太阳能热风采暖房间中相变墙储换热性能分析

刘馨¹，冯国会¹，黄凯良¹，吕石磊²，陆梦喆¹

(1. 沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳，110168；

2. 天津大学 环境科学与工程学院，天津，300072)

摘要：在研究太阳能热风采暖的基础上，将相变储热材料应用于建筑内部，改善太阳能热风这种单一的采暖方式，从而提高太阳能的利用效率。通过模拟和试验，确定相变材料的储热特性，比较架设相变墙与未架设相变墙时对太阳能热风系统送风温度的改善情况，分析相变墙对太阳能热风系统采暖性能和舒适性的影响。研究结果表明：相变墙能够在夜间或阴天时将相变材料储存的热量释放到室内进行供暖，在维持室内舒适温度方面起到延迟时间的作用，与单一太阳能热风采暖房间相比，室内昼夜最大温差降低2 ℃，夜间温度升高5~7 ℃，室温平稳性大幅度提高；当集热器送风口温度在310~350 K范围内，相变材料能够得到充分利用，相变墙设计合理；相变墙解决了太阳能热风采暖的缺陷。

关键词：相变墙；储热；模拟；试验；节能

中图分类号：TK512.4            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)S1-0209-08

Analysis on thermal performance of phase change wall in solar hot air heating room

LIU Xin¹, FENG Guo-hui¹, HUANG Kai-liang¹, L? Shi-lei², LU Meng-zhe¹

(1. School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China;

2. School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract: Based on the solar hot-air heating, the phase change material was applied to storing heat in the building interior, to improve this single solar hot-air heating means, and so as to improve the use efficiency of solar energy. By simulation and experiment, we determined the store thermal characteristic of the phase change materials, compared the improvement condition for supplying air-temperature of solar hot-air system between erection phase change wall and no erection phase change wall, and analyzed the influence of heating performance and convenience of phase change wall on solar hot-air system. Research result shows that the phase change wall in the night or cloudy days can put phase change materials storage quantity of heat to indoors, play a role in the delay time in maintaining indoor comfortable temperature; compared with the single solar hot air heating room, the indoor maximum temperature difference between day and night reduces by 2 ℃, the temperature at night ascends by 5-7 ℃, showing that room temperature stability is much improved; when the air port temperature of the collector is between 310 K and 350 K, phase change materials can use fully and phase change wall is designed reasonable; phase change wall can solve the defects of solar hot-air heating.

Key words: phase change wall; storage quantity of heat; simulation; experiment; energy-saving

太阳能热风采暖的热源是太阳辐射能，这种清洁能源与其他能源相比具有节约能源、无污染、结构简单、维护使用方便、安全且经济效益明显等优点，但也有2个最主要的缺点：一是分散性强(能流密度低)；二是辐射强度易受环境因素影响，很不稳定。这使得建筑的室内环境易受外界气候影响，热性能不稳定，室内温度波动较大。当阴天或夜间没有太阳辐射的时候，室内温度下降明显，不能满足人们对舒适性的要求。因此，对于有太阳能采暖系统的建筑应设置相应的辅助措施和控制策略，这样才能有效地满足人们对舒适性的要求。相变储能具有降低室内温度波动，提高热舒适性的作用。高效的热存储技术是克服太阳辐射能缺点的有效途径。

本文作者以沈阳建筑大学实验室为例，采用实验的方式对比架设相变墙与未架设相变墙对太阳能热风系统送风温度的改善情况，采用ANASY模拟软件^[1-3]对相变墙内相变材料的储热性能和效果进行分析。

1  采暖房间负荷与集热器尺寸设计

采暖房间的大小为(长×宽×高)3.24 m×3.24 m×2.90 m，外墙为490 mm厚砖混结构外墙，南外墙传热系数K=1.13 W/(m²·K)，西外墙传热系数K=0.64 W/(m²·K)；外窗为双层塑钢窗，其传热系数K=1.50 W/(m²·K)，面积A= 1.75×1.45=2.54 m²；沈阳采暖室外的计算温度为-19 ℃，室内温度为18 ℃，冬季平均风速为2.0 m/s；经每米门窗缝隙渗入室内的冷空气量为1.8 m³/(h·m)。冷风渗透量的朝向修正系数为南向0.75。

围护结构的基本耗热量公式^[4]：

×a        (1)

式中：为围护结构总基本耗热量；A_j为j部分围

护结构的表面积；K_j为j部分围护结构的传热系数；t_R为冬季室内计算温度；t_{o, w}为冬季室外空气计算温度；a为围护结构的温差修正系数，查表。

门窗缝隙渗入冷空气的基本耗热量公式为：

×m     (2)

式中：为加热门窗缝隙渗入的冷空气耗热量；L

为经每米门窗缝隙渗入室内的冷空气量；根据冬季室外平均风速查表；l为门窗缝隙长度；ρ_ao为室外空气密度；c_p为空气定压比热容，c_p=1 kJ/(kg·℃)；m为冷风渗透量的朝向修正系数，查表。

根据围护结构基本耗热量的计算公式和门窗缝隙
渗入冷空气的耗热量计算公式，得到房间总负荷为920 W，所需采暖负荷为90 W/m²。为使太阳能热风采暖的室内温度达到设计温度，本试验集热器的面积按照与室内面积1:1的比例进行设计。

2  对比实验

为了研究单一太阳能热风采暖方式与架设相变墙后的应用效果，在同一个实验房间进行测试，示意图如图1所示。房间先安装太阳能空气集热器按单一采暖方式进行(图1中虚线)，然后架设相变墙用来做对比实验(图1中实线)。

图1  实验房的运行示意图

Fig.1  Operation schematic plot of experimental room

2.1  单一太阳能热风采暖

实验地点位于沈阳建筑大学建设指挥所。该楼的平面图如图2所示，实验房间为办公室，房间尺寸为3.24 m(长)×3.24 m(宽)×2.90 m(高)，南向外墙安装太阳能空气集热器。白天蓄热循环所用的小型风机，转速为2 500 r/min，风量为4.25 m³/h。

采用温度自记仪测量房间内的温度，风道中空气流速由热球风速仪测定，相变墙用巡检仪测量温度、湿度和热流密度。

图3所示为普通房间室内温度变化。昼夜温差不大，室温全天保持在0 ℃左右，白天温度略有升高，但由于空气的比热容较小，夜间温度会降到0 ℃以下。

图4所示为太阳能空气集热器采暖系统房间的室内温度变化。由于实验房间采用的是轻质维护结构，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。与普通房间对比，太阳能采暖系统将室内温度平均升高5~7 ℃。由于还未搭建相变墙体，所以夜间温差改变不大。测试房间没有安装辅助热源。

图2 实验房的建筑结构和几何尺寸

Fig.2  Building structure and geometry size of experimental room
 

图3  普通房间的温度变化曲线

Fig.3  Temperature change curve of common room

2.2  架设相变墙后的采暖实验

在实验房的西内墙架设相变墙，考虑到相变材料的经济性、供货渠道、稳定性和耐久性，我们选择了工业级的癸酸和月桂酸，选用相变材料的混合比例为癸酸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^[5]。

图4  太阳能空气集热器采暖系统房间的温度变化曲线

Fig.4  Temperature change curve of solar energy air collector heating system room

为防止癸酸和月桂酸的挥发，提高其耐久性，将2种材料充分混合后封装起来，避免室内人员产生不舒适感。选用内径18 mm、外径20 mm、长3 m的塑

料管将其两端用塑料盖密封。为防止相变材料熔化后渗漏，采用胶和塑料胶带固定塑料盖。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2.90 m的相变蓄热墙，送风口位于下部，尺寸为250 mm长，150 mm宽。

2.3  架设相变墙后的实验结果

图5所示为相变墙上、中、下不同梯度的表面温度变化。在白天蓄热循环中，由于空气的比热容较小，空气温度沿相变墙高度方向有明显的变化，靠近送风口处测点的温度最高。但处于相同高度的相变墙，温度波动较小。从图5可以看出：在测试的前4 d相变墙在白天能一直维持在15~16 ℃，夜间温度下降。因蓄热量有限，房间温度会减低到10 ℃左右(第5 d为阴天，未分析)。

图5 相变墙的上、中、下表面温度

Fig.5  Above, central and under surface temperature of phase change wall

图6所示为架设相变墙后实验房间的室内温度和室外温度曲线。由于实验房间采用轻质维护结构，室内温度波动较大，昼夜最大温差约为10 ℃。在晴 天，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，室内昼夜最大温差降低2 ℃，夜间温度升高5~7 ℃，室温平稳性大幅度提高。

图7所示为相变墙表面红外热像仪拍摄的等温图，图8所示为相变墙实物的对比图。从相变墙等温图中可以看出：相变墙表面的温度波动较小，通过计算得出温度范围为16~30 ℃，有效地减小了太阳能空气集热器的送风温差的缺陷，把白天多余的热量存储起来，用于夜间采暖。

图6  室内温度比较

Fig.6  Comparison of indoor temperature

图9所示为相变墙的热流值曲线图。巡检仪测得的相变墙热流值，前3 d是多云的天气，热流值很小；后2 d是晴天，白天热流值较大，夜晚较小；当第5日早上开启风机时，热流值继续升高，保持相变墙持续放热的性质，满足设计要求。

相变墙送风口空气流速为4.2~4.5 m/s(风机运行时间从8:30至16:30)，室内送风口空气流速为     1.52 m/s。

相变墙储能应用于建筑采暖是可行的。根据试验结果分析，相变墙能减少太阳能空气集热的送风温差，有效地利用潜热储能吸收白天多余的热量，转移至夜间或阴天使用，提高太阳能热利用率，克服了太阳能辐射随时间的变化，使得无论在太阳辐射较高或较低时，都不会出现原有的送风温度过高或过低的状况，提高了室内热舒适性。

3  相变墙的数值模拟与结果分析

为了简化复杂的模拟过程，针对相变墙中某一相变管进行数值模拟，建立二维模型^[6-18]，通过改变施加温度载荷来代替不同时间、不同位置的相变管，进行相变墙的储热性能分析。
 

图7  相变墙表面温度分布图

Fig.7  Distribution of surface temperature of phase change wall

图8  相变墙局部温度的最大值、最小值和平均值的实物对比图

Fig.8  Physical comparison of local phase change wall of the maximum, minimum and average of temperature
 

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，塑料管密度为为930 kg/m³，热传导率为0.34 W/(m·K)，施加温度荷载见表1。从表1可以看出温度荷载随着时间的变化而变化，相同温度荷载持续时间约为1 h。上述简化便于验证所建立 模型的有效性。

3.1  模型描述

在ANSYS界面中直接生成网格，创建2个长方形，生成有限元模型后划分网格，如图10所示。

图9  相变墙的热流曲线图

Fig.9  Heat flow curve of phase change wall

表1  不同时刻实测温度和温度荷载的对照

Table 1  Contrast of actual temperature and temperature load at different time

3.2  模拟过程与结果分析

图11所示为时间t=3 600 s，温度T=350 K时相变管内部不同位置的温度(DST: 对应3 m长相变管)。从图11中可以得出各个节点的温度，可以看出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，各个节点的温度均高于相变材料的相变温度，温度范围在326.1~ 327.2 K，管内材料完全发生相变。

图10  相变管网格划分图

Fig.10  Meshing figure of phase change tube

图11  相变管节点处温度曲线图(t=3 600 s, T=350 K)

Fig.11  Temperature curve of node (t=3 600 s, T=350 K)

图12所示为相变管内部的温度图。此图同样表示了管内温度的分布情况，说明在集热器送风口温度达到350 K时，相变管内部经过3 600 s的换热过程，相变管内相变材料完全熔化，12:30~13:30时间段处于蓄热状态。

图12  相变管内部的温度图(t=3 600 s, T=350 K)

Fig.12  Temperature diagram of inside in phase change tube (t=3 600 s, T=350 K)

当T=340 K，T=330 K，T=320 K，T=310 K时相变管内部经过1 h后不同位置的温度曲线总体趋势与图11一致，都可以得出各个节点的温度，可以看出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t=3 600 s，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。当荷载温度T=340 K时，各个节点的温度范围在319.2~ 320.0 K；当荷载温度T=330 K时，各个节点的温度范围在312.2~312.9 K之间；当荷载温度T=320 K时，各个节点的温度范围在305.2~305.8 K；当荷载温度T=310 K时，各个节点的温度范围在298.2~298.7 K。不同温度下相变管内部温度图也与图12相近，说明在集热器送风口温度达到340，330，320和310 K时，相变管内部经过3 600 s的换热过程，相变管内相变材料仍然完全熔化，10:00~12:30，13:30~16:00时间段处于蓄热状态。

图13所示为时间t=3 600 s，温度T=300 K时相变管内部不同位置的温度，从图中可以得出各个节点的温度。可以看出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，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。图14所示为相变管内部温度图，此图同样表示了管内温度的分布情况，说明在集热器送风口温度达到300 K时，相变管内部经过   3 600 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。

图13  相变管节点处的温度曲线图(t=3 600 s, T=300 K)

Fig.13  Temperature curve of phase change tube node (t=3 600 s, T=300 K)

图14  相变管内部温度图(t=3 600 s, T=300 K)

Fig.14  Temperature diagram of inside in phase change tube (t=3 600 s, T=300 K)

4  结论

(1) 单一太阳能热风采暖系统由于实验房间采用轻质维护结构，室内温度波动较大，昼夜最大温差约为12 ℃。在白天，室内温度为5~10 ℃；在夜间，室内温度为0 ℃左右。架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 ℃，夜间温度升高5~7 ℃，室温平稳性大幅度提高。

(2) 从相变墙热流值得到，前3 d是多云的天气，热流值很小，后2 d是晴天，白天热流值较大，夜晚较小；第5 d早上开启风机时，热流值继续升高，保持相变墙持续放热的性质，满足设计要求。

(3) 相变材料的吸热过程很缓慢，送风温度的高低直接影响相变墙的蓄热能力。当集热器送风口温度达到350 K时，相变管内部经过3 600 s的换热过程，各个节点的温度均高于相变材料的相变温度，温度范围在326.1~327.2 K，相变管内相变材料完全熔化。当集热器送风口温度在310~340 K，虽然温度范围低于350 K时，但总体状态不变，相变材料仍然完全熔化。

(4) 当集热器送风口温度达到300 K时，相变管内部经过3 600 s的换热过程，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，相变管内相变材料不熔化。

(5) 模拟表明在10:00~16:00相变材料处于蓄热状态，在09:00~10:00，16:00~16:30时间段内相变材料不蓄热或处于放热状态。

参考文献：

[1] 唐兴伦, 范群波, 等. ANSYS工程应用教程—热与电磁学篇[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2003.
KANG Xing-lun, FAN Qun-bo, et al. ANSYS engineering application tutorial——Hot and electromagnetism article[M]. Beijing: China Railway Press, 2003.

[2] 李黎明. Ansys有限元分析实用教程[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006.
LI Li-ming. Ansys finite element analysis practical tutorial[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2006.

[3] 任辉启. Ansys工程实例分析详解[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2003.
REN Hui-qi. Ansys engineering example analysis[M]. Beijing: People’s Posts and Telecommunications Press, 2003.

[4] 陆亚俊, 马景良, 等. 暖通空调[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2003.
LU Ya-jun, MA Jing-liang, et al. HVAC[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2003.

[5] 张寅平. 相变贮能—理论和应用[M]. 合肥: 中国科技大学出版社, 1996.
ZHANG Yin-ping. The phase change store energy——Theory and application[M]. Hefei: University of China Science and Technology Press, 1996.

[6] 李震, 张寅平, 江亿. 非理想相变特性材料性能简化分析方法及适用条件[J]. 太阳能学报, 2002, 23(1): 27-31.
ZHANG Zhen, ZHANG Yin-ping, JIANG Yi. Effect of specific heat of phase change material on heat charging or discharging performance[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2002, 23(1): 27-31.

[7] 郭英奎, 梁新刚, 张寅平. (相变)复合材料瞬态导热性能的简化计算方法[J]. 太阳能学报, 2001, 22(1): 40-45.
GUO Ying-kui, LIANG Xin-gang, ZHANG Yin-ping. Simplified method for analyzing the transient thermal performance of composite (phase change) material[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2001, 22(1): 40-45.

[8] 张寅平, 苏跃红, 葛新石. (准)二元共晶系材料融点和熔解热的理论预测[J]. 中国科学技术大学学报, 1995, 25(4): 474-478.
ZHANG Yin-ping, SU Yue-hong, GE Xin-shi. Prediction of the melting temperature and the fusion heat of (quasi-) eutectic PCM[J]. Journal of China University of Science and Technology, 1995, 25(4): 474-478.

[9] 张寅平, 康艳兵, 江亿. 相变和化学反应储能在建筑供暖空调领域的应用研究[J]. 暖通空调, 1999, 29(5): 34-37.
ZHANG Yin-ping, KANG Yan-bing, JIANG Yi. Applied research of thermal storage in phase change and chemical reaction in the building HVAC field[J]. Heating, Ventilating & Air Conditioning, 1999, 29(5): 34-37.

[10] 王剑锋, 陈光明. 变温相变材料贮能研究(一)理论探讨[J]. 新能源, 1997, 19(5): 1-4.
WANG Jian-feng, CHEN Guang-ming. Study on thermal energy storage with the phase change materials of variable phase change temperatures (I)—Theoretical analyses[J]. New Energy, 1997, 19(5): 1-4.

[11] 王剑锋, 陈光明. 变温相变材料贮能研究(二)数值模拟[J]. 新能源, 1997, 19(6): 2-5.
WANG Jian-feng, CHEN Guang-ming. Study on thermal energy storage with the phase change materials of variable phase change temperatures (II)—Numerical simulation[J]. New Energy, 1997, 19(6): 2-5.

[12] 王晓伍, 吕恩荣. 太阳能固-固相变贮热[J]. 新能源, 1996, 18(6): 9-13.
WANG Xiao-wu, L? En-rong. Solar thermal storage using solid-solid phase change[J]. New Energy, 1996, 18(6): 9-13.

[13] 王晓伍, 吕恩荣. 多元醇NPG/PE和NPG/TAM二元体系贮热性能的实验研究[J]. 太阳能学报, 1999, 20(1): 44-48.
WANG Xin-wu, L? En-rong. Experimental study on thermal energy storage performance of binary systems of NPG/PE and NPG/TAM consisting of neopentyl glycol, pentaerythrite and trihydroxy methyl-aminomethane[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 1999, 20(1): 44-48.

[14] Bahrami P A, Wang T G. Analysis of gravity and conduction-driven melting in a sphere[J]. Transactions of the ASME, 1987, 109: 806-809.

[15] 陈文振, 杨强生. 水平圆柱与平板下相变材料接触溶化的基本方程[J]. 太阳能学报, 1999, 20(3): 284-289.
CHEN Wen-zhen, YANG Qiang-sheng. The fundamental equations of contact melting aroundthe horizontal cylinder and flat plate[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 1999, 20(3): 284-289.

[16] 王剑锋. 相变储热研究进展(1)相变材料特性与储热系统优化[J]. 新能源, 2000, 22(3): 31-35.
WANG Jian-feng. Review of latent thermal energy storage (I): Characteristics of PCMs and performance optimization of storage system[J]. New Energy, 2000, 22(3): 31-35.

[17] 邢玉明, 崔海亭, 袁修干. 太阳能吸热器换热管数值模拟与试验研究[J]. 太阳能学报, 2003, 24(3): 325-329.
XING Yu-ming, CUI Hai-ting, YUAN Xiu-gan. Numerical simulation and experiment of solar receiver tube for the space station [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2003, 24(3): 325-329.

[18] 王华, Ito Y, Nohira T, 等. 新型陶瓷与熔融盐复合蓄热材料放热特性数值模拟[J]. 中国有色金属学报, 2002, 12(3): 550-555.
WANG Hua, Ito Y, Nohira T, et al. Numerical simulation on optimum combination of ceramic and molten salt for new composite heat storage materials[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2002, 12(3): 550-555.

(编辑 杨华)

收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50878133)；建筑安全与环境国家重点实验室项目；辽宁省百千万人才项目(2010921086)；沈阳市科技局项目(F10-208-1-00)

通信作者：吕石磊(1979-)，男，辽宁沈阳人，副教授，从事相变储能理论与技术研究；电话：18602214455；E-mail: lvshilei@tju.edu.cn