王 艷，菅泳仿，白鳳武，田斌守，李 洋

（1中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190；2甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730020；3南京工業(yè)大學(xué)，江蘇省過程強(qiáng)化與新能源裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211816）

1隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)，推進(jìn)可再生能源的發(fā)展成為現(xiàn)今能源領(lǐng)域的一大主題[1-3]。太陽(yáng)能作為一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，符合目前能源結(jié)構(gòu)發(fā)展需求，近年來在大型建筑、區(qū)域供熱領(lǐng)域取得了快速的發(fā)展。但由于太陽(yáng)能資源的間歇性和不連續(xù)性，在太陽(yáng)能建筑采暖和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中加入儲(chǔ)熱系統(tǒng)成為今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。

目前采暖系統(tǒng)中的儲(chǔ)熱方式以顯熱儲(chǔ)熱和潛熱儲(chǔ)熱為主。顯熱儲(chǔ)熱是利用物質(zhì)本身的溫度變化來實(shí)現(xiàn)熱量的存儲(chǔ)和釋放。潛熱儲(chǔ)熱是利用物質(zhì)的相變潛熱來實(shí)現(xiàn)熱量的存儲(chǔ)和釋放。對(duì)于以太陽(yáng)能作為熱源的采暖系統(tǒng)，目前采用的儲(chǔ)熱系統(tǒng)主要是以顯熱潛熱為主。太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中典型的儲(chǔ)熱裝置主要有帶相變材料的混凝土儲(chǔ)熱、大容積水箱儲(chǔ)熱、跨季節(jié)儲(chǔ)熱等?？缂竟?jié)儲(chǔ)熱是利用地埋水箱的方法，將春、夏、秋三季的熱量存儲(chǔ)起來，用于冬季的采暖需求，近年來跨季節(jié)儲(chǔ)熱成為亞歐國(guó)家最受關(guān)注的儲(chǔ)熱形式[4-5]之一。但跨季節(jié)儲(chǔ)熱由于熱量存儲(chǔ)周期較長(zhǎng)，對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容積要求高，初期投資成本大，因此適合于大面積的集中供熱使用。在混凝土中加入低熔點(diǎn)的相變材料，形成相變混凝土儲(chǔ)熱裝置，在太陽(yáng)能熱利用領(lǐng)域也受到了廣泛的關(guān)注[6-8]。雖然在建筑材料中加入相變材料能有效提高儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度，但固體材料和相變材料之間的封裝、腐蝕等問題成為制約混凝土相變儲(chǔ)熱大規(guī)模發(fā)展的一個(gè)重要因素，因此相變混凝土儲(chǔ)熱目前還停留在實(shí)驗(yàn)室的性能測(cè)試階段。為了實(shí)現(xiàn)規(guī)?；幕炷羶?chǔ)熱工程示范，提高混凝土儲(chǔ)熱塊的熱性能，近年來提出了通過在混凝土內(nèi)添加高導(dǎo)熱率的材料，如鋼纖維、石墨等，提高混凝土的導(dǎo)熱性和耐溫性，成為固體儲(chǔ)熱領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向[9-11]。耐高溫混凝土的儲(chǔ)熱特性在中高溫儲(chǔ)熱領(lǐng)域已經(jīng)開展了實(shí)驗(yàn)及數(shù)值研究，研究結(jié)果表明，利用混凝土儲(chǔ)熱塊來存儲(chǔ)熱量，可以有效地降低儲(chǔ)熱系統(tǒng)的成本，同時(shí)由于混凝土儲(chǔ)熱塊的耐高溫性，可以滿足較寬溫度范圍內(nèi)的儲(chǔ)熱要求。雖然混凝土儲(chǔ)熱塊在中高溫領(lǐng)域得到了廣泛的研究和示范，但在中低溫領(lǐng)域的應(yīng)用還相對(duì)較少。

本工作通過實(shí)驗(yàn)研究了太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中混凝土儲(chǔ)熱塊的充放熱特性。通過對(duì)大容積混凝土儲(chǔ)熱塊在充放熱過程中流體溫度及混凝土儲(chǔ)熱塊內(nèi)部溫度的變化，分析混凝土儲(chǔ)熱塊作為儲(chǔ)熱裝置在太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中的可行性。

1 太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中混凝土儲(chǔ)熱裝置傳熱機(jī)理

混凝土儲(chǔ)熱主要是利用混凝土的顯熱特性，將熱流體的能量存儲(chǔ)到混凝土儲(chǔ)熱塊中，同時(shí)利用冷流體將儲(chǔ)熱塊中的熱量進(jìn)行提取的一種熱量存儲(chǔ)裝置。充熱狀態(tài)下，熱流體通過換熱管，將熱量傳給混凝土儲(chǔ)熱塊；放熱狀態(tài)下，混凝土儲(chǔ)熱塊中的熱量通過換熱管，將熱量傳給冷流體，加熱冷流體達(dá)到一定的溫度。其存儲(chǔ)的熱量為

混凝土儲(chǔ)熱塊通過與流體的熱交換，實(shí)現(xiàn)了充熱與放熱過程。為了進(jìn)一步分析混凝土儲(chǔ)熱塊的傳熱特性，定義了混凝土儲(chǔ)熱塊及傳熱流體的傳熱速率，即

混凝土儲(chǔ)熱塊在充放熱過程中，與流體進(jìn)行熱交換，其充熱效率和放熱效率分別定義如下

充熱效率

放熱效率

式中，K為對(duì)流放熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為混凝土與傳熱管之間的傳熱面積，m2；TΔ為混凝土儲(chǔ)熱塊充熱與放熱狀態(tài)下的溫差，K；Q為傳熱量，kJ；m為混凝土儲(chǔ)熱塊或水工質(zhì)的質(zhì)量，kg；cp為比熱容，kJ/(kg·K)；t為充放熱時(shí)間，s；solid表示混凝土儲(chǔ)熱塊；fluid表示水工質(zhì)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及設(shè)備

2.1 混凝土儲(chǔ)熱塊

為了開展混凝土儲(chǔ)熱塊在太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中傳熱特性的研究，甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院研發(fā)了一種新型的用于太陽(yáng)能采暖的高性能混凝土。通過在混凝土中添加如鋼纖維、粉煤灰以及石墨等材料來增加混凝土的容重，提高混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)以及混凝土在高溫條件下的力學(xué)和熱學(xué)性能。表1所示為新型混凝土的熱物性參數(shù)，其中密度和比熱容由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院五一O所進(jìn)行測(cè)試?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)由中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。從表1中可以看出，由甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院研發(fā)的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為 2.65 W/(m·K)[普通混凝土導(dǎo)熱系數(shù)僅為1W/(m·K)左右]。圖1為在甘肅省永登縣太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)基地建成的用于太陽(yáng)能采暖的混凝土儲(chǔ)熱模塊。

表1 混凝土熱物性參數(shù)Table 1 Properties of concrete material

圖1 混凝土儲(chǔ)熱模塊Fig.1 Concrete thermal storage

混凝土儲(chǔ)熱模塊由換熱管束和混凝土儲(chǔ)熱塊組成，如圖 1(a)所示，其中換熱管束主要用于流體的傳輸及熱量傳遞，并埋植于混凝土塊中。而混凝土塊主要用于熱量的存儲(chǔ)。根據(jù)充放熱過程中傳熱流體進(jìn)出口溫差的要求，整個(gè)混凝土儲(chǔ)熱塊的體積為9.26 m3，分別由兩塊1.2 m×0.96 m×4 m的混凝土儲(chǔ)熱塊串聯(lián)縱向疊加組成。為了減小混凝土儲(chǔ)熱塊與外界的熱交換，采用厚度為160 mm的聚苯板對(duì)混凝土儲(chǔ)熱塊進(jìn)行保溫處理，如圖1(b)所示。每塊混凝土儲(chǔ)熱塊內(nèi)埋置有86根DN=19 mm×1.5 mm的換熱鋼管，換熱鋼管的管間距為 100 mm，呈正三角形排布，混凝土儲(chǔ)熱塊的截面如圖2所示。

2.2 帶儲(chǔ)熱裝置的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)

為開展混凝土儲(chǔ)熱塊儲(chǔ)熱特性的研究，提高可再生能源的利用率，本工作提出一種利用混凝土儲(chǔ)熱塊和水箱來儲(chǔ)存由太陽(yáng)能集熱器收集的熱量，同時(shí)滿足建筑采暖需求的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)。圖3所示為帶混凝土儲(chǔ)熱塊的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)流程圖。

圖2 混凝土儲(chǔ)熱塊截面圖Fig.2 The cross-section of concrete thermal storage

圖3 帶混凝土儲(chǔ)熱塊的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)Fig.3 The solar heating system with concrete thermal storage

太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)熱水箱、混凝土儲(chǔ)熱塊和采暖末端組成。其中太陽(yáng)能集熱器為熱管式太陽(yáng)能集熱器，總面積為 96 m2。太陽(yáng)能集熱器通過吸收太陽(yáng)輻照，提供采暖和儲(chǔ)熱所需的熱量。整個(gè)系統(tǒng)采用儲(chǔ)熱水箱和混凝土儲(chǔ)熱塊來實(shí)現(xiàn)熱量的存儲(chǔ)。從圖3中可以看出，由于系統(tǒng)中加入了混凝土儲(chǔ)熱模塊，整個(gè)采暖系統(tǒng)一天的熱量由兩種不同的模式提供：太陽(yáng)輻照強(qiáng)時(shí)，太陽(yáng)能集熱器為混凝土儲(chǔ)熱模塊充熱和提供建筑采暖所需的熱量；夜間或陰天時(shí)，通過混凝土儲(chǔ)熱塊的放熱和水箱內(nèi)電加熱的方式，提供建筑采暖所需的熱量。由于系統(tǒng)中加入了混凝土儲(chǔ)熱模塊，可以有效延長(zhǎng)太陽(yáng)能的利用時(shí)間，滿足24 h建筑采暖需求。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)過程中采用精度為±0.5%、最高使用溫度為 80 ℃的體積流量計(jì)測(cè)量進(jìn)出口水工質(zhì)流量。采用54根精度為±0.1 ℃的PT100熱電阻測(cè)量水的進(jìn)出口溫度以及混凝土儲(chǔ)熱塊內(nèi)部溫度。為了測(cè)量混凝土儲(chǔ)熱塊沿徑向和軸向的溫度分布，每塊混凝土儲(chǔ)熱塊沿軸向分布有3個(gè)測(cè)溫截面，如圖4(a)所示，以測(cè)量混凝土儲(chǔ)熱塊內(nèi)沿流動(dòng)方向的溫度分布。每個(gè)軸向測(cè)溫截面內(nèi)有9個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，如圖4(b)所示，分別測(cè)量3個(gè)不同軸向上的溫度分布，其中測(cè)溫點(diǎn)1、4、7為換熱管管壁溫度（混凝土內(nèi)最高溫度），測(cè)溫點(diǎn)3、6、9為三角形排布的換熱管幾何中心處的溫度（混凝土內(nèi)最低溫度），測(cè)溫點(diǎn)2、5、8為上述測(cè)溫點(diǎn)中間位置的溫度。

圖4 混凝土儲(chǔ)熱模塊內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布局圖Fig.4 The position of thermal resistance

3 結(jié)果分析

3.1 混凝土內(nèi)部溫度計(jì)算方法

混凝土儲(chǔ)熱塊的橫截面為1.2 m×0.96 m，混凝土儲(chǔ)熱塊內(nèi)溫度的測(cè)量采用多點(diǎn)測(cè)試方法，對(duì)內(nèi)部溫度進(jìn)行測(cè)試。通過對(duì)不同位置處溫度的測(cè)量，采用數(shù)學(xué)平均法來表示每一個(gè)截面處的平均溫度，如式(5)所示。

從圖4中可以看出，每塊混凝土儲(chǔ)熱塊的長(zhǎng)度均為4000 mm，沿軸向方向設(shè)置有3個(gè)測(cè)溫截面。為了更加準(zhǔn)確地得到整個(gè)混凝土儲(chǔ)熱塊的平均溫度，單塊混凝土儲(chǔ)熱塊的平均溫度采用加權(quán)平均法來計(jì)算。由圖4(a)可知，每塊混凝土儲(chǔ)熱塊沿軸向分布有3個(gè)測(cè)溫截面。在計(jì)算每塊混凝土儲(chǔ)熱塊的平均溫度時(shí)，以充熱流體的入口端面為基準(zhǔn)，以各個(gè)測(cè)溫截面距離入口端面的距離作為計(jì)算加權(quán)平權(quán)溫度的加權(quán)因子。各個(gè)截面的加權(quán)因子及總的加權(quán)數(shù)見表2。每塊混凝土儲(chǔ)熱塊的平均溫度見式(6)。

表2 混凝土儲(chǔ)熱塊各截面加權(quán)因子Table 2 Weight factor of concrete average temperature

式中，Ti,aver-con-tem為沿軸向每個(gè)截面處的平均溫度，由式(1)計(jì)算所得。

3.2 混凝土儲(chǔ)熱塊充熱特性及內(nèi)部溫度分布

3.2.1 混凝土儲(chǔ)熱塊充熱特性

充熱過程中，采用太陽(yáng)能集熱器對(duì)水箱中的水進(jìn)行加熱，水箱中的水達(dá)到一定溫度后，進(jìn)入到混凝土儲(chǔ)熱塊中進(jìn)行充熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，混凝土儲(chǔ)熱塊充熱時(shí)，其水流量為4.3 m3/h，充熱時(shí)間為6 h，混凝土儲(chǔ)熱塊在充熱過程中水工質(zhì)進(jìn)出口溫度及混凝土儲(chǔ)熱塊內(nèi)部溫度變化如圖5所示。

圖5 混凝土儲(chǔ)熱塊充熱狀態(tài)下溫度變化Fig.5 The temperature variation with time in charging processing

從圖5可以看出，在6 h的充熱狀態(tài)下，混凝土儲(chǔ)熱塊的溫度從31.5 ℃加熱到65 ℃。水工質(zhì)的進(jìn)出口溫差隨著充熱過程的進(jìn)行，其溫差越來越小，充熱完成時(shí)，進(jìn)出口水工質(zhì)的傳熱溫差僅為2 ℃左右。其原因在于隨著充熱過程的進(jìn)行，混凝土儲(chǔ)熱塊的溫度逐漸升高，混凝土儲(chǔ)熱塊的儲(chǔ)熱量減小，導(dǎo)致傳熱工質(zhì)的出口溫度上升。但在充熱1 h后，傳熱工質(zhì)的出口溫度均維持在 45 ℃以上。根據(jù)分散式采暖要求可知，儲(chǔ)熱塊中出來的水工質(zhì)可以用于建筑采暖。

3.2.2 混凝土儲(chǔ)熱塊內(nèi)部溫度分布

圖6所示為混凝土儲(chǔ)熱塊充熱過程中軸向溫度分布，截面位置如圖4所示，其中每個(gè)截面之間的距離均為1 m。從圖中可以看出，在整個(gè)充熱過程中，混凝土儲(chǔ)熱塊軸向溫差最高時(shí)可以達(dá)到11 ℃，充熱結(jié)束時(shí)，最高溫差仍然有4.5 ℃，截面1和截面3的溫度與入口溫度基本達(dá)到一致，說明第一塊混凝土已經(jīng)完成充熱。

圖6 混凝土儲(chǔ)熱塊和水工質(zhì)溫度分布Fig.6 The temperature distribution of concrete thermal storage and water fluid

3.3 混凝土儲(chǔ)熱塊放熱特性及內(nèi)部溫度分布

3.3.1 混凝土儲(chǔ)熱塊放熱特性

實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)混凝土儲(chǔ)熱塊的放熱特性進(jìn)行了研究。在放熱之前，采用儲(chǔ)熱水箱中的水對(duì)建筑進(jìn)行采暖，降低儲(chǔ)熱水箱中的水溫，保證進(jìn)入到混凝土儲(chǔ)熱塊中冷流體的入口溫度。同時(shí)，由于混凝土儲(chǔ)熱塊在充熱過程中，兩塊混凝土儲(chǔ)熱塊內(nèi)部溫度分布不一致，放熱過程采用逆流放熱，即放熱過程中，流體的入口為充熱時(shí)流體的出口。圖7為混凝土儲(chǔ)熱塊放熱狀態(tài)下的溫度變化圖。

從圖7可以看出，混凝土儲(chǔ)熱塊在放熱狀態(tài)下，經(jīng)過8 h的放熱，溫度從61.5 ℃下降到46 ℃，而傳熱工質(zhì)水的出口溫度從放熱初期的 56 ℃下降到45 ℃。傳熱工質(zhì)的進(jìn)出口溫差隨著放熱過程的進(jìn)行逐步縮小，從開始的10 ℃減小到放熱結(jié)束后的2 ℃。傳熱工質(zhì)進(jìn)出口溫差的減小，一方面是由于在放熱過程中混凝土儲(chǔ)熱塊內(nèi)部溫度在逐步下降，同時(shí)由于從混凝土儲(chǔ)熱塊中出來的水工質(zhì)進(jìn)入采暖循環(huán)系統(tǒng)回到儲(chǔ)熱水箱中，進(jìn)一步降低了水工質(zhì)在放熱過程中的入口溫度，從而導(dǎo)致傳熱工質(zhì)的進(jìn)出口溫差隨著放熱過程的進(jìn)行不斷下降。但放熱狀態(tài)下的溫度變化表明，利用混凝土儲(chǔ)熱塊存儲(chǔ)的熱量進(jìn)行放熱，可以實(shí)現(xiàn)夜間的建筑采暖。

圖7 混凝土儲(chǔ)熱塊放熱狀態(tài)下的溫度變化Fig.7 The temperature variation with time in discharging processing

3.3.2 混凝土儲(chǔ)熱塊內(nèi)部溫度分布

圖8為混凝土儲(chǔ)熱塊各截面在放熱過程中的軸向溫度變化情況。

圖8 混凝土儲(chǔ)熱塊和水工質(zhì)溫度分布Fig.8 The temperature distribution of concrete thermal storage and water fluid

從圖8可以看出，在整個(gè)放熱過程中，混凝土各截面的軸向平均溫度以及傳熱流體的出口溫度基本都是線性變化的。放熱結(jié)束時(shí)，截面1的溫度比截面3、4要低，其原因在于實(shí)驗(yàn)過程中，兩塊混凝土儲(chǔ)熱塊縱向疊加在一起，混凝土儲(chǔ)熱塊在徑向存在一定的溫差，截面1的平均溫度明顯高于截面6。在放熱過程中，流體從截面6的端部進(jìn)入混凝土儲(chǔ)熱塊中，并與混凝土儲(chǔ)熱塊進(jìn)行放熱，溫度下降趨勢(shì)明顯，加速了截面 1通過徑向與截面 6的放熱速率。

3.4 混凝土儲(chǔ)熱塊充放熱效率

為了進(jìn)一步分析混凝土儲(chǔ)熱塊的熱性能，對(duì)混凝土儲(chǔ)熱塊在太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中的充放熱效率進(jìn)行了分析。表3為太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)儲(chǔ)熱裝置各階段的熱量分配表。太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的儲(chǔ)熱裝置是采取混凝土充熱、儲(chǔ)熱水箱放熱、混凝土放熱的模式來進(jìn)行熱量的存儲(chǔ)及釋放，以確保最大限度地增大混凝土儲(chǔ)熱塊與傳熱工質(zhì)的進(jìn)出口溫差，同時(shí)有效延長(zhǎng)太陽(yáng)能采暖時(shí)間，提高太陽(yáng)能的利用率。

表3 太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)充放熱過程熱量分配Table 3 The heat of solar heating system

從表3可以看出，混凝土儲(chǔ)熱塊的充熱效率為94%，而放熱效率為81%。經(jīng)過8 h的放熱后，混凝土儲(chǔ)熱塊的溫度達(dá)到47 ℃左右。同時(shí)從表3可以看出，采用儲(chǔ)熱水箱和混凝土儲(chǔ)熱塊來存儲(chǔ)太陽(yáng)能集熱器提供的熱量，可以實(shí)現(xiàn)15 h的建筑采暖，從而滿足21 h的太陽(yáng)能采暖需求，有效地降低了輔助能源的利用率。

4 結(jié) 論

本工作通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了混凝土儲(chǔ)熱塊在太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中的充放熱特性。研究結(jié)果表明，可以將混凝土儲(chǔ)熱塊用于太陽(yáng)能建筑采暖系統(tǒng)中作為儲(chǔ)熱裝置，來提高可再生能源的利用率。

（1）充熱過程中，水工質(zhì)的進(jìn)出口平均溫差達(dá)到 10 ℃；放熱過程中，水工質(zhì)的進(jìn)出口平均溫差為2 ℃。

（2）對(duì)1.2 m×1.92 m×4 m的混凝土儲(chǔ)熱塊進(jìn)行6 h充熱，使混凝土儲(chǔ)熱塊的溫度達(dá)到65 ℃以上。經(jīng)過8 h的放熱，水工質(zhì)的出口溫度維持在45℃左右，在夜間太陽(yáng)能不足的條件下，可以滿足建筑采暖的需求。

（3）由于混凝土儲(chǔ)熱塊為固體儲(chǔ)熱，其內(nèi)部導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：混凝土儲(chǔ)熱塊的充熱效率比放熱效率高。

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