胡明月，馬秀琴，劉長昊，竇一帆

（河北工業(yè)大學能源與環(huán)境工程學院，天津 300401）

0 引言

為解決我國北方農(nóng)村地區(qū)冬季傳統(tǒng)火炕供暖造成的污染問題，首先應從熱源處對火炕進行改造，而太陽能作為典型清潔能源，成為了農(nóng)村冬季供暖的首選熱源。

劉慶玉[1]對農(nóng)村住宅供暖能耗進行了優(yōu)化分析，太陽能熱水輔助供暖的加入可在每年冬季節(jié)能11 768.85 MJ。楊詩薇[2]設計了一種以太陽能為熱源的太陽能炕采暖系統(tǒng)，通過實驗對比，該系統(tǒng)可有效提高室內(nèi)環(huán)境溫度。在利用太陽能與相變材料相結合的方式進行供暖方面，傅杰[3]設計了一種太陽能相變蓄熱地暖系統(tǒng)，在保證冬季室內(nèi)熱舒適的前提下，降低了供暖成本。范蕊[4]通過Fluent對西部高海拔地區(qū)供暖情況進行模擬發(fā)現(xiàn)，使用太陽能相變蓄熱系統(tǒng)進行供暖有利于改善室內(nèi)溫度。針對相變材料導熱系數(shù)低、換熱性能較差的問題，洪鼎華[5]通過數(shù)值模擬研究了不同參數(shù)的空腔對相變蓄熱裝置熱工性能的影響。李培濤[6]通過實驗分析了螺旋盤管式相變蓄熱裝置傳熱流體的入口溫度和流量對其蓄能效果的影響。Peiró[7]將兩種熔點不同的相變材料進行串聯(lián)，通過對比梯級與單級相變的蓄熱性能發(fā)現(xiàn)，梯級相變的蓄能效率比單級相變提高了19.36%。Cheng X[8]在蓄能時間、總量和效率方面對梯級相變蓄能單元進行模擬分析，最終確定質(zhì)量均勻分布的3～5級相變?yōu)橄嘧冃钅艿淖罴逊桨?。Zhao Y[9]研究了相變級數(shù)對蓄能裝置熱工性能的影響，隨著蓄能裝置相變級數(shù)從一級增加到三級，平均蓄能效率從51.75%增加到了63.58%。張群力[10]選用多種碳材料，研制了一種具有更好經(jīng)濟性和熱舒適性的復合相變蓄能電暖器。

本文以農(nóng)村傳統(tǒng)火炕為原型，結合太陽能低溫地板輻射采暖技術，利用相變材料對炕體進行重構；提出了一種以太陽能為熱源，以復合相變材料為儲能介質(zhì)的新型太陽能復合梯級相變供暖床系統(tǒng)。通過對比實驗分析不同工況床體的熱工性能，確定更優(yōu)的相變供暖形式，以達到改善農(nóng)宅居住環(huán)境，減少農(nóng)村地區(qū)能源消耗的目的。

1 梯級相變供暖床系統(tǒng)

1.1 梯級相變供暖床系統(tǒng)的提出

圖1為太陽能梯級相變供暖床系統(tǒng)，該系統(tǒng)以太陽能為熱源，通過槽式集熱器加熱傳熱流體——水，加熱后的熱水進入保溫儲水水箱。水箱中的水通過動力系統(tǒng)以設定流速和溫度進入供暖床體。床體內(nèi)相變材料在加熱階段吸收熱水的熱量，當停止加熱時，相變材料釋放熱量為床面繼續(xù)供暖。

圖1 太陽能梯級相變供暖床系統(tǒng)Fig.1 Solar cascaded PCMs heating bed system diagram

如圖2所示，太陽能梯級相變供暖床主要由相變介質(zhì)層、床面和睡眠層構成。在蓄熱過程中，梯級相變可通過將不同相變材料按照相變溫度由高到低的順序，沿供水方向依次排列，實現(xiàn)對傳熱流體不同區(qū)域溫度的梯級利用，從而提高太陽能相變供暖床系統(tǒng)的運行效率。

圖2 梯級相變供暖床體構造Fig.2 Structure diagram of cascaded PCMs heating bed

1.2 實驗材料選取

石蠟是最為常見的無色無味的相變材料，潛熱值高，化學性質(zhì)穩(wěn)定，無毒，無腐蝕性且價格低廉。因此，太陽能供暖床系統(tǒng)采用石蠟作為相變儲能介質(zhì)?？紤]到人體正常體溫11]，單級相變供暖床僅采用35#石蠟作為儲能介質(zhì)。同時，人體不同部位熱舒適感覺略有不同，頭部的熱舒適溫度較低，且熱舒適感覺僅占整體熱感覺的18%[12]，因此采用熔點較低的30#石蠟為梯級相變供暖床的頭部區(qū)域進行供暖，使用38#和35#石蠟為梯級相變主要供暖區(qū)域（睡眠區(qū)域）進行供暖，即梯級相變供暖床采用38#，35#和30#石蠟沿供水方向，按熔點從高到低的順序依次排列。利用差示掃描量熱法（DSC）對3種不同型號石蠟的性能進行了測定，結果如圖3所示。其中，30#石蠟融化起始溫度為27.51℃，凝固起始溫度為24.48℃；35#石蠟融化起始溫度為31.85℃，凝固起始溫度為32.92℃；38#石蠟融化起始溫度為35.81℃，凝固起始溫度為34.00℃。

圖3 石蠟DSC物性測定Fig.3 DSC physical property determination of paraffin waxes

1.3 實驗方案

為測定不同工況下供暖床體熱工性能的差異，本文利用T型熱電偶在供暖床體（圖2）睡眠層布置12個測點測定睡眠層溫度，睡眠層根據(jù)人體睡眠熱舒適分布規(guī)律分為頭部區(qū)域（4個測點）和睡眠區(qū)域（8個測點）。此外，利用熱流傳感器在床面布置測點測定床面向睡眠層傳遞的熱流密度，并通過安捷倫傳輸至電腦端，其中安捷倫采用精度為6位半的34970A數(shù)據(jù)采集儀。

本實驗設定38.0，42.5，47.5℃3種太陽能供水溫度，探究不同太陽輻射強度下供暖床體的性能差異，并設定8：30-17：30為太陽能供水系統(tǒng)運行時間。分別在不同供水溫度下對梯級相變供暖床和單級相變供暖床進行供暖?？紤]到頭部區(qū)域與睡眠區(qū)域舒適溫度的差異，本文僅討論睡眠區(qū)域床體熱舒適性。利用T型熱電偶測定睡眠區(qū)域溫度，從睡眠區(qū)域的升、降溫速度和平均溫度方面比較兩供暖床體熱工性能的差異，并通過對比睡眠區(qū)域溫度的變化率、標準差和不均度分析兩供暖床體的熱穩(wěn)定性；在相同工況下對碳纖維-石蠟復合梯級相變供暖床體進行供暖，從熱流密度和睡眠區(qū)域的平均溫度方面分析對比純石蠟梯級相變供暖床和碳纖維-石蠟復合梯級相變供暖床的熱工性能。

2 實驗結果與數(shù)據(jù)分析

2.1 梯級相變供暖床熱舒適性分析

圖4為梯級、單級兩相變床體在3個供水溫度下的睡眠溫度對比。為便于不同時間段供暖床體性能分析，按照供暖床體的溫度變化和我國北方的日照時間，設定相變供暖床實驗以24 h為一周期，并將24 h劃分為4個階段，如表1所示。

圖4 睡眠溫度對比Fig.4 Comparison chart of sleeping temperature

表1 時間階段劃分Table 1 Division of time stages

通過分析圖4可以發(fā)現(xiàn)，在各個供水溫度的不同時間段內(nèi)，梯級供暖床的睡眠溫度均高于單級供暖床。當供水溫度為38.0℃時，由于加熱時間有限，且石蠟導熱性較差，在較低的供水溫度下相變材料與傳熱流體不能進行良好的換熱，所以兩床體在睡眠階段溫度衰減較為嚴重。為進一步改善這一問題，可在相變材料中添加導熱性較高的材料，提高相變蓄能的換熱效率。對于睡眠區(qū)域在睡眠階段的平均溫度，當供水溫度為42.5℃時，梯級供暖床比單級供暖床提高了5%；當供水溫度為47.5℃時，提高了4%，梯級相變供暖的形式有利于提高供暖床體的睡眠溫度。此外，在38.0，42.5，47.5℃3種供水工況下，單級供暖床在供水溫度為47.5℃時性能最佳，睡眠階段平均溫度為25.95℃。而梯級供暖床供水溫度取47.5℃時，睡眠階段平均溫度為27.04℃，可滿足睡眠區(qū)域舒適溫度為27～32℃[12]的要求。兩供暖床體其他熱舒適性能參數(shù)如表2所示。

表2 睡眠區(qū)域熱舒適性能參數(shù)對比Table 2 Comparison table of thermal comfort parameters of sleeping area

隨著供水溫度的提高，升、降溫速度也在增加。并且，在相同供水溫度下，梯級供暖床的升溫速度基本都略高于單級供暖床，梯級供暖床的降溫速度基本略低于單級供暖床。這就意味著在同樣的供水溫度下，梯級供暖床的蓄熱時間更短，床體熱損失更少。同時，在38.0，42.5，47.5℃3種供水溫度下，梯級供暖床的平均熱流密度比單級供暖床分別提高了1.3%，4.4%和11.8%。

睡眠溫度變化率[13]表示睡眠區(qū)域的平均溫度在每小時內(nèi)的溫度波動幅度，計算式為

式中：β為睡眠溫度變化率，%；trm，N-N-1為N～N-1時刻持續(xù)1 h內(nèi)的睡眠溫度平均值，℃；trm，N-1為N-1時刻的睡眠溫度，℃。

圖5為兩床體在3種供水溫度下的睡眠溫度變化率對比圖。由圖可以看出：在3種供水溫度下，梯級相變供暖床與單級相變供暖床的變化趨勢大致相同，兩床體同一時刻睡眠溫度變化率的差異基本在±0.3%以內(nèi)；在升溫階段初期，兩床體溫度逐漸升高，睡眠區(qū)域溫度變化率較大，且供水溫度越高，睡眠區(qū)域溫度變化率變化幅度越大；進入熱穩(wěn)定階段后，床體睡眠區(qū)域溫度趨于穩(wěn)定，溫度變化率逐漸降低，趨近于零；在停止加熱初期，睡眠溫度開始降低，溫度變化率負向增長；進入睡眠階段，睡眠區(qū)域溫度恢復穩(wěn)定，溫度變化率再次趨近于零。其中，梯級供暖床睡眠溫度變化率都在±2%之內(nèi)，按照NY/T 58-2009《民用火炕性能試驗方法》中的規(guī)定，處于熱穩(wěn)定狀態(tài)[14]。

圖5 睡眠溫度變化率對比Fig.5 Comparison chart of the rate of change of sleep temperature

睡眠溫度標準差表示同一時刻睡眠區(qū)域各點溫度的偏離程度，計算式為

式中：σ為睡眠溫度標準差，℃；n為將睡眠區(qū)域劃分的份數(shù)；tiτ為τ時刻各個小份的睡眠區(qū)域的平均溫度，℃；tp為τ時刻睡眠區(qū)域平均溫度，℃；Ai為各小份的面積，m2；A為睡眠區(qū)域總面積，m2。

睡眠溫度不均度[14]為睡眠區(qū)域在各時間段內(nèi)不同時刻最大溫差的平均值，計算式為

式中：Δtkm，i為睡眠溫度不均度，℃；Δtkm，i為同一時刻睡眠區(qū)域各點的最大溫差，℃；n為各階段睡眠溫度的測溫次數(shù)。

在不同供水溫度下兩床體全天睡眠溫度標準差最大值和睡眠階段溫度不均度見表3。

表3 睡眠區(qū)域熱穩(wěn)定參數(shù)對比Table 3 Comparison table of thermal stability parameters of sleeping area

通過表3的參數(shù)對比可以發(fā)現(xiàn)，在3個供水溫度下，相比于單級相變供暖床，梯級相變供暖床的睡眠溫度標準差分別減少了65%，59%，37%，睡眠溫度不均度分別減少了77%，63%，81%。梯級相變供暖床有效緩解了單級相變供暖床因床體內(nèi)相變材料導熱性較差而引起的溫度分布不均勻的現(xiàn)象，有利于睡眠區(qū)域維持穩(wěn)定均勻的熱環(huán)境。

2.2 碳纖維-石蠟復合梯級相變供暖床熱舒適性分析

為進一步提高梯級相變供暖床的傳熱性能，解決石蠟導熱性能較差的問題，可在純石蠟梯級相變供暖系統(tǒng)中添加導熱系數(shù)較高的碳纖維布，并通過實驗對比分析碳纖維-石蠟復合梯級相變供暖床與純石蠟的梯級相變供暖床熱工性能差異。

碳纖維-石蠟復合梯級相變供暖床與純石蠟梯級相變供暖床在不同溫度下的熱流密度對比如圖6所示。由圖可見：供水溫度越高，兩床體熱流密度波動范圍越大，并且，由于供暖床的供水溫度由溫度控制器實時監(jiān)控并調(diào)整，所以在熱穩(wěn)定階段，供暖床的熱流密度仍有所波動；當水箱停止向供暖床供熱水，睡眠區(qū)域沒有外部熱源的供給，僅靠床體內(nèi)的相變材料放熱維持溫度，因此在睡眠階段，熱流密度趨于穩(wěn)定。但由于石蠟在融化階段的過冷特性，導致睡眠階段介質(zhì)層向睡眠區(qū)域傳遞的熱流密度呈現(xiàn)先下降后逐步上升的曲線。碳纖維的添加可改善純石蠟梯級相變供暖床換熱不充分的問題，并提高床體熱流密度，其中，復合梯級相變供暖床熱流密度在供水溫度為38.0，42.5，47.5℃時分別提高了31%，21%，6%。

圖6 熱流密度對比Fig.6 Comparison chart of heat flux density

圖7為不同供水溫度下兩床體睡眠溫度對比。相較于純石蠟梯級相變供暖床，復合梯級相變供暖床睡眠階段的平均溫度在不同供水溫度下均有所提高，其中，在供水溫度為38.0℃時提高了9%，42.5℃時提高了6%，47.5℃時提高了7%。當供水溫度為38.0℃時，碳纖維布的添加在提高睡眠溫度的同時，有效緩解了純石蠟梯級相變供暖床在睡眠階段溫度衰減嚴重的情況，提高了供暖床體的換熱效率。供水溫度為42.5℃和47.5℃的睡眠溫度曲線變化趨勢大致相同，睡眠階段的溫度變化較為平穩(wěn)，且復合供暖床全天的睡眠溫度均高于梯級供暖床。對于復合梯級相變供暖床，3個供水溫度下的睡眠階段平均溫度分別為28，28.2，28.99℃，均滿足睡眠區(qū)域熱舒適[12]需求。在冬季，復合梯級相變供暖床因其良好的傳熱性能可有效避免太陽輻射強度不足對床體熱舒適產(chǎn)生的影響。

圖7 睡眠溫度對比Fig.7 Comparison chart of sleeping temperature

3 結論

在38.0，42.5，47.5℃3個供水溫度下，本文對單級相變供暖床、梯級相變供暖床和碳纖維-石蠟復合梯級相變供暖床的熱性能進行了對比，結果表明：

①在睡眠溫度標準差方面，梯級相變供暖床比單級相變供暖床減少了至少59%，梯級蓄熱的形式有利于營造更加舒適均勻的睡眠環(huán)境；

②梯級相變供暖床在全天的睡眠溫度均高于單級相變供暖床，其中，在睡眠階段的平均溫度至少提高了4%；

③碳纖維布的加入進一步改善了供暖床體的傳熱性能，提高了供暖床體的睡眠溫度。相較于純石蠟梯級相變供暖床，復合梯級相變供暖床在睡眠階段的平均溫度提高了6%以上。