北京市住宅建筑設計研究院有限公司 過旸 李慶平 王國建 鄧月超
【摘 要】為提高農村地區建筑室內溫度，本項目提出了一種利用建筑內墻的新型太陽能供暖體系，即白天，安裝在房頂的空氣是太陽能集熱器產生熱風，送入建筑內墻，在加熱內墻后，通入室內，加熱室內環境；夜晚，被加熱的內墻逐漸降低溫度，為室內供暖。本文通過實驗的方法，該供暖體系中墻體的構筑方式以及空氣流動方式，為太陽能墻體供暖體系的優化設計提供基礎數據參考。
【關鍵詞】太陽能供暖，墻體供暖；構筑方式；實驗研究
1 引言
眾所周知，我過仍是一個農業大國，農村人口占到全國總人口的50%以上。然而，由于社會等原因，我國北方地區農村仍無法實現集中供暖，致使農村建筑室內溫度偏低。
然而，我國農村現在房屋多為矮小的建筑，這位太陽能供暖提供了條件，因此本文提出了一種新型太陽能墻體供暖體系，如圖1，即，白天，兩個房間室內的空氣在風機的作用下被送入太陽能空氣集熱器進行加熱，加熱后的熱空氣被送入空氣磚內墻的空氣通道加熱空心磚，并被送入房間內部為房間供暖；夜晚，關閉風機，被加熱的內墻溫度逐漸降低，向室內散熱，為房間供暖。因此，空心砌塊磚的構筑形式和空氣流動方式直接關系著白天砌塊蓄熱量和夜晚的放熱量[1] 。
基于此，本文搭建了砌塊層空氣蓄熱試驗臺，通過對其傳熱與流動過程的理論分析和實驗研究，認識并把握影響砌塊層蓄熱性能的關鍵影響參數及其影響規律，為新型太陽能主動式相變蓄熱墻體供暖體系優化運行設計及其在可再生能源利用技術中的高效應用提供方法參考。
2 材料及方法
2.1 試驗對象
試驗臺位于北京地區室內，外觀圖如圖2。砌塊墻長1.76m，高1.14m，厚0.19m，橫向由4列390mm×190mm×190mm的砌塊和1列200mm×190mm×190mm的砌塊組成，縱向由6行砌塊組成，其中試驗臺內部有9個140mm×120mm×1140mm空氣通道，空氣通道最下面一行砌塊壁面均有直徑為120mm的孔洞，便于接入送風管。為了提高墻體的導熱和蓄熱能力，本實驗采用兩個空氣通道送風，其他空氣通道填滿密實的沙子，其材料特性如表1。試驗臺所需的熱風由電加熱器供給，其精度可控制在1℃內。電加熱器與墻體由保溫的送風管連接。為了保證實驗條件一致，室內環境受空調控制，其精度為±1℃。
2.2 測點布置與數據采集
試驗共布置了132個測點，其中3個測點布置在室內環境中，監測墻體所在的環境的溫度，129個測點布置在砌塊墻體表面及內部，監測砌塊層的溫度和熱空氣溫度。測點在高度方向共布置3層，如圖5a，其中最下層測點主要監測熱空氣進風水平面的砌塊及空氣溫度，中間層測點監測砌塊中間層的砌塊和熱空氣溫度，上層測點主要測試空氣流經4層砌塊（0.76m）后的出風溫度及砌塊溫度。各水平面測點如圖3b。風速測點主要布置在電加熱器與墻體連接管道中間斷面。
試驗溫度由T型熱電偶測量，用Agilent巡檢儀，每30s采集一次，其精度為±0.5℃，風速采用Testo 435多功能測量儀，每30s采集一次，其精度為±0.01 m/s。
2.3 砌塊層蓄熱特性影響因素分析
圖3為圖2a) 砌塊層在熱空氣以下進上出方式流入時砌塊單元的流動與傳熱過程示意圖。空氣經過太陽能空氣集熱系統加溫后，被輸送至砌塊層內部的空氣通道，由于熱空氣與砌塊層溫差較大，在空氣通道內表面形成較強的對流換熱，通過對流換熱的方式將顯熱傳給砌塊層內表面；隨著砌塊層內表面溫度的上升，所獲得的熱量將由砌塊層內表面以熱傳導的方式進入到砌塊層內部，砌塊層內部溫度升高。
因此，影響砌塊層蓄熱性能的因素大致可歸納為：1）熱空氣的溫度和流速，它們直接決定著單元體內的熱源的大小，直接影響砌塊層的蓄熱量；2）熱空氣的流動方向，其可以影響熱空氣與砌塊層內表面之間的對流換熱充分性；3）通氣管內部擾動，其影響熱空氣的均勻性，改變熱空氣的對流換熱系數；4）通氣管的管間距，當砌塊層的材料熱物性參數一定時，管間距直接關聯砌塊層內的熱量傳輸速度；5）砌塊層墻體高度，墻體高度一方面反映了墻體的蓄熱容量，同時也關聯熱空氣沿流動方向換熱的充分性。
2.4 實驗方案
由于受到試驗臺高度及管間距無法變化的限制，因此本研究主要認識并把握熱空氣的溫度、流速、流動方向、空氣管內部擾動等因素對砌塊層蓄熱特性的影響規律，故采取改變單一變量法進行實驗研究，實驗方案如表2。
2.5 評價方法
（1）砌塊溫升
砌塊溫升為砌塊各層水平面對應相同位置測點溫度平均值與其初始時刻平均值之差，其可以評價墻體蓄熱能力及大小[2]，如式（1）。
式中：ΔTm(τ) — τ 時刻 m 位置砌塊測點的溫升，℃；
Tlm(τ) — τ 時刻 l 層 m 位置砌塊測點的溫度，℃；
Tlm(0)—初始時刻 l 層m位置砌塊測點的溫度，℃；
（2） 砌塊墻體溫度
砌塊墻體熱流密度如式（2）。對于砌塊墻體為各向同性，因此根據已知的測點溫度即可求出任意測點的溫度。
q=-λgradt （2）
式中： q—墻體熱流，W/m2；
λ—墻體材料的導熱系數，W/(m·℃)，其值如表1；
gradt—溫度梯度，℃/m；
（3）砌塊墻體蓄熱量
實驗砌塊墻體可以簡化為如圖4模型，其蓄熱量如式（3）。
式中：Q(τ) — τ 時刻砌塊模型的蓄熱量，kJ；
xi— i 節點的x坐標，m；
yi— i 節點的y坐標，m；
zi —i 節點的z坐標，m；
cijk—坐標（xi，yi，zk）處材料的比熱，kJ/(kg·℃);
ρijk—坐標（xi，yi，zk）處材料的密度，kg/m3;
Tijk (τ)— 時刻坐標（xi，yi，zk）處溫度，℃;
Tijk (0)—初始時刻坐標（xi，yi，zk）處溫度，℃;
其中，當0.04≤xi≤0.18且0.035≤yk≤0.155 時，此部分為空氣腔，其內部熱量不為墻體蓄熱量，即可令cijk =0，ρijk =0；當0.22≤xi≤0.36且0.035≤yk≤0.155 時，此部分為填滿砂子的空氣腔，cijk= cs，ρijk =ρs；其他情況，為填滿砂子的空氣腔，cijk= cb，ρijk =ρb；
3 實驗數據分析
3.1 熱空氣溫度的影響
為了探究熱空氣溫度對砌塊層蓄熱特性的影響，砌塊層蓄熱特性其他影響因素不變，分別控制熱空氣供風溫度與空氣腔初始溫度差值為21.0℃、24.5℃、31.1℃進行試驗研究，其它實驗條件如表2中Case1，連續供熱8小時后墻體溫度分布如圖5。從圖中可以看出，各測點砌塊溫升隨著距空氣通道距離的不同而不同，其中空氣通道內表面溫升最高，空氣通道附近砌塊內部測點溫升其次，填滿砂子的空氣通道附近最低，并且在距空氣通道相同距離的砂子測點溫度較砌塊測點溫度低，這與其各自的導熱系數有直接關系；砌塊溫升隨著供風溫差的增加而增加，且在25℃溫差后，增加速率有所減緩。
3.2 熱空氣風速的影響
圖6表示供熱8小時后不同供風速度下砌塊溫升關系，其實驗條件如表2中Case 2。從圖中可以看出，不同的供風速度對砌塊溫升有不同的影響。在供風速度0.16-0.24m/s，砌塊溫升隨著風速的升高而升高，在供風速度0.24-0.52m/s時，隨著供風速度的增加，溫升逐漸降低，在供風速度大于0.52m/s時，砌塊溫升基本不變。
3.3 熱空氣流向的影響
圖7表示熱空氣流向與砌塊溫升關系，其實驗條件如表2中Case 3。從圖中可以看出，上送下回所有測點的溫升均高于下送上回的，其中最高提高2.1℃，最低提高0.8℃。其主要是由于下送上回時，由于在進風口進入砌塊墻體內存在一個90°彎頭，其在彎頭內部形成渦流，而上送下回時，由于空氣直線下送，并且熱空氣在流出墻體時由于存在彎頭增大了氣體流動的阻力，提高了熱空氣換熱的能力。
3.4 空氣管擾動的影響
圖8表示空氣管內部是否存在擾動對砌塊溫升的影響關系，其中當加入擾動時，即為在空氣通道中心加入3根30mm×30mm×950mm，其間隔為10mm以等邊三角形排列，其他條件如表2中Case 4。由圖中可以看出，在空氣通道中加入擾動有利于砌塊墻體的蓄熱，其各測點的溫升均得到了明顯的提高，最高提高2.5℃，最低提高1.0℃。
4 結論
1）基于本研究提出的新型太陽能主動式相變蓄熱墻體供暖體系，建立了中間層砌塊墻體試驗臺，通過不同工況實驗分析了熱空氣的溫度、流速、流動方向、空氣管內部擾動等因素對砌塊層蓄熱特性的影響規律，并提出應用于該試驗臺最有工況：供風溫差為24.5℃，供風速度為0.24m/s，供風類型為下進上出，且管內加入擾動。
2）基于試驗臺試驗結果，建立數學模型，分析了砌塊墻體在水平面和豎直方向溫度，分布，研究發現墻體水平面和豎直方向溫度均得到了明顯的升高，但是在高度一半后溫升變化速率減緩，且在水平面其影響半徑約為0.2m，且距空氣通道相同距離的砂子測點溫度較砌塊測點溫度低。
參考文獻：
[1] 陳晨, 劉艷峰, 王登甲, 等. 集熱蓄熱墻保溫構造形式優化及適應性分析[J]. 太陽能學報, 2016,37(11):2889-2895.
[2] 吳彥廷, 周國兵, 楊勇平. 太陽能相變蓄熱集熱墻二維非穩態模型及分析[J]. 太陽能學報, 2012(06):948-952.
備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆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。
湘公網安備43011102000873號
