河北工业大学 马秀琴，胡明月，刘长昊，窦一帆
【摘 要】本文从节能环保的角度出发，设计一种以太阳能为热源，石蜡-碳纤维布复合相变材料为储能介质的太阳能相变蓄能床系统，为农村提供一种舒适安全的供暖方式。太阳能供水温度分别取35℃，40℃，45℃。在不同供水温度下，分别将碳纤维布铺设在床体的下部、中部和上部，分析碳纤维布在床体不同位置时太阳能相变蓄能床的热工性能。结果表明：当碳纤维布铺设在床体下部，供水温为35℃时，睡眠平均温度达到30.57℃，平均热流密度12.29W/m2，即节能又满足舒适度要求，整体效果达到最佳。
【关键词】蓄能床，相变蓄热，碳纤维布，睡眠舒适温度
【基金项目】河北省节能减排技术转移中心省级技术转移示范，河北省科技计划项目(16987624D)；河北省环保产业绿色可持续发展对策研究，河北省创新能力提升计划软科学研究专项(19453713D)
Abstract:From the perspective of energy conservation and environmental protection, this paper designs a solar phase change energy storage bed system using solar energy as a heat source, paraffin-carbon fiber cloth composite PCM (phase change material) as an energy storage medium. It can provide a kind of comfortable and safe heating way in the countryside.The solar water supply temperature is set at 35℃, 40℃ and 45℃.Thermal performances of the solar phase change energy storage bed when the carbon fiber cloth is laid at the lower, middle and upper positions are experimentally analyzed at different water supply temperatures.The results show that when the carbon fiber cloth is laid at the lower position of the bed, and the water supply temperature reaches to 35℃, the average sleep temperature is 30.57℃, and the average heat flux density is 12.29 W/m2 which can meet the requirements of energy conservation and comfort. The overall bed system can reach to the optimal result.
Key words: solar energy, PCM heat storage, carbon fiber cloth, sleep comfort temperature
1 引言
在我国北方的农村地区，主要是依靠煤作为主要能源进行冬季供暖，煤的燃烧都会产生大量的污染气体，严重污染环境，是造成雾霾天气的重要原因之一。因此，改进农村供暖方式是治理大气污染的重要举措之一。如今在农村推广开来的“煤改气”，“煤改电”等工程就是为了减少环境的污染，实现我国的可持续发展。但是，实现能源清洁发展，只有这些措施还不够，我们需要做出的努力还有很多，其中，充分利用可再生清洁能源是解决问题的关键。太阳能作为最常见、资源最广的可再生能源，可直接开发利用，不会污染环境，加剧温室效应，是我国农村供暖的首选热源。
在相变蓄热方面，P. Brousseau[1]等人研究了相变材料的储热性能，并通过建立模型设计了一个可以减少家庭用电消耗量的相变储能单元。Luisa F. Cabeza[2]等人将相变材料应用在水箱中，相变材料可充分利用水箱中的低温热量或者废热，在没有外部能量供应的条件下，延长热水的使用时间。David Beltrán[3]等人将相变材料应用在建筑物的墙板和屋顶中，结果表明，相变材料会在白天吸收热量并在晚上释放热量，使得室内温度在白天和夜晚都可以保持在舒适温度范围之内，提高室内舒适度。孟娟[4]等人把相变蓄热技术与太阳能技术结合，将蓄能系统蓄热量提高了数倍，并提出了在相变系统中改变蓄热结构、添加导热性强的材料等方法强化太阳能相变蓄热。蔺瑞山[5]等人利用太阳能以及相变材料为寒冷地区示范建筑进行供暖，分析运行结果发现，太阳能-相变材料供暖系统运行成本低，且室内环境更能满足人体热舒适要求。龙巍[6]等人对碳纤维材料的性能研究现状及应用进行了全面分析，并对碳纤维复合材料的应用前景进行了展望。Fukai[7]等人对碳纤维的分布方式进行研究，在换热器壳的后侧填充碳纤维，有效提高了传热速率。本文将相变材料和碳纤维布相结合，通过实验分析对比，研究得出更优化的蓄能床设计。
1 太阳能相变蓄能床的原理与结构
1.1 太阳能复合相变蓄能实验台的建立
太阳能相变蓄能系统，如图1所示，主要由三大部分组成，即槽式太阳能集热系统、水箱系统、蓄能床系统。三大系统通过相关管路以及其他控制部件进行连接，以保证系统的正常运行。其中，太阳能集热系统利用太阳能将冷水加热，加热后的水通过动力系统传输至水箱，再由水箱传输至蓄能床系统对相变材料进行加热，相变材料作为储能介质在白天吸收热量并储存，在夜间，太阳能集热系统停止工作时，将热量通过炕体表面释放出来进行供暖。
图1 太阳能相变蓄能床系统图
1.2 太阳能复合相变蓄能材料的选取
石蜡作为典型的相变材料，潜热值高，化学稳定性好不易发生化学反应、无毒、无腐蚀性，价格低廉，因此成为各行各业常用的相变材料。同时，考虑到人体正常体温在36.3°-37.2°（口测法）[8]，为尽可能满足人体热舒适，选用35#石蜡作为蓄能系统的相变材料，采用差式扫描量热法对35#石蜡进行热分析，测得融化温度为35.76℃、融化焓值为212.30 J/g、凝固温度为34.02℃、凝固焓值为212.74 J/g，石蜡的DSC 曲线如图2所示。
图2 35#石蜡DSC 曲线
碳纤维是纤维状的微晶石墨材料，是有机纤维通过高温碳化和石墨化而形成的，它由聚合物纤维和沥青制成，并具有90％的高碳含量，是高强度高模量的纤维。碳纤维的导热系数较高，一般为190W/(m·K)～220W/(m·K)，具有良好的导热性能。不仅如此，碳纤维还耐腐蚀、耐高温、化学性质稳定且密度低、热膨胀系数小。因此，碳纤维作为一种新型的碳材料，价格便宜，与大多数相变材料兼容，可用于改善相变材料的导热性。
2 太阳能复合相变蓄能床的实验研究
国内外很多学者都研究并证明了碳纤维布的加入，可以使相变蓄能系统的整体蓄热性能提高。为了进一步探究碳纤维布的铺设位置对相变蓄能床体的影响，将碳纤维布分布铺设在相变蓄能床的下部、中部、上部进行实验，分析太阳能相变蓄能床的热工性能。
2.1 实验方案
实验分别选取35℃、40℃和45℃三个供水温度对纯石蜡太阳能相变蓄能床进行供暖，并在不同供水温度下，分别将碳纤维布铺设在床体下部（距不锈钢盘管0mm）、床体中部（距不锈钢盘管20mm）、床体上部（距不锈钢盘管40mm），以研究碳纤维布铺设位置对相变蓄能床热工性能的影响。实验采用T型热电偶测量床体温度，热流密度计测量床体的热流量。通过对相变蓄能床的睡眠温度、热流密度、升温速率、降温速率、热稳定阶段平均温度、睡眠阶段平均温度、全天平均温度和平均热流密度进行分析，比较碳纤维布在床体三个位置的热工性能，确定碳纤维布的最佳铺设位置。
2.2 实验结果分析
按照冬季太阳照射的时间及相变材料温度的变化将实验时间划分为四个阶段，即升温阶段、热稳定阶段、降温阶段和睡眠阶段，周期为24小时。具体分段如表1示。
表1 实验运行时间段划分表
将碳纤维布固定在距离盘管0cm、2cm、4cm的位置，即床体的下部、中部和上部进行对比实验，取供水温度35℃、40℃、45℃，比较结合不同位置碳纤维布的蓄能床的热性能。睡眠温度和热流密度对比图见图3，图4。
图3 不同供水温度下碳纤维布三种铺设位置的睡眠温度对比图
由图3可见，睡眠温度的变化趋势基本符合同一规律。同一种供水温度，碳纤维布在床体上部，中和下部的睡眠温度基本呈依次增高的趋势，对于35℃供水温度，碳纤维布在床体上部，中部和下部的睡眠平均温度依次为30.16℃、30.44℃、30.57℃；同理对于40℃，依次为30.19℃、30.99℃、31.56℃；对于45℃，依次为0.37℃、31.05℃、32.02℃，相较纯石蜡蓄能床在供水35℃、40℃、45℃下的睡眠平均温度26.25℃、26.99℃、27.71℃，可以发现在任意位置添加碳纤维布都可以起到提高床体导热性的作用。且距离不锈钢盘管越近，即碳纤维布在床体越靠下的位置时，最终的睡眠温度越高，强化换热的效果越好。随着距离不锈钢盘管的位置越来越远，碳纤维布没有与盘管很好的接触，传热阻力变大，热量没有很好的传递。同时，在碳纤维布位置相同的情况下，供水温度越高，床体热工性能越好。
图4 不同供水温度下碳纤维布三种铺设位置的热流密度对比图
图4是三种供水温度下碳纤维在不同位置时床体的热流密度对比，大致的规律仍是：碳纤维依次在床体上部、中部、下部时，热流密度呈递增的趋势。供水35℃时，碳纤维布在床体上部，中部及下部的平均热流密度为10.81W/m2、11.42 W/m2、12.29 W/m2；同理供水40℃为11.20 W/m2、12.25 W/m2、13.55 W/m2；45℃为13.04 W/m2、14.28 W/m2、15.48 W/m2。距离盘管的位置越近，热量传递的越充分，因而在应用中要使碳纤维布与不锈钢盘管紧密贴合，可以采用一些固定装置将碳纤维布与盘管固定在一起，这样就可以避免因为石蜡相变，使碳纤维布与盘管之间发生位置变化。此外，对于同一位置，供水温度越高，平均热流密度越大。在应用中，可根据需要选择最合适的供水温度，温度过高不仅浪费能源，而且舒适度也会有一定的下降。其他性能参数的对比见表2。
表2 三种床体其他性能参数
比较表2中的相关数据，同一位置的碳纤维布，供水温度越高，性能参数的值越大；同一供水温度，碳纤维布在床体下部铺设时，参数值较高。由表可以看出添加碳纤维布的相变蓄能床的睡眠阶段平均温度都在30℃以上，这说明碳纤维布的添加可以提高相变蓄能床的传热效率。其中，供水温度45℃，碳纤维在床体下部时，热稳定阶段平均温度已经达到41.47℃，这个温度和供水温度相差甚少，此时睡眠阶段平均温度也达到32.02℃，在满足人体舒适度的前提下，可以适当降低供水温度，降低供暖能耗。同时，在供水温度35℃时，睡眠平均温度也达到了30.57℃，处于舒适度范围之内。因此，为了让热量更好的传递，碳纤维布应尽量贴近不锈钢盘管。从节能的角度来看，供水温度35℃，碳纤维在床体下部铺设可作为相变蓄能床设计的最佳选择。
3 结论
将碳纤维布铺设在床体不同的位置，分别在床体的上部、中部和下部，取供水温度35℃、40℃、45℃进行实验，结果表明：
1）将碳纤维布加入到纯石蜡相变蓄能床体的任何位置，都可以提高床体的导热性。在不同供水温度下，碳纤维布复合相变蓄能床的各项参数均优于纯石蜡相变蓄能床。
2）碳纤维布在同一个位置，供水温度越高，蓄能床的性能参数越高。当供水45℃，碳纤维布在床体下部时，睡眠平均温度可达32.02℃。
3）对于同一供水温度，碳纤维布在床体上部、中部、下部时的性能参数数值依次呈递增的趋势。就供水温度40℃而言，上中下三种位置的睡眠平均温度依次为，30.44℃、30.99℃、31.05℃。碳纤维布在床体下部铺设时效果最好，可以更好的提高导热性。
4）碳纤维布不同的铺设位置，不同程度地增强了床体导热性，在各供水温度下，铺设碳纤维布的床体的睡眠平均温度均在30℃以上。碳纤维布处于不同位置的蓄能床都可以取35℃作为最佳的供水温度，且碳纤维布铺设在下部时，床体各参数性能最优。综合考虑，选择供水温度35℃，碳纤维在床体下部铺设作为蓄能床应用的最佳方案。
参考文献
[1]P. Brousseau, M . Lacroix. Study of the thermal performance of a multi-layer PCM storage unit[J]. Energy Conversion and Management,1996,37(5).
[2] Luisa F. Cabeza, Manuel Ibáñez, Cristian Solé,et al. Experimentation with a water tank including a PCM module[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells,2005,90(9).
[3] R. David Beltrán, Javier Martínez-Gómez. Analysis of phase change materials (PCM) for building wallboards based on the effect of environment[J]. Journal of Building Engineering,2019,24.
[4]孟娟,吴文潇,成蒙,等.强化太阳能相变蓄热技术的研究进展[J].新能源进展,2019,7(02):155-160.
[5]蔺瑞山,田斌守,邵继新,等.相变储热在太阳能采暖中的应用研究[J].节能技术,2018,36(05):447-452+475.
[6]龙巍,郑学林,臧建彬.基于碳纤维复合材料热性能的研究进展综述[J/OL].应用化工:1-9[2019-07-28].https://doi.org/10.16581/j.cnki.issn1671-3206.20190613.033.
[7]Fukai J, Hamada Y, Morozumi Y, et al. Improvement of thermal characteristics of latent heat thermal energy storage units using carbon-fiber brushes: Experiments and modeling [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2003, 46 (23): 4513-4525.
[8]正常体温: 36.3℃~37.2℃(口测法)[J]. 世界最新医学信息文摘,2015,15(14):80
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊总第37期（第22届全国暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
