楊曉君 劉泓靈 夏秋怡 王 杰 王海龍 劉 東

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 四川 綿陽 621010)

青藏高原地處高寒地區(qū)，大氣保溫作用差，不能很好地保存地面輻射的熱量，所以，即使是夏季，青藏高原大部分地區(qū)的平均氣溫也很低，日夜溫差大，因而供暖周期較長，往往持續(xù)8～10個月，個別地區(qū)甚至終年供暖。在此背景下青藏高原豐富的日照輻射為全年供暖需求提供資源保障，太陽能資源在高原供暖中的應(yīng)用得到普及[1]。但太陽能具有在時間和空間分布的不均勻性[2]。

為了實(shí)現(xiàn)全天候供暖，及充分利用太陽能，人們開始使用蓄熱供暖?，F(xiàn)階段被廣泛采用的蓄熱方式有兩種，水蓄熱和潛熱蓄熱(相變蓄熱)。但兩種蓄熱方式均存在著水箱體積過大，熱量損耗的缺陷，且水蓄熱式若發(fā)生水凍結(jié)現(xiàn)象，水管易爆裂[3]。孫曉雨[4]等人以拉薩地區(qū)為例研究了相變蓄熱墻的供暖性能，發(fā)現(xiàn)定性相變材料可調(diào)節(jié)一日內(nèi)供熱量分布以改善供暖穩(wěn)定性，可降低瞬時供熱量日振幅32.5%，然而相變溫度偏低時作用效果會明顯變差。陳華[5]等人對復(fù)合相變材料與單一相變材料進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)熱泵空調(diào)部分冷凝熱回收模式下復(fù)合相變材料蓄熱速率提升6.5%，溫差減少44.1%。

因此，本文設(shè)計了一種結(jié)合熱風(fēng)系統(tǒng)與相變蓄熱技術(shù)，并以地下通道通風(fēng)供暖取代傳統(tǒng)循環(huán)水供暖的新型太陽能相變蓄熱暖風(fēng)供暖系統(tǒng)(簡稱新型暖風(fēng)系統(tǒng))，以地面無水蓄熱替代傳統(tǒng)的水蓄熱和傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)，不僅無需額外對通道做保溫處理，還大大減少循環(huán)水的使用降低凍管的風(fēng)險。

1 新型太陽能相變蓄熱暖風(fēng)供暖系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

新型太陽能相變蓄熱暖風(fēng)供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)平面示意圖如圖1、圖2所示。系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、熱交換器、太陽能集熱器、保溫加熱水箱、相變蓄熱地暖及房間模擬裝置，依靠暖風(fēng)將室內(nèi)空氣和地板層中的相變材料進(jìn)行加熱蓄熱。

圖1 系統(tǒng)平面原理圖

圖2 系統(tǒng)立面原理圖

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行

白天時，經(jīng)太陽能集熱管加熱后的空氣進(jìn)入填充有相變蓄熱材料的地下風(fēng)道中，空氣中的熱量一部分沿地下風(fēng)道吹向室內(nèi)，由低到高對房間供暖同時送入新風(fēng)；另一部分熱量通過直接對流或?qū)崞蛳嘧冃顭岵牧蟼鬟f并存儲其中，如圖3所示。夜間停止熱風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行時，如圖4所示，將由相變材料滿足房間負(fù)荷。

通過這種互補(bǔ)方式，新型暖風(fēng)系統(tǒng)能夠更高效利用高原地區(qū)太陽能資源，實(shí)現(xiàn)全天低能耗供暖。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行時(白天)熱量傳遞過程示意圖

圖4 系統(tǒng)停止運(yùn)行(夜間)熱量傳遞過程示意圖

2 數(shù)值模擬分析與實(shí)測分析

2.1 熱風(fēng)上下送對比數(shù)值分析

模擬空間長8m，高3.5m，所設(shè)參數(shù)如表1所示，a組為熱風(fēng)上送，b組為熱風(fēng)下送。

表1 數(shù)值分析預(yù)設(shè)參數(shù)

2.2 舒適度影響模擬

研究表明，室內(nèi)空氣流動的紊動特性對人體熱舒適性影響很大。當(dāng)室內(nèi)氣流湍流特性接近自然環(huán)境時，人體熱舒適性更好[6]。

為驗(yàn)證新型暖風(fēng)系統(tǒng)的預(yù)熱速度及熱風(fēng)下送對于房間舒適度的影響，對系統(tǒng)房間模型內(nèi)溫度分布進(jìn)行數(shù)值模擬。

考慮到青藏高原的低溫和較低空氣密度，修正輸入的各項(xiàng)參數(shù)：地板下方送風(fēng)初始溫度為30℃，出口風(fēng)速為3m/s，房間長寬高分別是6m，3.2m，3.2m。

2.3 模擬分析

由模擬結(jié)果可知，房間溫度在10min左右便達(dá)穩(wěn)定，說明暖風(fēng)供暖的預(yù)熱速度快、時間短。同時，相較于熱風(fēng)下送模式，熱風(fēng)上送模式在房間垂直方向上的高溫空氣主要分布于房間四周，中間的空氣溫度相對較低。

由此可見，采用熱風(fēng)下送方式供暖預(yù)熱時間短，有利于改善房間垂直方向上的溫度分布，避免頭熱腳冷的問題，有利于提高人體舒適度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)分別對新型暖風(fēng)供暖系統(tǒng)：填充相變蓄熱材料、填充水泥砂漿，普通地暖在同樣全新風(fēng)供暖的條件下進(jìn)行測試，當(dāng)供暖時長滿足8h后關(guān)閉供暖系統(tǒng)，將采集的溫度數(shù)據(jù)擬合成曲線。

3.2 對比結(jié)果

根據(jù)各實(shí)測模擬裝置的溫度變化曲線可總結(jié)比對結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果，新型暖風(fēng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)普通地暖裝置相比，室內(nèi)空氣溫度與地板溫度差值減小70%，預(yù)熱時長減至1/2，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地暖預(yù)熱速度慢的缺陷。

總體上，新型暖風(fēng)供暖系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)地暖供暖系統(tǒng)優(yōu)勢較明顯，新型暖風(fēng)系統(tǒng)無需大量循環(huán)水作為熱載體，更容易維持水溫，有效避免因循環(huán)水結(jié)凍而導(dǎo)致循環(huán)受阻、甚至爆管的問題。

4 結(jié) 語

本文提出了一種新型太陽能相變蓄熱暖風(fēng)供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用高原地區(qū)太陽能資源與相變蓄熱技術(shù)，以地下通道暖風(fēng)取代傳統(tǒng)水循環(huán)供熱，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)房間的快速預(yù)熱與長時蓄熱目的，能源得到最大化利用。進(jìn)一步對系統(tǒng)的下送風(fēng)方式和三種不同供暖系統(tǒng)進(jìn)行研究。模擬了下送風(fēng)方式時房間內(nèi)溫度分布，并測試整合三種供暖系統(tǒng)的溫度變化曲線。結(jié)果表明，新型太陽能相變蓄熱暖風(fēng)供暖系統(tǒng)的下送風(fēng)方式能夠很好改善房間內(nèi)溫度分布，提高人體舒適度；相較于傳統(tǒng)普通地暖裝置，預(yù)熱時長縮短1/2，室內(nèi)空氣溫度與地板溫度差值減小70%。本文提出的新型太陽能相變蓄熱暖風(fēng)供暖系統(tǒng)將傳統(tǒng)能源及固體蓄熱技術(shù)有效結(jié)合，提高預(yù)熱速率；僅需少量水進(jìn)行循環(huán)工作，有效避免高原地區(qū)因循環(huán)水結(jié)凍而導(dǎo)致循環(huán)受阻、甚至爆管的問題。