王欣，鐘俞良，李德英

[1.北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京市供熱供燃?xì)馔L(fēng)及空調(diào)工程重點實驗室，北京 100044；2.百吉瑞（天津）新能源有限公司，天津 300000]

0 前言

相變蓄能技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點，相變材料利用自身相態(tài)變化蓄放熱溫度近似恒定是相變蓄能技術(shù)的一大特點[1-5]，利用太陽能，將相變蓄能技術(shù)應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，既能滿足室內(nèi)的熱舒適性，又具有良好的蓄熱節(jié)能效果[6-11]。

國內(nèi)外研究者主要就相變材料及相變材料蓄熱裝置2個方面進(jìn)行開發(fā)，Chiu和Martin[12]建立了埋管式圓柱翅片相變蓄熱裝置模型，驗證基于TES鹽水合物的凝膠性能可用來評估純傳導(dǎo)模型。Robak等[13]實驗研究具有潛熱儲熱性能的熱管相對于翅片輔助、非熱管非翅片的構(gòu)造，可令傳熱流體和PCM之間傳熱量增加1倍。Tokuc等[14]通過實驗驗證CFD模擬的屋頂內(nèi)部PCM厚度（即固/液相）隨時間變化的情況，求解區(qū)域適應(yīng)性的最優(yōu)值。蔡煥琴等[15]研制的復(fù)合相變保溫板導(dǎo)熱系數(shù)小于0.05 W/（m·K），相變溫度在15～38℃范圍內(nèi)，達(dá)到調(diào)節(jié)室溫效果。李鳳飛等[16]提出了以新型平板微熱管為核心元件的空氣相變蓄熱器，蓄、放熱功率分別達(dá)418 W、353 W，總效率達(dá)到0.87[16]。閆全英等[17]介紹了相變材料輕薄干式供暖地板與普通地板相比具有較高的向上熱流密度且采暖無熱損失的優(yōu)點。

本文將石蠟添加到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以拋物槽式真空管太陽能集熱系統(tǒng)為熱源，對添加石蠟的薄壁式相變蓄熱箱體進(jìn)行放熱過程的熱分層實驗研究。通過調(diào)控拋物槽真空管太陽能集熱器進(jìn)出口水溫，監(jiān)測蓄熱箱體壁面溫度、內(nèi)部溫度及壁面熱流密度的情況，對比研究薄壁式蓄熱箱體熱分層現(xiàn)象的熱工性能。

1 實驗

1.1 薄壁式相變蓄熱箱體

本實驗所用薄壁式相變蓄熱箱體的外尺寸為800 mm×60 mm×800 mm，相變蓄熱箱體的外壁為1 mm厚的不銹鋼板，箱體頂部由可拆卸的沉降螺釘連接密封墊密封構(gòu)成，并設(shè)有排氣孔。在箱體的內(nèi)部盤有直徑為16 mm，間距為60 mm的紫銅管，并設(shè)有支撐肋片將銅管與箱體的內(nèi)壁焊接為一體，從而固定銅管在箱體內(nèi)部的位置。銅管的設(shè)計方式為蛇形連接，左進(jìn)右出，上進(jìn)上回。將熔融液態(tài)石蠟添加到箱體中并密封嚴(yán)實，即為薄壁式相變蓄熱箱體。本實驗共向薄壁式相變蓄熱箱體中添加31.2 kg石蠟（熔點Tm為25.72℃，熔化焓Hm為106.2 J/g）。圖1為相變蓄熱箱體內(nèi)部構(gòu)造示意。

圖1 薄壁式相變蓄熱箱體示意

1.2 拋物槽真空管太陽能集熱器

為了給薄壁式相變蓄熱箱體提供充足的熱量，本實驗將2組拋物槽真空管太陽能集熱器采用并聯(lián)的方式連接成一個整體，通過太陽能集熱器收集太陽輻射的熱量，從而為相變蓄熱箱體提供熱源使石蠟熔化蓄熱。實驗采用的熱媒為水媒介，熱媒管路為DN15的硅膠軟管，并用黑色保溫棉給熱媒管路做保溫。圖2為該拋物槽真空管太陽能集熱器。

圖2 拋物槽真空管太陽能集熱器

1.3 蓄熱系統(tǒng)連接

將太陽能集熱器DN15水管路與薄壁式相變蓄熱箱體中的銅管相連接構(gòu)成回路，并在水系統(tǒng)回路設(shè)有循環(huán)水泵（CRS-25/9，200W，德國維克）和電磁流量計（ZJ-LCD-M，≤±2%，佛山市中江節(jié)能電子有限公司）。通過溫度傳感器（T型，≤±0.4℃）、控制器（XMTD，≤±0.5%）和繼電器（PTF08AE）對循環(huán)水泵進(jìn)行起?？刂疲涸O(shè)置太陽能集熱器出口水溫為30℃時循環(huán)水泵啟動。

1.4 測點布置

在太陽能集熱器進(jìn)出口處設(shè)有熱電偶對太陽能集熱器進(jìn)出口水溫進(jìn)行監(jiān)測；薄壁式相變蓄熱箱體的T型熱電偶和WYP型熱流密度計布置如圖3所示，通過安捷倫34972A與熱電偶和熱流密度計相連接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與記錄。

圖3 測點布置示意

2 結(jié)果與分析

2.1 壁面溫度測試結(jié)果分析

本實驗測試日期為：3 月 12 日 00：00～19 日 00：00，測試結(jié)果表明，同一水平線上測點溫度基本相同，同一豎直線上溫度不同。以下將對豎直線上溫度進(jìn)行研究。圖4為測試期內(nèi)薄壁式蓄熱箱體壁面溫度連續(xù)性曲線。

圖4 蓄熱箱體壁面溫度曲線

從圖4可以看出，石蠟在蓄熱箱體中出現(xiàn)了明顯的熱層現(xiàn)象：上部測點溫度＞中部測點溫度＞底部測點溫度。這是由于在太陽能集熱器收集的熱水通過蓄熱箱體的盤管給蓄熱箱體中的石蠟加熱時，熔化的液態(tài)石蠟密度小于固態(tài)石蠟，同一時刻未熔化的固態(tài)石蠟會發(fā)生自沉降現(xiàn)象沉降至箱體下部，而在溫度的表現(xiàn)形式上，固態(tài)石蠟的溫度低于熔化的液態(tài)石蠟，因此會出現(xiàn)熱分層現(xiàn)象。同一時刻不同位置測點溫度差別較大：上部測點溫度與底部測點溫差最大為3月13日11：30時的20.52℃，表1列出了測試日上部測點與底部測點最大溫差的時刻和相對應(yīng)的溫度。

表1 壁面不同位置測點最大溫差

表2列出了上部、中部及底部測點位置的壁面日最高溫度。上部測點與底部測點日最高溫度的最大差值出現(xiàn)在3月12日，為10.21℃。

表2 壁面不同位置測點日最高溫度

2.2 內(nèi)部溫度測試結(jié)果分析

圖5 蓄熱箱內(nèi)部溫度曲線

為了驗證實驗的準(zhǔn)確性，本實驗在蓄熱箱體內(nèi)部與外壁面齊平的位置布置了測溫?zé)犭娕歼M(jìn)行溫度測量。圖5為箱體內(nèi)部溫度曲線，測點溫度高于石蠟熔點25.72℃的曲線趨勢與壁面溫度曲線趨勢一致。如圖5中Ⅰ區(qū)域所示，在石蠟熔點溫度25℃附近，上部測點位置與中部測點位置溫度曲線接近，這是由于石蠟在此段時間內(nèi)進(jìn)行了熔化放熱相態(tài)變化。壁面溫度曲線與內(nèi)部溫度曲線不同的原因是，壁面溫度曲線還受外部環(huán)境溫度的影響。

2.3 壁面熱流密度測試結(jié)果分析

圖6為薄壁式蓄熱箱體壁面熱流密度曲線，熱流密度可反映出熱量傳遞的方向和量級。熱流密度為正值，表明熱量由蓄熱箱體向環(huán)境傳熱；熱流密度為負(fù)值，表明熱量由環(huán)境向蓄熱箱體傳熱。

圖6 熱流密度曲線

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，蓄熱箱體壁面3個位置熱流密度在同一時刻均不相同：整體趨勢為上部位置＞中部位置＞底部位置。測試期內(nèi)上部位置和下部位置熱流密度最大差值出現(xiàn)在3月13日11：30，上部位置的熱流密度為77.79 W/m2，下部位置的熱流密度為-35.51 W/m2，差值為113.30 W/m2。熱流密度值為負(fù)值的原因是由于太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度升高，導(dǎo)致蓄熱箱體壁面綜合溫度上升，并且壁面溫度大于箱體內(nèi)部溫度，因此熱量由環(huán)境向蓄熱箱體傳遞。熱流密度曲線也能很好地反映出熱分層現(xiàn)象。

2.4 應(yīng)用建議

薄壁式相變蓄熱箱體能夠利用箱體內(nèi)部的相變材料對熱量進(jìn)行吸收與釋放，進(jìn)而達(dá)到對溫度調(diào)控的目的。但是在應(yīng)用的過程中由于固態(tài)和液態(tài)相變材料的密度不同，在熔化放熱的過程中會出現(xiàn)明顯的熱分層現(xiàn)象。本文提出了以下應(yīng)用建議：（1）本套系統(tǒng)主要用于建筑供暖，蓄熱箱體的高度不宜太高；（2）可將薄壁式相變蓄熱箱體用于地面輻射供暖；（3）大型的相變蓄熱，可增加攪拌裝置。

3 結(jié)論

（1）通過對相變蓄熱箱體壁面溫度的實驗分析，同一高度的測點溫度變化不大，豎直方向上部測點溫度＞中部測點溫度＞底部測點溫度。

（2）通過對相變蓄熱箱體內(nèi)部測溫的對比分析，當(dāng)箱體內(nèi)部溫度高于相變材料熔點時，上部測點溫度與中部測點溫度基本一致，均高于底部測點溫度。

（3）壁面分層熱流密度曲線分析表明：上部測點的相變材料蓄熱性能較差，并且蓄熱性能滿足上部測點＜中部測點＜底部測點的關(guān)系。

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