河北工業大學 ?陳萬河, 孔祥飛, 楊華, 喬旭, 苑廣普, 姚成強

      【摘  要】以25#石蠟為相變材料，膨脹珍珠巖為支撐材料，采用真空加熱滾筒箱體制備相變顆粒，然后將相變顆粒定模壓制成相變蓄能板，再將其與建筑圍護結構結合形成相變蓄能墻板，并對相變蓄能墻板進行冬季供暖測試。結果表明：實驗房間都以太陽能供暖時，由于相變蓄能板的蓄熱調溫作用，使相變房間的溫度波動遠小于參照房間，且能夠提高太陽能利用效率。綜上所述，相變蓄能墻板作為儲能構件，展現出巨大的節能潛力和優勢。

      【關鍵詞】相變顆粒，相變蓄能板，供暖，太陽能

Abstract: The paraffin 25# (phase change material) and expanded perlite (supporting material) were used to fabricate the composite phase change material, through a vacuum heating adsorption roller. Then, the prepared composite phase change materials were pressed into phase change energy storage plates, in order to combine with the building envelope to form a kind of phase change energy storage wall (PCESW), which was tested for heating in winter. The results showed that when the experimental rooms were heated by solar energy, the indoor temperature fluctuation of the room with PCESW was much smaller than that of the reference room without PCESW, due to the heat storage ability of phase change materials, and the solar energy utilization efficiency can be improved. In summary, PCESW, as an energy storage component, exhibits great potential and advantages for building energy efficiency.
Key words: phase change particles, phase change energy storage plate, heating solar energy

0 引言

      隨著社會的不斷發展，龐大的建筑能耗成為國民經濟的巨大負擔，是影響國家經濟走勢的重要因素。建筑物造成的能源消耗占世界能源消耗總量的40%，并造成30％年度溫室氣體排放量，因此建筑行業全面節能勢在必行。近年來，相變材料（PCM）的廣泛應用，在太陽能行業，食品和醫療藥品保存上都有重要進展。熱量存儲是提高能效水平的重要手段。建筑物的熱量存儲可以通過顯熱以及潛熱（PCM和其他熱慣性材料）來實現^[1] ，而潛熱存儲被認為是最有效的熱能存儲技術^[2-3] 。相變蓄能技術在建筑中的應用可以降低室內溫度波動，提高熱舒適性，降低建筑能耗。

      近年來可再生能源不斷推廣。但一些可再生能源，如太陽能^[4]和風能^[5]的間歇性造成了能源產生和能源需求的不匹配，而熱能存儲技術恰恰可以幫助制定策略。重慶大學科技部低碳與綠色建筑國際研究中心的王勇等人評估了五種太陽能潛熱儲存系統的設計案例并進行3D數值模擬驗證^[6] 。其他一些研究也闡述了將可再生能源與相變蓄能系統進行耦合的方法和效果^[7] 。

      本文針對相變材料的特性制備相變蓄能板材，并與建筑圍護結構結合形成相變蓄能墻板，同時進行相變蓄能墻體與太陽能耦合實驗，對相變蓄能墻體的蓄、放熱特性及與太陽能耦合供暖的效果進行研究，為相變蓄能材料與可在生能源的聯合使用提供依據和方法，有利于制定符合實際工況下的控制策略，能夠填補相關研究的空白，使相變蓄能材料及可再生能源能夠更好的為建筑行業服務。

1 相變蓄能板材的制備

      1.1 主要材料

      選擇熔化凝固溫度在人體舒適度范圍內的25#低溫石蠟作為為相變材料，導熱系數0.549W/(m·k)，相變溫度24.7℃，相焓144.1J/g，上海華永石蠟有限公司；選擇膨脹珍珠巖作為多孔吸附介質，粒目為50-60目，密度400Kg/m³，蓄熱系數2.35 W/(m²·k)， 信陽市平橋區五里立成珍珠巖加工廠。

      1.2 主要設備

      SHZ-D(III)型循環水式真空泵，功率180W，流量60L/min，浙江臺州求精真空泵有限公司；ME2002E型電子天平，最大量程2200g，精確到0.01g，梅特勒-托利多公司；小型攪拌機，淮安混凝土攪拌機工廠。

      1.3 制備流程

      采用真空吸附法制備出相變顆粒。自制真空吸附加熱滾筒，能夠同時滿足真空吸附、均勻加熱和均勻攪拌三個條件。具體制備步驟如下：（1）稱取質量比為40%：60%的膨脹珍珠巖和石蠟加入滾筒中，循環水式真空泵抽至真空度為0.05MPa，并維持此狀態；（2）開啟電加熱器，將滾筒下部的水加熱至沸騰；（3）變頻器調節電機的頻率，使滾筒以60rad/min勻速轉動；（4）2h之后，打開真空閥，停止加熱，使相變顆粒在常壓下冷卻至室溫；（5）關閉電機，卸料，即制備出復合相變顆粒。

      使用如圖1攪拌器將質量比為85%：9%：5%：1%的相變顆粒、苯乙烯丙烯酸乳液、環保涂料和玻璃纖維攪拌均勻，再將其混合物均勻的平鋪在預制的模具中，在5kPa的恒定壓強下壓制24小時，拆模，自然干燥，制備出成型良好的相變蓄能板材I，其尺寸大小為500mm×500mm×20mm。為了方便相變蓄能墻板耦合太陽能供暖的實驗研究的需求，制備復合相變蓄能板材II，帶有500mm×10mm的凹槽，凹槽用來安裝毛細管，將相變顆粒、苯乙烯丙烯酸乳液、環保涂料、玻璃纖維和鋁粉按質量比83%：9%：5%：1%：2%放入攪拌器均勻攪拌，將混合物均勻的平鋪在預制的模具中；在混合物表面每間隔100mm安置500mm×10mm×10mm的鐵條，在5KPa的恒定壓強下壓制24小時，然后拆卸模具抽出鐵條，自然干燥，制備出相變蓄能板材II。板材外觀如圖2所示。

2 實驗策略

      2.1 系統構件

      冬季相變蓄能墻板耦合太陽能供暖實驗系統所用構件如表1所示。

      2.2 連接形式

      圖3為相變蓄熱墻體耦合太陽能熱源系統示意圖。由圖可知相變蓄熱墻體耦合太陽能熱源系統主要由兩大部分構成，即太陽能蓄熱系統、房間供暖系統，這兩部分通過蓄熱桶連接起來。太陽能熱源系統包括槽式太陽能集熱器、蓄熱桶、流量計、水泵，房間供暖系統包括分水器、毛細管、集水器、流量計、水泵、蓄熱桶構成。太陽能蓄熱系統通過槽式太陽能集熱器為蓄熱桶中熱水媒介蓄熱，而蓄熱桶中的熱水在水泵的作用下進入到相變蓄能房間的分水器中，經過與毛細管與室內空氣換熱之后回到集水器，流至蓄熱桶，完成一次循環。對比房間供熱系統與相變房間供熱系統基本相同，不同之處在于對比房間沒有分、集水器和毛細管，而是由并聯的散熱器代替。

      2.3 測試設備

      冬季相變蓄能板耦合太陽能供暖實驗中用到的主要測試設備如表2所示。

      2.4 測點布置

      對于相變房間，屋頂和每面墻體上布置三個熱電偶，即室外側、室內側、相變板材和墻體之間，屋頂和每面墻體內表面上布置一個熱流密度計，同時在室內空間中間部位上下布置兩個熱電偶，用來監測室內空氣溫度。參照房間測點布置原則和相變房間基本相同，不同之處在于參照房間沒有相變蓄能板，所有參照房間屋頂和墻體上只存在內外表面兩個熱電偶，圖4為相變房間測點布置示意圖。

      2.5 實驗方案

      冬季相變蓄能墻板耦合太陽能供暖的實驗內容如下：兩房間太陽能獨立供熱，在2017年3月7日0:00到2017年3月10日0:00進行實驗測試。在該測試階段，相變蓄能房間和對比房間都采用太陽能進行供暖，太陽能出水溫度大于30℃時水泵1啟動，開始向蓄熱桶供熱，蓄熱桶水溫大于30℃時，水泵2啟動，開始向實驗房間供熱。通過對比相變蓄能房間和對比房間的室內溫度、通過墻體的熱流密度探究利用太陽能向室內供暖過程中相變蓄能墻體發揮的作用，圖5為實驗控制系統圖。

3 實驗結果

      3.1 實驗房間溫度分析

      圖6所示為相變蓄能板材的熱性能實驗期間實驗房間的室內溫度變化。從圖6可以看出，環境峰值溫度最低，相變房間次之，參照房間峰值溫度最高。測試期內相變房間、參照房間和環境的峰值溫度平均值分別為28.13℃、32.90℃、16.38℃。相變房間和參照房間的峰值溫度較環境峰值溫度分別升高11.74℃和16.52℃，參照房間的峰值溫度較相變房間升高4.77℃。過剩的太陽能使相變房間和參照房間的室內都出現了過熱現象，而相變房間中由于有相變蓄能墻板的蓄熱調溫作用，過熱現象較參照房間大幅減輕。測試期內相變房間、參照房間和環境溫度的最低溫度平均值分別為5.87℃、2.12℃、-0.08℃。相變房間和參照房間的最低溫度分別比環境最低溫度升高5.95℃和2.20℃。相變房間比參照房間的最低溫度升高3.75℃，這表明在夜間缺少太陽能資源的條件下，相變房間與參照房間相比具有更好的保溫作用。在測試期內，相變蓄能房間的平均溫度比對比房間高1.01℃。綜合峰值溫度和最低溫度的分析可知，相變蓄能房間在溫度波動較小的前提下，測試期內的平均溫度仍高于對比房間，表明消耗相同能源的條件下，相變蓄能房間能夠保持更加舒適的熱環境。

      3.2 實驗房間熱流密度分析

      圖7所示為相變蓄能房間各個墻體表面監測到的熱流變化，實驗中設定相變蓄能板材吸收熱量時，熱流密度方向為正；釋放熱量時，熱流密度方向為負。由圖可知，東墻和北墻的熱流密度的正向峰值小于西墻和南墻，而東墻和北墻的熱流密度的負向峰值卻大于西墻和南墻。這是因為東墻和北墻安裝有毛細管，當熱水媒介流過時，房間內溫度升高，相變蓄能板材開始蓄熱。西墻和南墻沒有熱水媒介流過，墻體蓄熱完全來自室內溫度升高后對流和輻射的熱量。東墻和北墻的熱量來源有兩個：一個是室內溫度升高后對流和輻射的熱量，也就是熱流密度計監測到的這一部分熱流，另一個是相變蓄能板材凹槽中的毛細管的熱量直接蓄存在東墻和北墻的相變蓄能板材中，這一部分熱流并沒有被熱流密度計監測到，所以當東墻和北墻的蓄能板材吸收毛細管中的熱量后，吸收室內空氣的熱量數值減少。因此造成了東墻和北墻正向熱流密度峰值小而負向熱流密度峰值大。此外，各個墻體開始蓄熱的起始時間相差不大，而東墻和北墻的放熱時間明顯早于西墻和南墻。這是因為東墻和北墻蓄存的熱量多，墻體溫度高，當室內溫度降低后開始向室內傳遞熱量，而此時西墻和南墻還在蓄存輻射熱量過程中。      

      3.3 太陽能進出口水溫分析

      圖8所示為太陽能集熱器供回水溫度變化曲線。蓄熱桶1為相變蓄能房間使用，蓄熱桶2為對比房間使用。從圖中曲線的整體趨勢可以看出，連接蓄熱桶1的太陽能的供回水溫度明顯小于蓄熱桶2。其次，在太陽能系統穩定運行期間，供回水溫度曲線基本重合，但太陽能供水溫度稍高于回水溫度，并且連接蓄熱桶1的太陽能的供回水溫差高于蓄熱桶2。原因是太陽能集熱器聚集的熱量蓄存到蓄熱桶后，蓄熱桶又將這些熱量供給實驗房間，使得相變實驗房間中的相變蓄能板材蓄存更多的能量，導致蓄熱桶1向相變蓄能房間中轉移的熱量多于蓄熱桶2向對比房間中轉移的熱量，即蓄熱桶1蓄存的熱量少于蓄熱桶2，從而導致循環水在經過相變蓄熱桶時轉移更多熱量，造成供回水溫度偏低和供回水溫差偏大。而對比房間，當室內溫度上升到一定數值時，散熱器和和室內空氣之間達到熱平衡，此時散熱器散熱量最小，所以參照房間太陽能供回水溫差偏小，太陽能利用率較小。

4 結論

      通過進行冬季相變蓄能墻體耦合太陽能供暖實驗研究，對實驗房間的室內溫度、熱流密度、太陽能進出口水溫進行分析，主要得出以下結論：在相變蓄能板材的熱性能實驗期間，相變房間的峰值溫度比參照房間低4.77℃，最低溫度比參照房間高3.75℃，平均溫度比參照房間高1.01℃，相變板材能夠減小室內溫度波動幅度，東墻和北墻相變板的放熱時間比西墻和南墻相變板的放熱時間長；相變太陽能集熱器的供回水溫度小于參照太陽能集熱器的供回水溫度，但前者的供回水溫差大于后者，相變房間太陽能利用率大于參照房間。

參考文獻

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      備注：本文獲評為第21屆暖通空調制冷學術年會優秀論文，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。