，传热性能好。

2）毛细管网的布置。做2片与炕面面积相同大小的毛细管网，一片铺在炕面上，一片铺在墙上，并在墙上做一层6cm厚的保温隔热层，防止毛细管网与墙壁发生热传导，造成热量损失。

3）太阳能热水器的安装。在我国北方的冬季宜选用玻璃真空管集热器，该集热器具有效率高升温快，热水产量大，耐寒能力强，保温性能好，玻璃内外管之间的高真空使得对流体传导的热损失很低。

相变蓄能火炕联合毛细管网型太阳能系统主要由太阳能热水器、毛细管网末端供暖系统、自动控制系统、循环水泵、连接管道和相变材料火炕集合构成。其中主要由太阳能热水器、毛细管网和相变材料火炕构成。

3.2 实验测试方法

测试内容：采用XMZ-J系列万能输入巡回检测仪表测试相变蓄热火炕联合毛细管网型太阳能系统的炕面温度和室内温度情况，并与普通火炕的炕面温度和室内温度进行对比分析。

测点布置：《民用火炕性能试验方法》（NY T58—2009），炕面温度测点共布置9个测点。

3.3 实验原理及运行方案

实验工作原理：如图3所示，白天太阳光照射到太阳能热水器上，加热贮水箱内的水，当室内需要采暖时，开启循环泵，热水进入毛细管网中，开始向室内散热，从而提高了室内的温度，达到采暖的目的。当生火时，会产生大量多余的热量，利用相变材料把多余热量转换成热能储存起来，利用较少的相变材料就可以储存大量的热量，提高火炕的热能利用率、延迟炕表面舒适温度并提高室内温度。由于相变材料的热惯性较大会推迟清晨生火期炕面升温的速度，而毛细管网型太阳能供热系统热惯性小，热反应时间仅为10～30min，随时启动随时升温。

4 实验结果及分析

4.1 室内外温度分析

相变材料火炕联合毛细管网型太阳能系统房间与普通房间室内外温度对比分析，室内外温度分布如图4所示。

病人有一个继母、一个亲生哥哥、一个亲生哥哥和嫂嫂、异母兄弟、异母姐妹，还有一个叔叔。她的叔叔开着一家羊肉店，但是生意不好。她的婚姻是17岁那年继母安排的。

由图4可知，室外平均温度为6.2℃，普通房间室内平均温度为11.48℃，相变材料火炕联合毛细管网型太阳能系统房间室内平均温度为22.31℃，比普通房间的室内平均温度高10.83℃。太阳能毛细管网的运行使室内升温很快，室内温度变化较平缓，相变材料在夜间把储存的能量释放出来，来维持夜间室内温度。0:00～8:00，普通房间的平均温度为11.68℃，相变材料火炕联合毛细管网型太阳能系统房间的平均温度为18.89℃，比普通房间高7.21℃。

图3 实验原理图

图4 相变材料火炕联合毛细管网型太阳能系统房间与普通房间室内外温度分布图

4.2 炕面温度分析

相变材料火炕联合毛细管网型太阳能系统房间与普通房间炕面温度对比分析，炕面温度分布如图5、图6所示。

图5 普通房间炕面温度分布图

图6 相变蓄能火炕联合毛细管网型太阳能房间炕面温度分布图

由图5、图6可看出，相变材料火炕联合毛细管网型太阳能系统房间炕面温度分布较均匀，温度波动小，而相变材料的使用又使夜间散热时间延长，使炕面温度下降缓慢，次日还能保持在人体舒适温度范围内。该系统房间的炕头、炕中、炕尾的平均温度分别为40.96℃、39.06℃、37.52℃，温差最大处为3℃；普通房间炕头平均温度为65.7℃、炕中平均温度43.28℃、炕尾的平均温度39.82℃，从炕头到炕尾温度梯度很大，温差大，最大处大于20℃。普通房间的炕面温度会有3次较大的波动，最高时达到115.6℃,最低温度为18.7℃。夜间炕面温度开始下降时，铺有相变材料的炕面温度下降较缓慢，在0:00～7:00之间相变材料炕面的平均温度高于普通火炕的炕面平均温度。

4.3 太阳能热水器内水温的变化分析

太阳能热水器内水温变化如图7、图8所示。

由图7、图8可以看出，运行太阳能系统时，随着日照强度的增强，热水器内的水温也随着上升，在14:00时，水温达到一天中的最高温度为43.4℃，此时也是一天中日照最强的时刻，说明太阳能热水器的集热能力高于毛细管的散热能力。18:00停止运行太阳能，从停止运行太阳能到次日热水器内水温升温之前的最大温差为4.5℃，水温变化较小。由于夜间日照强度减弱直到消失，热水器内的水温也逐渐下降，到次日运行时可以恢复到正常运行的水温，说明全玻璃真空管热水器升温较快，储水箱的保温效果较好。

图7 运行太阳能时水温变化图

图8 停止运行太阳能时水温变化图

5 结语

1）毛细管网型太阳能系统的运行，使室内温度上升得较快，随着日照强度的增强，热水器内水温升高，毛细管网向外散发的热量随之增加，室内温度也不断升高，室内温度波动较小，温度分布较均匀。太阳能运行期间室内平均温度为24.41℃，普通房间在相同时间内的室内平均温度为10.1℃，实验房间比普通房间的室内平均温度高14.31℃；夜间时相变材料发挥作用，夜间室内的平均温度为18.9℃，比普通房间高7.21℃，全天室内平均温度为22.31℃，比普通房间高10.83℃；普通房间的室内温度到夜间停火后下降的较快，到次日7:00时室温仅为10℃，而此时实验房间的室温为16.8℃。可见毛细管网型太阳能系统和相变材料联合应用的优势之大。

2）铺有相变材料的炕面温度波动小，温度分布均匀，炕头、炕中、炕尾3部分的平均温度分别为40.96℃、39.06℃、37.52℃，温差最大处仅为3℃，并且温度都在人体感受的舒适温度范围内；普通房间炕头、炕中、炕尾的平均温度分别为：65.7℃、43.28℃、39.82℃，炕面温差最大处大于20℃。夜间炕面温度开始下降时，铺有相变材料的炕面优势较明显，炕面温度下降缓慢，在0:00～7:00之间相变材料炕面的平均温度高于普通火炕炕面的平均温度。

3）太阳能热水器内的水温随着日照强度的增强，水温逐渐升高，从停止运行太阳能到次日启用期间，太阳能热水器内的水温最多下降4.5℃，到次日启用时热水器内的水温又可以上升到毛细管网有效散热的温度，说明全玻璃真空管太阳能热水器升温较快，储水箱的保温效果较好。

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Solar Phase Change Energy Storage Complementary Heat Fire Resistance Heating Experiment

LI Zhen,FU Ning,ZHANG Fa,ZHOU Wei,JIANG Jun-nan,JIANG Dan
(Shenyang University of Architecture Engineering College,Shenyang 110044,China)

In this paper, the phase change energy storage and capillary net solar heating two technologies are applied on the fire resistance at thesame time, through the experimental study on phase change energy storage materials and solar capillary network joint auxiliary heating of lowtemperature hot water influence on indoor temperature and comfort, it is concluded that by using this system in the room the top of brick-bed,middle of brick-bed and bottom of brick-bed ,their average temperature are 40.96 ℃, 39.06 ℃ and 37.52 ℃, the temperature difference betweenthe big for only3℃; Inthe common room the to pofbrick-bed,middle of brick-bedand bottom of brick-bed ,their average temperature are 65.7 ℃,43.28 ℃ and 39.82 ℃, the temperature difference is greater than 20 ℃,in the brick-bed surface temperature drop stage, the night covered bybrick-bed surface temperature of phase change materials is falling slowly, at 0:00-7:00 between follow are higher than ordinary the brick-bedsurface temperature and obvious advantages.New mode of room in door average temperature 10.83 ℃higher than that of ordinary room during theday,night is higher than ordinary room7.21℃, greatly improving the rural brick-bedsur face and interior comfort.

phase change energy storage;solar energy;capillary network;fire resistance

TK511

A

1007-9467（2016）12-0118-05

2016-11-07

李珍（1988～），女，辽宁沈阳人，硕士在读，从事相变蓄能研究。