021_基于太阳能空气集热器的相变墙采暖系统实验研究

基于太阳能空气集热器的相变墙采暖系统实验研究沈阳建筑大学刘馨、冯国会、黄凯良摘要：提出一种新型的太阳能空气集热器，使其与相变储能墙复合采暖，充分利用太阳能。白天由太阳能空气集热器加热室内空气，热空气通过相变墙后进入室内，相变材料蓄热；夜间相变墙辐射换热加热室内空气，相变材料放热。实验表明：此采暖系统运行安全可靠，能显著提高室内温度，降低室内温度不均衡度，热舒适性较好，具有一定的应用前景。关键词：相变墙；蓄热；太阳能空气集热器；节能目前，建筑能耗占总能耗的1/3左右，而且按照当前发展趋势，建筑能耗所占比例将会持续上升。而建筑最大的耗能点是采暖和空调，我国在采暖和空调上的能耗占建筑总能耗的55%。其中采暖能耗占建筑能耗的40%，为建筑能耗的最大组成部分。因此，如何降低采暖能耗已经成为减少建筑能耗的重点。太阳能作为开发研究最多、应用最广的清洁能源，被称为21世纪的主流能源。太阳能热风装置是以太阳辐射能为能源，将太阳辐射能转换成热能的装置。为避免太阳能受季节的因素影响，保证太阳能热风不间断地运行，就需要通过储能装置把太阳能转化的热能储存起来，然后根据室内热环境再释放出来，从而满足生产、生活用能连续、稳定供应的需要。而相变储能材料即可满足这一要求。本研究正是围绕太阳能热风和相变储能复合技术的应用，分析了采暖期太阳能热风与相变墙房间的热特性，来降低采暖能耗，改善建筑环境的舒适性。采用太阳能空气集热器的采暖系统目前在国内研究中不是很多，市场上暂时无成型的产品系统，该采暖系统需要在建筑外部安装，装置加工量大，但其结构相对太阳能水系统简单，易维修，可以克服太阳能水系统的缺点。传统的房间中无论是空气还是混凝土墙板的蓄热能力都很低，无法满足太阳辐射随时间变化的特性。相变材料对于使房间温度波动小，热舒适性好等方面，更加适合在建筑中应用。因此，本文提出了一种结合太阳能空气集热器的相变墙采暖系统，此系统能明显提高室内温度，减小采暖能耗。1太阳能热风装置目前，市场上没有成熟的太阳能空气集热器产品，参考大连理工大学陈滨和宁夏大学张东风的研究确定了太阳能空气集热器的制作。太阳能空气集热器由箱体、集热板、透明盖板和保温材料四大部分组成。太阳能空气集热器箱体是冷轧板和角钢焊接成的骨架组成的，为减少在吸热面背部以及侧面的热损失。集热板采用喷涂过黑漆的铝板，为强化换热效果黑漆中加入了一定量的碳粉，能充分吸收入射的太阳能，并传给通过其中的空气，铝板做成半蜂窝状，折弯角度为60°，在与太阳光平行的铝板处打一排半径为5mm的圆孔，使空气蛇形流动，换热效果更好。透明盖板采用PC阳光板，它起到透光和保温的作用。太阳能集热板距离透明盖板和保温背板的空气间层厚度均为20mm，保温材料采用玻璃棉，背部做40mm厚的保温，侧面做20mm厚的保温，整体厚度为100mm。集热器的尺寸为4.15m（长）×3.15m（宽），内留有窗户框的尺寸为1.75m（长）×1.45m（宽），见图1。太阳能空气集热器的工作原理图和基金项目：国家自然科学基金（50878133）；辽宁省优秀人才基金（2007R37）；辽宁省教育厅重点实验室基金（2008S193）联合资助作者简介：刘馨（1983-），女，硕士研究生，主要从事相变储能理论与技术研究内部结构图如下（见图2、3）。太阳能集热器的实物图和箱体内部结构图见图4、5。图1太阳能空气集热器的尺寸图图2太阳能空气集热器的原理图图3集热器内部结构图图4太阳能空气集热器的实物图图5箱体的内部结构图2相变墙的设计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，癸酸的物性参数为：密度940kg/m3，相变温度29~31℃，相变潜热为158kJ/kg；月桂酸的物性参数为：密度869kg/m3，相变温度42~44℃，相变潜热为179kJ/kg。两种材料按照一定比例混合，得到的低共熔混合物作为相变材料。设计选用相变材料的混合比例为癸酸61.5%，月桂酸38.5%，共熔物的相变温度为19~20℃，相变潜热为132kJ/kg。为防止癸酸和月桂酸的挥发，提高其耐久性，将两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18mm，外径20mm的塑料管，长为3m，将其两端用塑料盖密封，为防止相变材料溶化后渗漏，采用胶和塑料胶带固定盖子出。用木方将其立于实验房西墙内侧，外用石膏板封堵，形成长3m，宽0.1m，高2.9m的相变蓄热墙（见图6）。图6相变墙设置简图3实验系统为了研究这种采暖方式的应用效果，在两个相邻的实验房间进行测试，一个房间安装了太阳能空气集热器，另一个房间无采暖设备，用来做对比实验。实验地点位于沈阳建筑大学建设指挥所，图为实验房间的外观照片，房间尺寸为3.24m（深）×3.24m（宽）×2.9m（高），南向外墙安装太阳能空气集热器。实验房间和对比房间为同一朝向且上下相邻，实验房间的顶棚也是对比房间的地面，两个房间建筑结构完全相同。外墙和屋顶外侧加铺50mm厚的聚苯板保温材料，外墙的传热系数为1.5w/(m2·K)，外窗的传热系数为2.67w/(m2·K)，实验房间冬季供暖设计热负荷为100w/m2。白天蓄热循环所用的小型风机，转速2500r/min，风量为4.25m3/h。图是这种采暖系统的运行示意图。白天，太阳能空气集热器吸收太阳辐射能，开启集热器的送回风口，热空气通过相变墙后送入室内，加热相变墙，相变材料熔化蓄热，风机开启将循环空气重新送回集热器加热；夜间，关闭风机和集热器的送回风口，相变材料凝固放热，把白天蓄存的热能送入房间。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，用红外线测温仪测量集热器送风口温度及内墙、地面和屋顶的温度。4实测数据与分析选择沈阳2010年2月1日至2010年2月5日进行实测，温度自记仪测点分布情况：水平分布：距中轴线1.5m处东南西北布置测点，以中轴线为中心，布置3m×3m的田字形测点共九个；垂直分布：距地面0.5m，1.5m，2.5m处布置测点。测量结果见图6、7。图6普通房间温度变化曲线图7太阳能空气集热器采暖系统房间温度变化曲线图6给出了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，但由于空气比热容较小，夜间温度会降到0℃以下。图7给出了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提高5~7℃。由于还未搭建相变墙体，所以昼夜温差改变不大。测试房间没有安装辅助热源。集热器送风口温度见表1（风机运行时间从9:00至16:30），回风口温度为4℃风道中空气流速为1.38m/s。表1集热器送风口温度时间温度℃时间温度℃时间温度℃时间温度℃9:001111:005513:0059.815:0026.89:302411:305513:3053.815:302210:0035.912:0055.714:0045.616:0013.510:3042.312:3057.514:3037.116:307由公式⑴计算得到总太阳能辐射量，根据集热器进出口温度和流量，再由公式⑵太阳能空气集热器的逐时输热量和实验房间的逐时得热量，最后由公式⑶求出太阳能空气集热器的集热效率。QG=∑I·A·△t⑴QG,a=∑(ρG,incp,aTG,inVG,in-ρG,outcp,outTG,outVG,out)△t⑵η=QG/QG,a⑶A=L×W-l×w⑷式中，ρG,in和ρG,out分别为集热器进出口空气密度，kg/m3；TG,in和TG,out分别为集热器进出口空气温度，℃；VG,in和VG,iout分别为集热器进出口空气流量，m3/s；cp,a为空气的比热容，J/(kg·K)；△t为数据采集时间间隔，s；I为集热器表面太阳能辐射强度，W/m2；A为集热器的集热面积，m2；L和W分别为集热器的长和宽，m；l和w分别为窗户的长和宽，m。由公式⑶得，实验期间集热器平均集热效率为68%。这是由于回风口处温度太低所致，而回风口处温度低则是风道连接不严密，透风严重形成的。5.结论本文提出了一种新型的太阳能空气集热器与相变储能墙复合采暖系统，通过房间采暖实验研究，得到以下结论：⑴此采暖系统安全可靠，结构简单，易维修，有一定的应用前景；⑵实验期间，在白天日照良好的条件下，集热器送风口温度为30~70℃，可以使相变墙内所有相变材料发生相变，提高了房间夜间温度；⑶实验房间白天依靠热风采暖，送风温度稳定，房间温度较高；夜间依靠相变墙辐射供暖，房间各处温差较小。本研究在相变墙搭建好后，希望可以达到温度移峰填谷的效果，使室内热环境均匀稳定，还需要大量的后续研究工作。参考文献[1]章熙民，任泽霈.传热学（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2001[2]熊安元，宋芳婷等.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京：中国建筑工业出版社，2005[3]肖伟，王馨，张群力等.结合太阳能空气集热器的定形相变蓄热地板采暖系统实验研究[J].太阳能学报.2008，29（11）：1319-1323[4]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[5]陈滨，薛静，杨文秀等.新型变色幕墙太阳能空气集热器冬季热性能实验研究[J].暖通空调.2007，37（8）：103-107[6]张东峰，陈晓峰.高效太阳能空气集热器的研究[J].太阳能学报.2009，30（1）：61-64作者简介：刘馨，女，1983年10月生，硕士研究生邮编：110168电话：[phone]通讯地址：沈阳市浑南新区浑南东路9号沈阳建筑大学环境学院电子邮箱：[e-mail]