康佳瑩 杜 瑞 祝藝丹 王春青

（吉林建筑大學(xué)， 吉林 長春 130118）

0 引言

全球面臨的環(huán)境保護和節(jié)能減排壓力與日俱增，能源的使用與人來社會的歷史發(fā)展密切相關(guān)，在當(dāng)今社會中，工業(yè)化和社會經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展，能源日益影響著人類生產(chǎn)和生活的各個方面。在當(dāng)今世界，全球化、經(jīng)濟增長、能源效率和環(huán)境保護密不可分。在我國“三北地區(qū)”，近年來風(fēng)電過剩[1],電力需求降低，因此棄風(fēng)現(xiàn)象比較嚴(yán)重。為響應(yīng)國家政策，改變冬季采暖地區(qū)煤燃燒造成的環(huán)境污染問題，

同時提高風(fēng)電利用率，電供暖作為一種新型的采暖方式出現(xiàn)在了人們的面前。相對于傳統(tǒng)供暖，目前采用的直供式電供暖耗電量太高，加重了用戶的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)和電力的負(fù)荷，為解決這一問題，可以利用峰谷電價，將相變蓄熱材料和建筑圍護結(jié)構(gòu)相結(jié)合，開發(fā)適用于電采暖的裝配式建筑構(gòu)件[2]。本文將具有蓄熱功能的石蠟微膠囊與具有導(dǎo)熱功能的泡沫金屬銅相結(jié)合，制成一種新型的電采暖蓄熱模塊，研究泡沫金屬銅對電采暖模塊的蓄放熱性能的影響。本文依據(jù)有限差分法，利用Fluent 軟件對非線性邊界條件下各層材料與尺寸不同的實驗結(jié)構(gòu)的二維穩(wěn)態(tài)傳熱問題做了數(shù)值模擬分析。

1 相變蓄熱電采暖結(jié)構(gòu)模擬研究

1.1 模擬材料的選取

為提高熱舒適性能，使房間內(nèi)的溫度分布均勻，李國建等人搭建了一個房間，用相變溫度為44℃的石蠟作為蓄熱材料，建立電加熱相變蓄熱電熱地板采暖系統(tǒng)，能夠有效的實現(xiàn)削峰填谷[3]?？紤]石蠟在相變過程中存在液化滲漏的問題，本文選擇將石蠟封裝的石蠟微膠囊進行實驗。石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，為減少蓄熱時間，增加電的導(dǎo)熱性能，陳華等人將比例為1：3 的泡沫銅和石蠟混合，有效的提高了石蠟的相變速率，減少了相變時間，解決了靠近熱源處的過熱現(xiàn)象以及遠(yuǎn)離熱源處的不熔現(xiàn)象[4]。

1.2 幾何模型的建立

首先在GAMBIT 軟件中建立電采暖蓄熱模塊的幾何模型，在圖1 中，四周是保溫層，內(nèi)部結(jié)構(gòu)上面是水泥砂漿找平層，下面是相變蓄熱層。模擬一共分為兩組，其一是相變層內(nèi)只有石蠟微膠囊，其二是孔隙率為95%+石蠟微膠囊。

圖1 相變蓄熱電采暖結(jié)構(gòu)Gambit 幾何模型Fig.1 Gambit geometric model of phase-change thermoelectric thermal heating structure

將網(wǎng)格劃分為熱源，石蠟區(qū)域，泥灰區(qū)域，每個區(qū)域使用四面體網(wǎng)格，將熱源區(qū)域的單位網(wǎng)格大小設(shè)置為0.5，石蠟區(qū)域和泥灰區(qū)域的網(wǎng)格大小設(shè)置為1。

1.3 模型參數(shù)及假設(shè)

為方便使用Fluent 進行計算，設(shè)置了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并進行以下假設(shè)：

（1）假設(shè)石蠟和泡沫銅各向同性。

（2）Boussinesq 近似，流體性質(zhì)不因密度變化而改變。

（3）相變材料的物性參數(shù)不隨溫度變化而變化。

1.4 數(shù)學(xué)模型

連續(xù)性方程：

動量方程：

能量方程：

泡沫金屬銅：

石蠟微膠囊：

式中：K——多孔介質(zhì)滲透率；

μ——液態(tài)蠟的有效黏度，Pa.S；

2 模擬結(jié)果分析

2.1 石蠟微膠囊相變材料模擬結(jié)果

為比較泡沫銅/石蠟微膠囊復(fù)合相變材料的傳熱性能，首先分析純石蠟微膠囊相變材料的相變傳熱的數(shù)值模擬結(jié)果。熱源的表面溫度為70°C（343.5K），環(huán)境溫度為17°C（290.5K），儲熱層的溫度為17°C（290.5K），結(jié)構(gòu)的上表面溫度為17°C（290.5K）在圖2（1）、2(2)和2(3)中顯示了在500s，1000s 和8000s 加熱過程中獲得的溫度分布云圖。

圖2 石蠟微膠囊溫度隨時間變化云圖Fig.2 Paraffin microcapsule temperature changes over time

圖2 （1）顯示加熱時間為500s 時的溫度云圖。此時為加熱的初始階段?？梢钥闯鰺崃肯蛳嘧儗由戏絺鬟f，向下傳遞不明顯。如圖2（2）所示，當(dāng)時間為1000s時，熱量持續(xù)向上傳遞，泥漿層的溫度持續(xù)升高，可以看到熱量開始以熱源為中心向下傳遞，但未達(dá)到相變溫度，并且尚未開始相變蓄熱過程。當(dāng)加熱時間到達(dá)8000s 時，溫度變化如圖2(3)所示。通過灰泥層的熱傳遞，結(jié)構(gòu)表面的溫度達(dá)到約40℃?？拷鼰嵩吹南嘧儾牧线_(dá)到相變點開始相變蓄熱，當(dāng)時間達(dá)到8000s，此時蓄熱層中的石蠟微膠囊未完全熔化達(dá)到相變溫度。

2.2 泡沫銅/石蠟微膠囊復(fù)合相變材料模擬結(jié)果

如圖3（1）所示，時間在500s 時，可以認(rèn)為是加熱的初始階段，可以看出熱量在向上傳遞的同時在向下傳遞，靠近熱源的相變材料石蠟微膠囊開始相變?nèi)刍?。隨著時間推進，在時間為1000s 處，在圖3（2）中的相變蓄熱層周圍的溫度以熱源為中心逐漸遞增，相變?nèi)刍氖炍⒛z囊也逐漸增多。隨著溫度持續(xù)升高，當(dāng)時間到達(dá)8000s 時，如圖3（3）所示，熱量傳遞到結(jié)構(gòu)表面的溫度達(dá)到38℃。可以看出相變蓄熱層的溫度顯著升高，大部分石蠟微膠囊已經(jīng)達(dá)到相變溫度，熔化完成。

與純石蠟微膠囊的相變過程相比，可以看出，泡沫金屬銅顯著提高了石蠟微膠囊的導(dǎo)熱性，并在石蠟微膠囊的相變蓄熱過程中使熱量均勻傳遞。

圖3 泡沫銅/石蠟?zāi)z囊溫度隨時間變化云圖Fig.3 Foam copper/paraffin microcapsule temperature changes over time

3 結(jié)論

在Gambit 軟件中，建立幾何模型，進行網(wǎng)格劃分和邊界設(shè)置等模擬前準(zhǔn)備，用Fluent 軟件建立物理模型，通過分析純石蠟微膠囊與泡沫銅/石蠟微膠囊加熱過程中的溫度變化云圖以及相變蓄熱層、結(jié)構(gòu)層表面的溫度分布圖，可以得出以下結(jié)論：

（1）純石蠟微膠囊的蓄熱層在加熱的初始階段，僅在靠近熱源處產(chǎn)生相變，溫度上升較快，其他區(qū)域的溫度變化不明顯，相變響應(yīng)時間也較慢。 且熱量向上傳遞較多，向下較少。

（2）在加入泡沫銅的相變蓄熱層中，相變時間不僅大大縮減，而且提高了傳熱效果，石蠟微膠囊導(dǎo)熱系數(shù)低的問題得到有效解決。

（3）泡沫銅作為支撐體，不僅增強了向蓄熱層的熱傳遞，而且還起到均勻熱量的作用。同時，除一些離熱源較遠(yuǎn)處的受熱不利區(qū)域之外，蓄熱層產(chǎn)生相變的面積明顯較大。