应用于建筑采暖的薄壁式相变蓄热箱体实验研究

王欣，钟俞良，李德英

[1.北京建筑大学 环境与能源工程学院，北京市供热供燃气通风及空调工程重点实验室，北京 100044；2.百吉瑞（天津）新能源有限公司，天津 300000]

0 前言

相变蓄能技术是当前研究的热点，相变材料利用自身相态变化蓄放热温度近似恒定是相变蓄能技术的一大特点[1-5]，利用太阳能，将相变蓄能技术应用于建筑围护结构，既能满足室内的热舒适性，又具有良好的蓄热节能效果[6-11]。

国内外研究者主要就相变材料及相变材料蓄热装置2个方面进行开发，Chiu和Martin[12]建立了埋管式圆柱翅片相变蓄热装置模型，验证基于TES盐水合物的凝胶性能可用来评估纯传导模型。Robak等[13]实验研究具有潜热储热性能的热管相对于翅片辅助、非热管非翅片的构造，可令传热流体和PCM之间传热量增加1倍。Tokuc等[14]通过实验验证CFD模拟的屋顶内部PCM厚度（即固/液相）随时间变化的情况，求解区域适应性的最优值。蔡焕琴等[15]研制的复合相变保温板导热系数小于0.05 W/（m·K），相变温度在15～38℃范围内，达到调节室温效果。李凤飞等[16]提出了以新型平板微热管为核心元件的空气相变蓄热器，蓄、放热功率分别达418 W、353 W，总效率达到0.87[16]。闫全英等[17]介绍了相变材料轻薄干式供暖地板与普通地板相比具有较高的向上热流密度且采暖无热损失的优点。

本文将石蜡添加到建筑围护结构，以抛物槽式真空管太阳能集热系统为热源，对添加石蜡的薄壁式相变蓄热箱体进行放热过程的热分层实验研究。通过调控抛物槽真空管太阳能集热器进出口水温，监测蓄热箱体壁面温度、内部温度及壁面热流密度的情况，对比研究薄壁式蓄热箱体热分层现象的热工性能。

1 实验

1.1 薄壁式相变蓄热箱体

本实验所用薄壁式相变蓄热箱体的外尺寸为800 mm×60 mm×800 mm，相变蓄热箱体的外壁为1 mm厚的不锈钢板，箱体顶部由可拆卸的沉降螺钉连接密封垫密封构成，并设有排气孔。在箱体的内部盘有直径为16 mm，间距为60 mm的紫铜管，并设有支撑肋片将铜管与箱体的内壁焊接为一体，从而固定铜管在箱体内部的位置。铜管的设计方式为蛇形连接，左进右出，上进上回。将熔融液态石蜡添加到箱体中并密封严实，即为薄壁式相变蓄热箱体。本实验共向薄壁式相变蓄热箱体中添加31.2 kg石蜡（熔点Tm为25.72℃，熔化焓Hm为106.2 J/g）。图1为相变蓄热箱体内部构造示意。

图1 薄壁式相变蓄热箱体示意

1.2 抛物槽真空管太阳能集热器

为了给薄壁式相变蓄热箱体提供充足的热量，本实验将2组抛物槽真空管太阳能集热器采用并联的方式连接成一个整体，通过太阳能集热器收集太阳辐射的热量，从而为相变蓄热箱体提供热源使石蜡熔化蓄热。实验采用的热媒为水媒介，热媒管路为DN15的硅胶软管，并用黑色保温棉给热媒管路做保温。图2为该抛物槽真空管太阳能集热器。

图2 抛物槽真空管太阳能集热器

1.3 蓄热系统连接

将太阳能集热器DN15水管路与薄壁式相变蓄热箱体中的铜管相连接构成回路，并在水系统回路设有循环水泵（CRS-25/9，200W，德国维克）和电磁流量计（ZJ-LCD-M，≤±2%，佛山市中江节能电子有限公司）。通过温度传感器（T型，≤±0.4℃）、控制器（XMTD，≤±0.5%）和继电器（PTF08AE）对循环水泵进行起停控制：设置太阳能集热器出口水温为30℃时循环水泵启动。

1.4 测点布置

在太阳能集热器进出口处设有热电偶对太阳能集热器进出口水温进行监测；薄壁式相变蓄热箱体的T型热电偶和WYP型热流密度计布置如图3所示，通过安捷伦34972A与热电偶和热流密度计相连接进行数据采集与记录。

图3 测点布置示意

2 结果与分析

2.1 壁面温度测试结果分析

本实验测试日期为：3 月 12 日 00：00～19 日 00：00，测试结果表明，同一水平线上测点温度基本相同，同一竖直线上温度不同。以下将对竖直线上温度进行研究。图4为测试期内薄壁式蓄热箱体壁面温度连续性曲线。

图4 蓄热箱体壁面温度曲线

从图4可以看出，石蜡在蓄热箱体中出现了明显的热层现象：上部测点温度＞中部测点温度＞底部测点温度。这是由于在太阳能集热器收集的热水通过蓄热箱体的盘管给蓄热箱体中的石蜡加热时，熔化的液态石蜡密度小于固态石蜡，同一时刻未熔化的固态石蜡会发生自沉降现象沉降至箱体下部，而在温度的表现形式上，固态石蜡的温度低于熔化的液态石蜡，因此会出现热分层现象。同一时刻不同位置测点温度差别较大：上部测点温度与底部测点温差最大为3月13日11：30时的20.52℃，表1列出了测试日上部测点与底部测点最大温差的时刻和相对应的温度。

表1 壁面不同位置测点最大温差

表2列出了上部、中部及底部测点位置的壁面日最高温度。上部测点与底部测点日最高温度的最大差值出现在3月12日，为10.21℃。

表2 壁面不同位置测点日最高温度

2.2 内部温度测试结果分析

图5 蓄热箱内部温度曲线

为了验证实验的准确性，本实验在蓄热箱体内部与外壁面齐平的位置布置了测温热电偶进行温度测量。图5为箱体内部温度曲线，测点温度高于石蜡熔点25.72℃的曲线趋势与壁面温度曲线趋势一致。如图5中Ⅰ区域所示，在石蜡熔点温度25℃附近，上部测点位置与中部测点位置温度曲线接近，这是由于石蜡在此段时间内进行了熔化放热相态变化。壁面温度曲线与内部温度曲线不同的原因是，壁面温度曲线还受外部环境温度的影响。

2.3 壁面热流密度测试结果分析

图6为薄壁式蓄热箱体壁面热流密度曲线，热流密度可反映出热量传递的方向和量级。热流密度为正值，表明热量由蓄热箱体向环境传热；热流密度为负值，表明热量由环境向蓄热箱体传热。

图6 热流密度曲线

从图6可以发现，蓄热箱体壁面3个位置热流密度在同一时刻均不相同：整体趋势为上部位置＞中部位置＞底部位置。测试期内上部位置和下部位置热流密度最大差值出现在3月13日11：30，上部位置的热流密度为77.79 W/m2，下部位置的热流密度为-35.51 W/m2，差值为113.30 W/m2。热流密度值为负值的原因是由于太阳辐射强度和环境温度升高，导致蓄热箱体壁面综合温度上升，并且壁面温度大于箱体内部温度，因此热量由环境向蓄热箱体传递。热流密度曲线也能很好地反映出热分层现象。

2.4 应用建议

薄壁式相变蓄热箱体能够利用箱体内部的相变材料对热量进行吸收与释放，进而达到对温度调控的目的。但是在应用的过程中由于固态和液态相变材料的密度不同，在熔化放热的过程中会出现明显的热分层现象。本文提出了以下应用建议：（1）本套系统主要用于建筑供暖，蓄热箱体的高度不宜太高；（2）可将薄壁式相变蓄热箱体用于地面辐射供暖；（3）大型的相变蓄热，可增加搅拌装置。

3 结论

（1）通过对相变蓄热箱体壁面温度的实验分析，同一高度的测点温度变化不大，竖直方向上部测点温度＞中部测点温度＞底部测点温度。

（2）通过对相变蓄热箱体内部测温的对比分析，当箱体内部温度高于相变材料熔点时，上部测点温度与中部测点温度基本一致，均高于底部测点温度。

（3）壁面分层热流密度曲线分析表明：上部测点的相变材料蓄热性能较差，并且蓄热性能满足上部测点＜中部测点＜底部测点的关系。

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