相变蓄热电采暖结构模拟研究

康佳莹 杜 瑞 祝艺丹 王春青

（吉林建筑大学， 吉林 长春 130118）

0 引言

全球面临的环境保护和节能减排压力与日俱增，能源的使用与人来社会的历史发展密切相关，在当今社会中，工业化和社会经济稳步发展，能源日益影响着人类生产和生活的各个方面。在当今世界，全球化、经济增长、能源效率和环境保护密不可分。在我国“三北地区”，近年来风电过剩[1],电力需求降低，因此弃风现象比较严重。为响应国家政策，改变冬季采暖地区煤燃烧造成的环境污染问题，

同时提高风电利用率，电供暖作为一种新型的采暖方式出现在了人们的面前。相对于传统供暖，目前采用的直供式电供暖耗电量太高，加重了用户的经济负担和电力的负荷，为解决这一问题，可以利用峰谷电价，将相变蓄热材料和建筑围护结构相结合，开发适用于电采暖的装配式建筑构件[2]。本文将具有蓄热功能的石蜡微胶囊与具有导热功能的泡沫金属铜相结合，制成一种新型的电采暖蓄热模块，研究泡沫金属铜对电采暖模块的蓄放热性能的影响。本文依据有限差分法，利用Fluent 软件对非线性边界条件下各层材料与尺寸不同的实验结构的二维稳态传热问题做了数值模拟分析。

1 相变蓄热电采暖结构模拟研究

1.1 模拟材料的选取

为提高热舒适性能，使房间内的温度分布均匀，李国建等人搭建了一个房间，用相变温度为44℃的石蜡作为蓄热材料，建立电加热相变蓄热电热地板采暖系统，能够有效的实现削峰填谷[3]。考虑石蜡在相变过程中存在液化渗漏的问题，本文选择将石蜡封装的石蜡微胶囊进行实验。石蜡的导热系数比较低，为减少蓄热时间，增加电的导热性能，陈华等人将比例为1：3 的泡沫铜和石蜡混合，有效的提高了石蜡的相变速率，减少了相变时间，解决了靠近热源处的过热现象以及远离热源处的不熔现象[4]。

1.2 几何模型的建立

首先在GAMBIT 软件中建立电采暖蓄热模块的几何模型，在图1 中，四周是保温层，内部结构上面是水泥砂浆找平层，下面是相变蓄热层。模拟一共分为两组，其一是相变层内只有石蜡微胶囊，其二是孔隙率为95%+石蜡微胶囊。

图1 相变蓄热电采暖结构Gambit 几何模型Fig.1 Gambit geometric model of phase-change thermoelectric thermal heating structure

将网格划分为热源，石蜡区域，泥灰区域，每个区域使用四面体网格，将热源区域的单位网格大小设置为0.5，石蜡区域和泥灰区域的网格大小设置为1。

1.3 模型参数及假设

为方便使用Fluent 进行计算，设置了相应的数学模型，并进行以下假设：

（1）假设石蜡和泡沫铜各向同性。

（2）Boussinesq 近似，流体性质不因密度变化而改变。

（3）相变材料的物性参数不随温度变化而变化。

1.4 数学模型

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

泡沫金属铜：

石蜡微胶囊：

式中：K——多孔介质渗透率；

μ——液态蜡的有效黏度，Pa.S；

2 模拟结果分析

2.1 石蜡微胶囊相变材料模拟结果

为比较泡沫铜/石蜡微胶囊复合相变材料的传热性能，首先分析纯石蜡微胶囊相变材料的相变传热的数值模拟结果。热源的表面温度为70°C（343.5K），环境温度为17°C（290.5K），储热层的温度为17°C（290.5K），结构的上表面温度为17°C（290.5K）在图2（1）、2(2)和2(3)中显示了在500s，1000s 和8000s 加热过程中获得的温度分布云图。

图2 石蜡微胶囊温度随时间变化云图Fig.2 Paraffin microcapsule temperature changes over time

图2 （1）显示加热时间为500s 时的温度云图。此时为加热的初始阶段。可以看出热量向相变层上方传递，向下传递不明显。如图2（2）所示，当时间为1000s时，热量持续向上传递，泥浆层的温度持续升高，可以看到热量开始以热源为中心向下传递，但未达到相变温度，并且尚未开始相变蓄热过程。当加热时间到达8000s 时，温度变化如图2(3)所示。通过灰泥层的热传递，结构表面的温度达到约40℃。靠近热源的相变材料达到相变点开始相变蓄热，当时间达到8000s，此时蓄热层中的石蜡微胶囊未完全熔化达到相变温度。

2.2 泡沫铜/石蜡微胶囊复合相变材料模拟结果

如图3（1）所示，时间在500s 时，可以认为是加热的初始阶段，可以看出热量在向上传递的同时在向下传递，靠近热源的相变材料石蜡微胶囊开始相变熔化。随着时间推进，在时间为1000s 处，在图3（2）中的相变蓄热层周围的温度以热源为中心逐渐递增，相变熔化的石蜡微胶囊也逐渐增多。随着温度持续升高，当时间到达8000s 时，如图3（3）所示，热量传递到结构表面的温度达到38℃。可以看出相变蓄热层的温度显著升高，大部分石蜡微胶囊已经达到相变温度，熔化完成。

与纯石蜡微胶囊的相变过程相比，可以看出，泡沫金属铜显著提高了石蜡微胶囊的导热性，并在石蜡微胶囊的相变蓄热过程中使热量均匀传递。

图3 泡沫铜/石蜡胶囊温度随时间变化云图Fig.3 Foam copper/paraffin microcapsule temperature changes over time

3 结论

在Gambit 软件中，建立几何模型，进行网格划分和边界设置等模拟前准备，用Fluent 软件建立物理模型，通过分析纯石蜡微胶囊与泡沫铜/石蜡微胶囊加热过程中的温度变化云图以及相变蓄热层、结构层表面的温度分布图，可以得出以下结论：

（1）纯石蜡微胶囊的蓄热层在加热的初始阶段，仅在靠近热源处产生相变，温度上升较快，其他区域的温度变化不明显，相变响应时间也较慢。 且热量向上传递较多，向下较少。

（2）在加入泡沫铜的相变蓄热层中，相变时间不仅大大缩减，而且提高了传热效果，石蜡微胶囊导热系数低的问题得到有效解决。

（3）泡沫铜作为支撑体，不仅增强了向蓄热层的热传递，而且还起到均匀热量的作用。同时，除一些离热源较远处的受热不利区域之外，蓄热层产生相变的面积明显较大。