河北工业大学 陈万河, 孔祥飞, 杨华, 乔旭, 苑广普, 姚成强
【摘 要】以25#石蜡为相变材料，膨胀珍珠岩为支撑材料，采用真空加热滚筒箱体制备相变颗粒，然后将相变颗粒定模压制成相变蓄能板，再将其与建筑围护结构结合形成相变蓄能墙板，并对相变蓄能墙板进行冬季供暖测试。结果表明：实验房间都以太阳能供暖时，由于相变蓄能板的蓄热调温作用，使相变房间的温度波动远小于参照房间，且能够提高太阳能利用效率。综上所述，相变蓄能墙板作为储能构件，展现出巨大的节能潜力和优势。
【关键词】相变颗粒，相变蓄能板，供暖，太阳能
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
随着社会的不断发展，庞大的建筑能耗成为国民经济的巨大负担，是影响国家经济走势的重要因素。建筑物造成的能源消耗占世界能源消耗总量的40%，并造成30％年度温室气体排放量，因此建筑行业全面节能势在必行。近年来，相变材料（PCM）的广泛应用，在太阳能行业，食品和医疗药品保存上都有重要进展。热量存储是提高能效水平的重要手段。建筑物的热量存储可以通过显热以及潜热（PCM和其他热惯性材料）来实现[1] ，而潜热存储被认为是最有效的热能存储技术[2-3] 。相变蓄能技术在建筑中的应用可以降低室内温度波动，提高热舒适性，降低建筑能耗。
近年来可再生能源不断推广。但一些可再生能源，如太阳能[4]和风能[5]的间歇性造成了能源产生和能源需求的不匹配，而热能存储技术恰恰可以帮助制定策略。重庆大学科技部低碳与绿色建筑国际研究中心的王勇等人评估了五种太阳能潜热储存系统的设计案例并进行3D数值模拟验证[6] 。其他一些研究也阐述了将可再生能源与相变蓄能系统进行耦合的方法和效果[7] 。
本文针对相变材料的特性制备相变蓄能板材，并与建筑围护结构结合形成相变蓄能墙板，同时进行相变蓄能墙体与太阳能耦合实验，对相变蓄能墙体的蓄、放热特性及与太阳能耦合供暖的效果进行研究，为相变蓄能材料与可在生能源的联合使用提供依据和方法，有利于制定符合实际工况下的控制策略，能够填补相关研究的空白，使相变蓄能材料及可再生能源能够更好的为建筑行业服务。
1 相变蓄能板材的制备
1.1 主要材料
选择熔化凝固温度在人体舒适度范围内的25#低温石蜡作为为相变材料，导热系数0.549W/(m·k)，相变温度24.7℃，相焓144.1J/g，上海华永石蜡有限公司；选择膨胀珍珠岩作为多孔吸附介质，粒目为50-60目，密度400Kg/m3，蓄热系数2.35 W/(m2·k)， 信阳市平桥区五里立成珍珠岩加工厂。
1.2 主要设备
SHZ-D(III)型循环水式真空泵，功率180W，流量60L/min，浙江台州求精真空泵有限公司；ME2002E型电子天平，最大量程2200g，精确到0.01g，梅特勒-托利多公司；小型搅拌机，淮安混凝土搅拌机工厂。
1.3 制备流程
采用真空吸附法制备出相变颗粒。自制真空吸附加热滚筒，能够同时满足真空吸附、均匀加热和均匀搅拌三个条件。具体制备步骤如下：（1）称取质量比为40%：60%的膨胀珍珠岩和石蜡加入滚筒中，循环水式真空泵抽至真空度为0.05MPa，并维持此状态；（2）开启电加热器，将滚筒下部的水加热至沸腾；（3）变频器调节电机的频率，使滚筒以60rad/min匀速转动；（4）2h之后，打开真空阀，停止加热，使相变颗粒在常压下冷却至室温；（5）关闭电机，卸料，即制备出复合相变颗粒。
使用如图1搅拌器将质量比为85%：9%：5%：1%的相变颗粒、苯乙烯丙烯酸乳液、环保涂料和玻璃纤维搅拌均匀，再将其混合物均匀的平铺在预制的模具中，在5kPa的恒定压强下压制24小时，拆模，自然干燥，制备出成型良好的相变蓄能板材I，其尺寸大小为500mm×500mm×20mm。为了方便相变蓄能墙板耦合太阳能供暖的实验研究的需求，制备复合相变蓄能板材II，带有500mm×10mm的凹槽，凹槽用来安装毛细管，将相变颗粒、苯乙烯丙烯酸乳液、环保涂料、玻璃纤维和铝粉按质量比83%：9%：5%：1%：2%放入搅拌器均匀搅拌，将混合物均匀的平铺在预制的模具中；在混合物表面每间隔100mm安置500mm×10mm×10mm的铁条，在5KPa的恒定压强下压制24小时，然后拆卸模具抽出铁条，自然干燥，制备出相变蓄能板材II。板材外观如图2所示。
2 实验策略
2.1 系统构件
冬季相变蓄能墙板耦合太阳能供暖实验系统所用构件如表1所示。
2.2 连接形式
图3为相变蓄热墙体耦合太阳能热源系统示意图。由图可知相变蓄热墙体耦合太阳能热源系统主要由两大部分构成，即太阳能蓄热系统、房间供暖系统，这两部分通过蓄热桶连接起来。太阳能热源系统包括槽式太阳能集热器、蓄热桶、流量计、水泵，房间供暖系统包括分水器、毛细管、集水器、流量计、水泵、蓄热桶构成。太阳能蓄热系统通过槽式太阳能集热器为蓄热桶中热水媒介蓄热，而蓄热桶中的热水在水泵的作用下进入到相变蓄能房间的分水器中，经过与毛细管与室内空气换热之后回到集水器，流至蓄热桶，完成一次循环。对比房间供热系统与相变房间供热系统基本相同，不同之处在于对比房间没有分、集水器和毛细管，而是由并联的散热器代替。
2.3 测试设备
冬季相变蓄能板耦合太阳能供暖实验中用到的主要测试设备如表2所示。
2.4 测点布置
对于相变房间，屋顶和每面墙体上布置三个热电偶，即室外侧、室内侧、相变板材和墙体之间，屋顶和每面墙体内表面上布置一个热流密度计，同时在室内空间中间部位上下布置两个热电偶，用来监测室内空气温度。参照房间测点布置原则和相变房间基本相同，不同之处在于参照房间没有相变蓄能板，所有参照房间屋顶和墙体上只存在内外表面两个热电偶，图4为相变房间测点布置示意图。
2.5 实验方案
冬季相变蓄能墙板耦合太阳能供暖的实验内容如下：两房间太阳能独立供热，在2017年3月7日0:00到2017年3月10日0:00进行实验测试。在该测试阶段，相变蓄能房间和对比房间都采用太阳能进行供暖，太阳能出水温度大于30℃时水泵1启动，开始向蓄热桶供热，蓄热桶水温大于30℃时，水泵2启动，开始向实验房间供热。通过对比相变蓄能房间和对比房间的室内温度、通过墙体的热流密度探究利用太阳能向室内供暖过程中相变蓄能墙体发挥的作用，图5为实验控制系统图。
3 实验结果
3.1 实验房间温度分析
图6所示为相变蓄能板材的热性能实验期间实验房间的室内温度变化。从图6可以看出，环境峰值温度最低，相变房间次之，参照房间峰值温度最高。测试期内相变房间、参照房间和环境的峰值温度平均值分别为28.13℃、32.90℃、16.38℃。相变房间和参照房间的峰值温度较环境峰值温度分别升高11.74℃和16.52℃，参照房间的峰值温度较相变房间升高4.77℃。过剩的太阳能使相变房间和参照房间的室内都出现了过热现象，而相变房间中由于有相变蓄能墙板的蓄热调温作用，过热现象较参照房间大幅减轻。测试期内相变房间、参照房间和环境温度的最低温度平均值分别为5.87℃、2.12℃、-0.08℃。相变房间和参照房间的最低温度分别比环境最低温度升高5.95℃和2.20℃。相变房间比参照房间的最低温度升高3.75℃，这表明在夜间缺少太阳能资源的条件下，相变房间与参照房间相比具有更好的保温作用。在测试期内，相变蓄能房间的平均温度比对比房间高1.01℃。综合峰值温度和最低温度的分析可知，相变蓄能房间在温度波动较小的前提下，测试期内的平均温度仍高于对比房间，表明消耗相同能源的条件下，相变蓄能房间能够保持更加舒适的热环境。
3.2 实验房间热流密度分析
图7所示为相变蓄能房间各个墙体表面监测到的热流变化，实验中设定相变蓄能板材吸收热量时，热流密度方向为正；释放热量时，热流密度方向为负。由图可知，东墙和北墙的热流密度的正向峰值小于西墙和南墙，而东墙和北墙的热流密度的负向峰值却大于西墙和南墙。这是因为东墙和北墙安装有毛细管，当热水媒介流过时，房间内温度升高，相变蓄能板材开始蓄热。西墙和南墙没有热水媒介流过，墙体蓄热完全来自室内温度升高后对流和辐射的热量。东墙和北墙的热量来源有两个：一个是室内温度升高后对流和辐射的热量，也就是热流密度计监测到的这一部分热流，另一个是相变蓄能板材凹槽中的毛细管的热量直接蓄存在东墙和北墙的相变蓄能板材中，这一部分热流并没有被热流密度计监测到，所以当东墙和北墙的蓄能板材吸收毛细管中的热量后，吸收室内空气的热量数值减少。因此造成了东墙和北墙正向热流密度峰值小而负向热流密度峰值大。此外，各个墙体开始蓄热的起始时间相差不大，而东墙和北墙的放热时间明显早于西墙和南墙。这是因为东墙和北墙蓄存的热量多，墙体温度高，当室内温度降低后开始向室内传递热量，而此时西墙和南墙还在蓄存辐射热量过程中。
3.3 太阳能进出口水温分析
图8所示为太阳能集热器供回水温度变化曲线。蓄热桶1为相变蓄能房间使用，蓄热桶2为对比房间使用。从图中曲线的整体趋势可以看出，连接蓄热桶1的太阳能的供回水温度明显小于蓄热桶2。其次，在太阳能系统稳定运行期间，供回水温度曲线基本重合，但太阳能供水温度稍高于回水温度，并且连接蓄热桶1的太阳能的供回水温差高于蓄热桶2。原因是太阳能集热器聚集的热量蓄存到蓄热桶后，蓄热桶又将这些热量供给实验房间，使得相变实验房间中的相变蓄能板材蓄存更多的能量，导致蓄热桶1向相变蓄能房间中转移的热量多于蓄热桶2向对比房间中转移的热量，即蓄热桶1蓄存的热量少于蓄热桶2，从而导致循环水在经过相变蓄热桶时转移更多热量，造成供回水温度偏低和供回水温差偏大。而对比房间，当室内温度上升到一定数值时，散热器和和室内空气之间达到热平衡，此时散热器散热量最小，所以参照房间太阳能供回水温差偏小，太阳能利用率较小。
4 结论
通过进行冬季相变蓄能墙体耦合太阳能供暖实验研究，对实验房间的室内温度、热流密度、太阳能进出口水温进行分析，主要得出以下结论：在相变蓄能板材的热性能实验期间，相变房间的峰值温度比参照房间低4.77℃，最低温度比参照房间高3.75℃，平均温度比参照房间高1.01℃，相变板材能够减小室内温度波动幅度，东墙和北墙相变板的放热时间比西墙和南墙相变板的放热时间长；相变太阳能集热器的供回水温度小于参照太阳能集热器的供回水温度，但前者的供回水温差大于后者，相变房间太阳能利用率大于参照房间。
参考文献
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[7] Xu B, Li P, Chan C. Application of phase change materials for thermal energy storage in concentrated solar thermal power plants: A review to recent developments[J]. Applied Energy, 2015, 160:286-307.
备注：本文获评为第21届暖通空调制冷学术年会优秀论文，收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届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。
