042-相变水箱供暖的放热温变特征和室内热响应的实测研究.pdfVIP

相变水箱供暖的放热温变特征和室内热响 应的实测研究 四川大学 毛宁 梁飞 龙恩深1 摘要：相变水箱具有蓄热密度高、蓄热量大、可减小水箱体积等优点。从理论上讲，将 相变水箱应用于太阳能供暖中既能提高系统能量利用率又能增加室内采暖效率。但现有研究 对相变水箱作为唯一热源向末端放热的供暖特性定量分析尚不充分。基于此，本文搭建了太 阳能相变供暖实验平台，在实际供暖过程中，对比分析了相变水箱为和同体积普通水箱的蓄 热能力、有效放热量、放热温变特征。另外，在此基础上进一步研究了以相变水箱和普通水 箱作为热源向末端放热供暖时，采暖房间热响应的差异。研究表明：相比于普通水箱，相变 水箱在蓄热能力、有效放热量以及供暖能力等方面具有一定优势，更适用于太阳能供暖系统。 关键词：相变水箱；蓄热能力；有效放热量；放热温变特征 1 引言 随着能源短缺问题日益加剧。以太阳能等清洁可再生能源为主的集热供暖系统应运而 生。但由于太阳能本身特有的时空分布不均匀特性，高效稳定的蓄热系统成为提高太阳能 热能利用率的关键措施之一。 目前的热量储存方式中，显热蓄热操作简单，但蓄热量较小，潜热蓄热安全性高，蓄 热密度大，常与集热供暖系统相匹配[1] [2] 。20 世纪80 年代末，美国Terry 和Randy 等 在 研究发现Na CO —BaCO —MgO 复合材料作为相变材料具有较好的高温稳定性和热物 2 3 3 性。日本Takeshi Kondo 和Tadahiko Ibamot[3]等人研究后发现相变墙板的使用使得建筑热负 荷更平缓，辐射域更舒适。王永川[4]等通过理论分析验证了组合相变储热材料应用于太阳 能供暖系统的实施方案及其经济性。苏文佳[5]研究发现相变蓄热系统的蓄热效率比普通水 箱蓄热系统蓄热效率高4%。梁飞[6]等人测试了在太阳能蓄热工况下浸泡式相变水箱的温变 特性及性能分析。综上所述，就相变水箱供暖的放热温变过程的实测分析尚不充分。 本文建立了太阳能相变供暖实验系统， 对蓄热水箱为热源的供暖过程进行实测，以普 通水箱为参照，对比分析了相变水箱作为热源供暖的放热温变特征及采暖房间温变响应规 律。 2 实验系统 2.1 系统概况 本实验系统位于四川大学江安校区建环楼顶，主要由太阳能集热端、相变水箱蓄热端 和毛细管末端三大部分组成。 实验系统如图1 所示。整个系统分为蓄热循环和放热供暖循环两个循环环路，均采用 水作为环路中传热介质。蓄热环路包括太阳能集热器、旁通阀、电加热器、集热泵、相变 水箱及普通水箱；放热供暖环路主要包括相变水箱、普通水箱、一次泵、板式换热器和毛 细管末端供暖。 1.平板集热器 2.旁通阀 3.相变水箱 4.集热泵 5.普通水箱 6.一次泵 7.板式换热器 8.二次泵 9.毛细管末端 图1 实验系统示意图 2.2 相变水箱 由于本实验系统采用毛细管作为末端散热设备，其供水温度要求较低，因此本系统选 择型号为PCM-50 的相变材料作为蓄热材料。其相变温度为50.84℃，焓值为260.11 kJ/kg ，封装于圆柱体相变蓄热单元内。 图2 为相变水箱剖面图，可以看到，相变水箱内部由72 个相变蓄热单元、不锈钢固定 支架及方形保温水箱三部分组成。相变蓄热单元用不锈钢筒作为封装壳体，直径为 50mm，长度为450mm ，单筒可封装相变材料0.685kg ，封装相变材料总质量为49.32kg 。 72 个相变蓄热单元由一定制不锈钢支架固定，支架共12 层，每层固定6 组相变蓄热单 元，储热单元间距25mm 。水箱设计尺寸为500mm ×500mm ×1000mm，有效体积为 235.8L 。 图2 相变水箱剖面图 2.3 采暖末端 该采暖房间东西长3.4 m，南北宽3.0 m，总室内面积约10.2 ㎡。供暖实验中，为直 观地展现采暖房间室内的温度变化，以便对供暖效果进行评估。将毛细管末端管道平铺于 整个房间，毛细管管道及温