河北工業大學 馬秀琴,胡明月,劉長昊,竇一帆
【摘 要】本文從節能環保的角度出發,設計一種以太陽能為熱源,石蠟-碳纖維布復合相變材料為儲能介質的太陽能相變蓄能床系統,為農村提供一種舒適安全的供暖方式。太陽能供水溫度分別取35℃,40℃,45℃。在不同供水溫度下,分別將碳纖維布鋪設在床體的下部、中部和上部,分析碳纖維布在床體不同位置時太陽能相變蓄能床的熱工性能。結果表明:當碳纖維布鋪設在床體下部,供水溫為35℃時,睡眠平均溫度達到30.57℃,平均熱流密度12.29W/m2,即節能又滿足舒適度要求,整體效果達到最佳。
【關鍵詞】蓄能床,相變蓄熱,碳纖維布,睡眠舒適溫度
【基金項目】河北省節能減排技術轉移中心省級技術轉移示范,河北省科技計劃項目(16987624D);河北省環保產業綠色可持續發展對策研究,河北省創新能力提升計劃軟科學研究專項(19453713D)
Abstract:From the perspective of energy conservation and environmental protection, this paper designs a solar phase change energy storage bed system using solar energy as a heat source, paraffin-carbon fiber cloth composite PCM (phase change material) as an energy storage medium. It can provide a kind of comfortable and safe heating way in the countryside.The solar water supply temperature is set at 35℃, 40℃ and 45℃.Thermal performances of the solar phase change energy storage bed when the carbon fiber cloth is laid at the lower, middle and upper positions are experimentally analyzed at different water supply temperatures.The results show that when the carbon fiber cloth is laid at the lower position of the bed, and the water supply temperature reaches to 35℃, the average sleep temperature is 30.57℃, and the average heat flux density is 12.29 W/m2 which can meet the requirements of energy conservation and comfort. The overall bed system can reach to the optimal result.
Key words: solar energy, PCM heat storage, carbon fiber cloth, sleep comfort temperature
1 引言
在我國北方的農村地區,主要是依靠煤作為主要能源進行冬季供暖,煤的燃燒都會產生大量的污染氣體,嚴重污染環境,是造成霧霾天氣的重要原因之一。因此,改進農村供暖方式是治理大氣污染的重要舉措之一。如今在農村推廣開來的“煤改氣”,“煤改電”等工程就是為了減少環境的污染,實現我國的可持續發展。但是,實現能源清潔發展,只有這些措施還不夠,我們需要做出的努力還有很多,其中,充分利用可再生清潔能源是解決問題的關鍵。太陽能作為最常見、資源最廣的可再生能源,可直接開發利用,不會污染環境,加劇溫室效應,是我國農村供暖的首選熱源。
在相變蓄熱方面,P. Brousseau[1]等人研究了相變材料的儲熱性能,并通過建立模型設計了一個可以減少家庭用電消耗量的相變儲能單元。Luisa F. Cabeza[2]等人將相變材料應用在水箱中,相變材料可充分利用水箱中的低溫熱量或者廢熱,在沒有外部能量供應的條件下,延長熱水的使用時間。David Beltrán[3]等人將相變材料應用在建筑物的墻板和屋頂中,結果表明,相變材料會在白天吸收熱量并在晚上釋放熱量,使得室內溫度在白天和夜晚都可以保持在舒適溫度范圍之內,提高室內舒適度。孟娟[4]等人把相變蓄熱技術與太陽能技術結合,將蓄能系統蓄熱量提高了數倍,并提出了在相變系統中改變蓄熱結構、添加導熱性強的材料等方法強化太陽能相變蓄熱。藺瑞山[5]等人利用太陽能以及相變材料為寒冷地區示范建筑進行供暖,分析運行結果發現,太陽能-相變材料供暖系統運行成本低,且室內環境更能滿足人體熱舒適要求。龍巍[6]等人對碳纖維材料的性能研究現狀及應用進行了全面分析,并對碳纖維復合材料的應用前景進行了展望。Fukai[7]等人對碳纖維的分布方式進行研究,在換熱器殼的后側填充碳纖維,有效提高了傳熱速率。本文將相變材料和碳纖維布相結合,通過實驗分析對比,研究得出更優化的蓄能床設計。
1 太陽能相變蓄能床的原理與結構
1.1 太陽能復合相變蓄能實驗臺的建立
太陽能相變蓄能系統,如圖1所示,主要由三大部分組成,即槽式太陽能集熱系統、水箱系統、蓄能床系統。三大系統通過相關管路以及其他控制部件進行連接,以保證系統的正常運行。其中,太陽能集熱系統利用太陽能將冷水加熱,加熱后的水通過動力系統傳輸至水箱,再由水箱傳輸至蓄能床系統對相變材料進行加熱,相變材料作為儲能介質在白天吸收熱量并儲存,在夜間,太陽能集熱系統停止工作時,將熱量通過炕體表面釋放出來進行供暖。
圖1 太陽能相變蓄能床系統圖
1.2 太陽能復合相變蓄能材料的選取
石蠟作為典型的相變材料,潛熱值高,化學穩定性好不易發生化學反應、無毒、無腐蝕性,價格低廉,因此成為各行各業常用的相變材料。同時,考慮到人體正常體溫在36.3°-37.2°(口測法)[8],為盡可能滿足人體熱舒適,選用35#石蠟作為蓄能系統的相變材料,采用差式掃描量熱法對35#石蠟進行熱分析,測得融化溫度為35.76℃、融化焓值為212.30 J/g、凝固溫度為34.02℃、凝固焓值為212.74 J/g,石蠟的DSC 曲線如圖2所示。
圖2 35#石蠟DSC 曲線
碳纖維是纖維狀的微晶石墨材料,是有機纖維通過高溫碳化和石墨化而形成的,它由聚合物纖維和瀝青制成,并具有90%的高碳含量,是高強度高模量的纖維。碳纖維的導熱系數較高,一般為190W/(m·K)~220W/(m·K),具有良好的導熱性能。不僅如此,碳纖維還耐腐蝕、耐高溫、化學性質穩定且密度低、熱膨脹系數小。因此,碳纖維作為一種新型的碳材料,價格便宜,與大多數相變材料兼容,可用于改善相變材料的導熱性。
2 太陽能復合相變蓄能床的實驗研究
國內外很多學者都研究并證明了碳纖維布的加入,可以使相變蓄能系統的整體蓄熱性能提高。為了進一步探究碳纖維布的鋪設位置對相變蓄能床體的影響,將碳纖維布分布鋪設在相變蓄能床的下部、中部、上部進行實驗,分析太陽能相變蓄能床的熱工性能。
2.1 實驗方案
實驗分別選取35℃、40℃和45℃三個供水溫度對純石蠟太陽能相變蓄能床進行供暖,并在不同供水溫度下,分別將碳纖維布鋪設在床體下部(距不銹鋼盤管0mm)、床體中部(距不銹鋼盤管20mm)、床體上部(距不銹鋼盤管40mm),以研究碳纖維布鋪設位置對相變蓄能床熱工性能的影響。實驗采用T型熱電偶測量床體溫度,熱流密度計測量床體的熱流量。通過對相變蓄能床的睡眠溫度、熱流密度、升溫速率、降溫速率、熱穩定階段平均溫度、睡眠階段平均溫度、全天平均溫度和平均熱流密度進行分析,比較碳纖維布在床體三個位置的熱工性能,確定碳纖維布的最佳鋪設位置。
2.2 實驗結果分析
按照冬季太陽照射的時間及相變材料溫度的變化將實驗時間劃分為四個階段,即升溫階段、熱穩定階段、降溫階段和睡眠階段,周期為24小時。具體分段如表1示。
表1 實驗運行時間段劃分表
將碳纖維布固定在距離盤管0cm、2cm、4cm的位置,即床體的下部、中部和上部進行對比實驗,取供水溫度35℃、40℃、45℃,比較結合不同位置碳纖維布的蓄能床的熱性能。睡眠溫度和熱流密度對比圖見圖3,圖4。
圖3 不同供水溫度下碳纖維布三種鋪設位置的睡眠溫度對比圖
由圖3可見,睡眠溫度的變化趨勢基本符合同一規律。同一種供水溫度,碳纖維布在床體上部,中和下部的睡眠溫度基本呈依次增高的趨勢,對于35℃供水溫度,碳纖維布在床體上部,中部和下部的睡眠平均溫度依次為30.16℃、30.44℃、30.57℃;同理對于40℃,依次為30.19℃、30.99℃、31.56℃;對于45℃,依次為0.37℃、31.05℃、32.02℃,相較純石蠟蓄能床在供水35℃、40℃、45℃下的睡眠平均溫度26.25℃、26.99℃、27.71℃,可以發現在任意位置添加碳纖維布都可以起到提高床體導熱性的作用。且距離不銹鋼盤管越近,即碳纖維布在床體越靠下的位置時,最終的睡眠溫度越高,強化換熱的效果越好。隨著距離不銹鋼盤管的位置越來越遠,碳纖維布沒有與盤管很好的接觸,傳熱阻力變大,熱量沒有很好的傳遞。同時,在碳纖維布位置相同的情況下,供水溫度越高,床體熱工性能越好。
圖4 不同供水溫度下碳纖維布三種鋪設位置的熱流密度對比圖
圖4是三種供水溫度下碳纖維在不同位置時床體的熱流密度對比,大致的規律仍是:碳纖維依次在床體上部、中部、下部時,熱流密度呈遞增的趨勢。供水35℃時,碳纖維布在床體上部,中部及下部的平均熱流密度為10.81W/m2、11.42 W/m2、12.29 W/m2;同理供水40℃為11.20 W/m2、12.25 W/m2、13.55 W/m2;45℃為13.04 W/m2、14.28 W/m2、15.48 W/m2。距離盤管的位置越近,熱量傳遞的越充分,因而在應用中要使碳纖維布與不銹鋼盤管緊密貼合,可以采用一些固定裝置將碳纖維布與盤管固定在一起,這樣就可以避免因為石蠟相變,使碳纖維布與盤管之間發生位置變化。此外,對于同一位置,供水溫度越高,平均熱流密度越大。在應用中,可根據需要選擇最合適的供水溫度,溫度過高不僅浪費能源,而且舒適度也會有一定的下降。其他性能參數的對比見表2。
表2 三種床體其他性能參數
比較表2中的相關數據,同一位置的碳纖維布,供水溫度越高,性能參數的值越大;同一供水溫度,碳纖維布在床體下部鋪設時,參數值較高。由表可以看出添加碳纖維布的相變蓄能床的睡眠階段平均溫度都在30℃以上,這說明碳纖維布的添加可以提高相變蓄能床的傳熱效率。其中,供水溫度45℃,碳纖維在床體下部時,熱穩定階段平均溫度已經達到41.47℃,這個溫度和供水溫度相差甚少,此時睡眠階段平均溫度也達到32.02℃,在滿足人體舒適度的前提下,可以適當降低供水溫度,降低供暖能耗。同時,在供水溫度35℃時,睡眠平均溫度也達到了30.57℃,處于舒適度范圍之內。因此,為了讓熱量更好的傳遞,碳纖維布應盡量貼近不銹鋼盤管。從節能的角度來看,供水溫度35℃,碳纖維在床體下部鋪設可作為相變蓄能床設計的最佳選擇。
3 結論
將碳纖維布鋪設在床體不同的位置,分別在床體的上部、中部和下部,取供水溫度35℃、40℃、45℃進行實驗,結果表明:
1)將碳纖維布加入到純石蠟相變蓄能床體的任何位置,都可以提高床體的導熱性。在不同供水溫度下,碳纖維布復合相變蓄能床的各項參數均優于純石蠟相變蓄能床。
2)碳纖維布在同一個位置,供水溫度越高,蓄能床的性能參數越高。當供水45℃,碳纖維布在床體下部時,睡眠平均溫度可達32.02℃。
3)對于同一供水溫度,碳纖維布在床體上部、中部、下部時的性能參數數值依次呈遞增的趨勢。就供水溫度40℃而言,上中下三種位置的睡眠平均溫度依次為,30.44℃、30.99℃、31.05℃。碳纖維布在床體下部鋪設時效果最好,可以更好的提高導熱性。
4)碳纖維布不同的鋪設位置,不同程度地增強了床體導熱性,在各供水溫度下,鋪設碳纖維布的床體的睡眠平均溫度均在30℃以上。碳纖維布處于不同位置的蓄能床都可以取35℃作為最佳的供水溫度,且碳纖維布鋪設在下部時,床體各參數性能最優。綜合考慮,選擇供水溫度35℃,碳纖維在床體下部鋪設作為蓄能床應用的最佳方案。
參考文獻
[1]P. Brousseau, M . Lacroix. Study of the thermal performance of a multi-layer PCM storage unit[J]. Energy Conversion and Management,1996,37(5).
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[3] R. David Beltrán, Javier Martínez-Gómez. Analysis of phase change materials (PCM) for building wallboards based on the effect of environment[J]. Journal of Building Engineering,2019,24.
[4]孟娟,吳文瀟,成蒙,等.強化太陽能相變蓄熱技術的研究進展[J].新能源進展,2019,7(02):155-160.
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[6]龍巍,鄭學林,臧建彬.基于碳纖維復合材料熱性能的研究進展綜述[J/OL].應用化工:1-9[2019-07-28].https://doi.org/10.16581/j.cnki.issn1671-3206.20190613.033.
[7]Fukai J, Hamada Y, Morozumi Y, et al. Improvement of thermal characteristics of latent heat thermal energy storage units using carbon-fiber brushes: Experiments and modeling [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2003, 46 (23): 4513-4525.
[8]正常體溫: 36.3℃~37.2℃(口測法)[J]. 世界最新醫學信息文摘,2015,15(14):80
備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊總第37期(第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。