太阳能相变炕影响因素分析及热工性能模拟_李光辉.pdf

本文设计了一种太阳能热水供热与相变蓄热组合的热炕供热系统，为提高蓄热炕的热响应，配置了高导热复合相变材料，利用数值模拟对炕体单元进行三维非稳态瞬态传热模拟。通过控制变量法，对太阳能相变蓄热炕的相变材料导热系数、相变温度、相变潜热等炕体热工特性影响因素进行模拟分析，得出:相变材料导热系数、供水温度、相变潜热对相变炕的热响应时间影响显著，且相变潜热决定放热时长，相变温度、相变温度范围对相变炕的垫面温度有明显影响。最后，以十二水磷酸氢二钠复合相变材料作为炕体的蓄热材料，对炕体进行蓄放热模拟设计，发现垫面温度昼间可达到 17.1，夜间可达到 30.3，可以很好地满足居民的热舒适要求。关键词:太阳能;相变蓄热炕;复合相变材料;数值模拟;热响应时间中图分类号:TU8321文献标志码:A文章编号:16730062(2023)02006107Analysis of Influencing Factors and Thermal Performance Simulation ofSolar Phase Change KangLI Guanghui1，LUO Qinghai1*，LONG Zhengyi1，TU Ming1，QI Bo2(1School of Civil Engineering，University of South China，Hengyang，Hunan 421001，China;2College of Mechanical Engineering，University of South China，Hengyang，Hunan 421001，China)Abstract:In this paper，a hot kang heating system combining solar hot water heating withphase change heat storage is designed In order to improve the thermal response of the heatstorage kang，a high thermal conductivity composite phase change material is configured，and the three-dimensional unsteady transient heat transfer simulation of the kang unit iscarried out by numerical simulation Through the control variable method，the factors influ-encing the thermal characteristics of the solar energy phase-change heat storage kang，such16第 37 卷第 2 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 4 月as thermal conductivity，phase-change temperature and phase-change latent heat，are sim-ulated and analyzed The results show that thermal conductivity，water supply temperatureand phase-change latent heat of the solar energy phase-change heat storage kang have sig-nificant effects on the thermal response time of the phase-change kang，and the phase-change latent heat determines the heat release time，and the phase-change temperature andphase-change temperature range have significant effects on the surface temperature of thephase-change kang Finally，taking disodium hydrogen phosphate dodecahydrate compositephase change material as the heat storage material of the kang body，a 24-hour heatstorage and release simulation design of the kang body is carried out，and it is found thatthe temperature of the mat surface can reach 17.1 in the daytime and 30.3 at night，which can well meet the thermal comfort requirements of residentskey words:Solar energy;phase change heat storage kang;composite phase change materi-als;numerical simulation;thermal response time0引言在北方农村，炕是居民日常起居及活动的重要设施，传统火炕存在炕面温度不均匀1、室内环境差、能源利用效率低等弊端。随着人居环境要求的提高，对传统火炕的改造和研究日益受到重视;其中，以太阳能为能量源结合相变材料实现长时蓄热的改造方式具有很好的应用效果。相变蓄热炕的相关研究表明，石蜡-混凝土炕与纯石蜡炕的供热效果接近，炕面平均温度可达 33.29，但初投资比其节省 30%2;梯级相变蓄热炕体的蓄热量、放热热流密度均高于单级相变蓄热炕体3;但使用较低导热系数相变材料作为炕体的蓄热材料，致使蓄热时间较长。复合相变材料的相关研究不断深入，应用范围不断拓展。以十二水磷酸氢二钠为相变基体，以膨胀石墨为导热增强剂，以九水硅酸钠为成核剂，制备的复合相变材料性能稳定、良好，其相变温度为 33.6，相变潜热为 220 J/g，导热系数为2.42 W/(mK)4。在石蜡-膨胀石墨复合相变材料的基础上掺杂碳纳米管进一步提升复合相变材料导热系数近 1 倍，达到 4.106 W/(mK)，而对复合相变材料的相变潜热基本无影响5。本文设计了一种太阳能热水供应与相变蓄热炕组合系统，通过 Fluent 建立三维炕体单元传热模型，分析炕床相变材料导热系数、相变潜热、相变温度、相变温度范围、床垫导热系数等参数对炕床热工性能的影响;然后以十二水磷酸氢二钠-膨胀石墨复合相变材料为蓄热材料，对太阳能相变蓄热炕的工作性能进行模拟分析。1太阳能供热相变蓄热炕系统图 1 为太阳能热水供应与相变蓄热炕组合式系统示意图，粗实线为水循环管路，细实线为控制线路。集热循环采用温差控制，即通过控制器实现由集热器水温与水箱水温控制循环启闭;自来水经太阳能集热器加热，热水进入保温水箱;当用户需要生活用水或炕体供热时，保温水箱内的热水经过电加热，电加热保证进入炕体及生活用水的水温最低为 45;炕体供热与生活用水的切换，通过控制器每日定时段切换开关来实现，生活用水在循环末端直接供给用户使用，炕体循环后的水再次进入到保温水箱。图 1组合系统工作原理图Fig1Schematic diagram of the combined system26第 37 卷第 2 期李光辉等:太阳能相变炕影响因素分析及热工性能模拟2023 年 4 月2太阳能供热相变蓄热炕模型21物理模型如图 2，太阳能相变蓄热炕的炕体尺寸为 2000 mm1 200 mm10 mm，不锈钢箱体结构;炕体内部通过毛细管供热，支管间距为 10 mm，尺寸为 4.3 mm0.8 mm，主管在炕体外部两侧，由保温材料包覆;铝塑管与炕板之间填充十二水磷酸氢二钠-膨胀石墨复合相变材料。炕体上表面覆盖厚度20 mm 的床垫，其主要成分为棉花，物性参数为密度117 kg/m3，导热系数0.049 W/(mK)6。因支管的直线长度远大于热水管直径，且毛细管网可较好地保证各支管同一纵向处的水温一致，所以本文在三维炕体模型中截取单个炕体单元模型来模拟太阳能蓄热炕的热工性能，如图3(a)，并利用结构化网格技术(intergovernmentalcommittee for european migrations，ICEM)对炕体单元采用三次 O 型剖分进行结构化网格划分，如图3(b)。图 2太阳能相变蓄热炕模型图Fig2Model diagram of solar phase changeheat storage kang图 3炕体单元及结构化网格图Fig3Kang body unit and structured grid diagram22数学模型221基本假设本文在数值模拟过程中采用瞬态求解器，开启 Solidication/Melting 模型、能量方程、层流模型;床垫上表面与空气进行对流换热，对流换热系数为 5 W/(m2K)，模型不同区域接触面设置为耦合面。同时作出如下假设:1)床垫表面与室内空气的热交换简化为自然对流;2)相变材料与毛细管网、相变材料与炕板、炕板与床垫充分接触;3)炕体底面及四周由保温材料包覆与外界无热交换。222控制方程对于相变区域，凝固融化能量方程为:(H)+(H)=(T)+S(1)式中:为时间，s;为密度，kg/m3;H 为流体的焓，J/kg;v 为流体速度，m/s;为导热系数，W/(mK);T 为相变温差，K;S 为源项。能量方程中，流体焓值 H 是显热焓 h 和潜热焓之和，其中显热焓 h 的表达式:h=h0+hh0=hr+TT1CpdTh=L(2)式中:h0为参考焓，kJ/kg;T 为参考温度，K;Cp为36第 37 卷第 2 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 4 月常压下的比热容，kJ/(kgK);h 为潜热焓值。L 为相变潜热，J/kg;为相变材料液孔隙率。使用熔-孔隙率模型来模拟相变材料熔化过程，将相变区域看成多孔介质，用孔隙率 来描述相变材料的相态。=1 表示相变材料处于液态，=0 表示相变材料处于固态，而 01 表示相变材料处于固液混合态。定义如下:=0T TS=1T Tl=T TSTl TSTS T Tl(3)式中:TS为相变材料的凝固温度，K;Tl为相变材料的熔化温度，K。3太阳能相变蓄热炕热工性能影响因素分析对于太阳能相变蓄热炕，相变材料、供水温度都会影响其蓄放热性能;本文设定进口水温为 40，水速为0.1 m/s，相变材料的相变温度为 35(相变温度范围为(352)，无过冷度)、相变潜热为100 J/g、床垫导热系数为0.049 W/(mK)、相变材料导热系数为 1 W/(mK)等基本参数，通过控制变量法来探究各影响因素对太阳能相变蓄热炕蓄放热性能的影响，各影响因素见表 1。表 1太阳能相变蓄热炕影响因素参数设定Table 1Parameter setting of influencing factors of solar phase change heat storage kang序号因素 1:供水温度/因素 2:相变潜热/(JK1)因素 3:相变温度/因素 4:相变温度范围/因素 5:相变材料导热系数/(Wm1K1)1385028263805240100323038134215036343815444200231供水温度对太阳能相变炕性能的影响图 4 为不同供水温度对炕体蓄放热性能的影响。模拟发现:在蓄热阶段，随着供水温度的升高，垫面温度达到稳定的时间分别在 100 min、70 min、50 min、40 min 附近，随着供水温度的升高，炕体完成蓄热时间缩短，垫面温度也在升高;在放热阶段，供水温度越高，供热前后的垫面温差就越大，但对放热时长并无明显影响。故供水温度的选择不宜过高，满足高于相变材料融化结束点(37)35 炕体的热响应时间就已有明显缩短。图 4因素 1 垫面温度变化图Fig4Factor 1 mat surface temperature change chart32相变潜热对太阳能相变炕性能的影响图 5 是在相变材料用量一定的条件下，相变材料不同相变潜热值对炕体蓄放热性能的影响。在蓄热阶段，随着相变材料潜热值的增加，垫面稳定达到稳定时间分别在 40 min、60 min、90 min、120 min 附近，垫面温度基本无变化;在放热阶段，相变潜热值对放热时长影响明显，相变潜热值越大，供热时长越长。故在满足供热要求的条件下，相变材料潜热值越大，所需相变材料越少，有利于节省成本，简化结构。图 5因素 2 垫面温度变化图Fig5Factor 2 mat surface temperature change chart46第 37 卷第 2 期李光辉等:太阳能相变炕影响因素分析及热工性能模拟2023 年 4 月33相变温度对太阳能相变炕性能的影响图 6 为相变材料不同相变温度对炕体蓄放热性能的影响。在蓄热阶段，相变温度越高，垫面温度达到稳定的时间分别在 80 min、50 min、40 min附近，这是因为相变温度与供水温度的温差增大使得蓄热时间缩短;在放热阶段，相变温度高的炕体垫面平均温度高，放热时间短，相变温度低的垫面温度低，放热时间长，这是因为相变温度低的炕体与室内空气的温差小，换热量少，所以蓄热时间长，故相变温度是垫面温度的主要影响因素，对于相变温度的选择需使垫面温度达到人体热舒适性要求。图 6因素 3 垫面温度变化图Fig6Factor 3 mat surface temperature change chart34相变温度范围对太阳能相变炕性能的影响图 7 为相变材料不同相变温度范围对炕体蓄放热性能的影响。模拟发现:在蓄热过程中，随着相变温度范围的增大垫面稳定达到稳定时间分别在 90 min、60 min、55 min 附近，这是因为随着相变温度范围的增大相变材料开始融化的温度较低，此时相对于供水温度的温差较大，相变材料融化快，整体的蓄热时间短;在放热过程中，相变温度范围越大，相变材料放热的时间就越长，但相变材料放热起止点的垫面温差也就越大，故炕体的相变材料应尽可能选择相变温度范围小的相变材料作为炕体的蓄热材料。35相变材料导热系数对太阳能相变炕性能的影响图 8 为相变材料不同导热系数对炕体蓄放热性能的影响。在蓄热阶段，不同导热系数相变材料的炕面平均温度达到基本稳定的时间分别在80 min、70 min、60 min 附近，故增大相变材料导热系数可在一定程度上减少太阳能蓄热炕的热响应时间，但当相变材料导热系数达到1.5 W/(mK)，继续增加相变材料导热系数，炕体的蓄热时间基本无减少;在放热阶段，导热系数对炕体的放热时长并无明显影响，对潜热放热时维持的垫面温度影响不明显，故对于相变材料选择，导热系数达到1.5 W/(mK)即可，继续增大相变导热系数对缩短炕体蓄热时间无明显影响。图 7因素 4 垫面温度变化图Fig7Factor 4 mat surface temperature change chart图 8因素 5 垫面温度变化图Fig8Factor 5 mat surface temperature change chart综上，相变材料导热系数、相变材料相变潜热及供水温度对太阳能相变炕的热响应时间有显著影响，相变材料导热系数在一定范围内越大、相变潜热值越小、供水温度越高，垫面的热响应时间就越短，但相变潜热越小，太阳能水暖炕的放热时长56第 37 卷第 2 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 4 月就越短。另外，相变材料的相变温度决定了垫面温度，相变温度范围影响垫面的温度变化。故太阳能相变蓄热炕供水温度应选择高于相变材料融化结束点 35、相变温度较高、相变温度范围小、高潜热、较高导热的相变材料。4太阳能相变炕24 h 蓄放热性能模拟41基础数据实测图 9 为山东省德州市某农宅卧室日平均温度数据，通过带有自制防辐射罩的热电偶与玻璃温度计测量，测定位置为卧室中央，距地 1.5 m 处;17 日之前为房间未采取供暖措施的室内温度数据，平均温度为 7.5;17 日及之后为房间采取供暖的室内温度数据，所测室内温度范围在 716之间，跨度较大，这是因为农村供暖有很大的主观性。图 9室内日平均温度曲线图Fig9Indoor average daily temperature curve在冬季，居民在不同的室温下所覆盖的被子层数也不一致，目的是获得较为舒适的被窝温度，故夜间被窝温度取 29 7，昼间室温为 7.5，对炕体在 24 h 内的工作性能进行模拟分析。4224 h 炕体蓄放热性能模拟分析因北方农村居民在白天 11 h 的时间内有70%的时间在起居室活动8，故对炕体进行 24 h供热周期模拟设计，通过查询典型年气象数据，发现德州市的日太阳辐射最大量主要集中在 11 时至 13 时，所以以 12 时到次日 12 时为一个蓄放热周期进行模拟设计，其中，每日 22 00 至次日 7 00为夜间工况。如图 10 所示，太阳能相变蓄热炕 24 h 运行下的垫面平均温度及平均液相分数变化情况，其中阶段为夜间工况，、阶段为昼间工况。各阶段的炕体运行状况如下:阶段为蓄热阶段，在供水温度为 45 毛细管网的供热下，太阳能相变蓄热炕经过 120 min完成蓄热，此阶段相变材料蓄热方式为显热和潜热蓄热，蓄热完成平均液相分数达到 1，即相变材料已经完全融化，此时炕面温度达到 44.0，垫面温度为 19.5。阶段为显热放热阶段，在图中可以看出停止加热后的炕面、垫面温度快速下降，这是因为相变材料的凝固起始点低于融化起始点，且十二水磷酸氢二复合相变材料导热系数较高，故温度下降明显。阶段进入潜热放热阶段，此阶段相变材料开始凝固，相变材料液相分数开始降低，相变材料开始潜热放热，所以垫面温度下降较缓，此时垫面温度为 17.1。阶段进入夜间工况，此时垫面温度升高是因为与垫面对流换热的区域变为被窝微环境，被窝内的温度较高，所以垫面温度升高，此时垫面温度达到 30.3，垫面温度在人体舒适睡眠温度范围内，阶段结束时的相变材料平均液相分数为 0.57。阶段进入昼间工况，经过一个蓄放热周期，此时在昼间无供暖的环境下垫面温度最终仍能维持 15.1，相变材料的平均液相分数为 0.34。图 10炕、垫面温度及平均液相分数变化图Fig10Variation diagram of temperature and averageliquid fraction on kang and cushion surface对太阳能相变蓄热炕进行 24 h 运行过程中，垫面温度满足人体热舒适要求，十二水磷酸氢二66第 37 卷第 2 期李光辉等:太阳能相变炕影响因素分析及热工性能模拟2023 年 4 月钠-膨胀石墨复合相变材料可较好的应用于太阳能相变蓄热炕，使太阳能相变炕具有较好的蓄放热性能。5结论1)将太阳能热水供应与相变蓄热炕相结合，系统兼顾卫生热水供应和炕体相变蓄热的需要，从而提高系统性能和效益，为北方农村地区传统火炕绿色、节能改造提供了参考。2)探究了太阳能相变蓄热炕各影响因素对炕体蓄放热性能的影响，得出:太阳能相变蓄热炕应选择高于相变材料融化结束点 35 的供水温度，选择相变温度较高、相变温度范围小、高潜热、较高导热的相变材料。3)选取十二水磷酸氢二钠-膨胀石墨复合相变材料作为炕体的蓄热材料，通过对炕体的 24 h蓄热放热性能模拟分析表明:太阳能相变蓄热炕的垫面温度昼间可达到 17.1，夜间可达到30.3，可以很好地满足居民的热舒适要求。参考文献:1李刚，李小龙，李世鹏，等太阳能辅助火炕供暖系统热工性能J 沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2014，30(2):305-311 2黄超，郑辉，杨振民，等石蜡复合混凝土太阳能相变蓄能炕系统的热性能研究 J 西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2018，50(1):111-116 3宗弘盛，杨兆晟，张群力，等梯级相变蓄热装置蓄放热性能模拟研究J 可再生能源，2021，39(5):618-625 4王佩祥，冯秀娟，朱易春，等利用膨胀石墨改进十二水磷酸氢二钠复合相变材料的蓄热性能J 材料导报，2020，34(18):18044-18048 5任学明，沈鸿烈，杨艳膨胀石墨/石蜡复合相变材料的碳纳米管掺杂改性研究J 功能材料，2019，50(6):6008-6012 6杨世铭，陶文铨传热学 M 4 版北京:高等教育出版社，2006:557-558 7李净西北乡域住宅冬季睡眠热环境调查分析 D 西安市:西安建筑科技大学，2016:28-29 8黄莉，朱颖心，欧阳沁，等北京地区农宅供暖季室内热舒适研究 J 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