熱風式相變儲能模塊的蓄放熱特性實驗

聶 秀，崔文智

(重慶大學 能源與動力工程學院，重慶 400044)

太陽能資源豐富的地區往往晝夜溫差大，導致采暖建筑室內夜間熱穩定性變差。通過建筑圍護結構對日間太陽輻射能進行儲存，而在夜間向室內釋放，既降低采暖能耗，又解決了太陽能與采暖需求在時序上匹配的問題。相變材料儲能密度大、熱效率高[1]，應用于建筑圍護結構儲能時，能有效降低室內溫度波動、提高室內舒適度，降低建筑采暖負荷[2-5]。這些優良特性使得相變蓄能圍護結構成為了研究熱點。肖偉[6]提出了一種與太陽能空氣集熱器結合的相變蓄能地板采暖系統。日間，空氣經過太陽能空氣集熱器加熱，輸送至相變地板的空氣夾層，加熱地板中的相變材料實現蓄熱；夜間，室內空氣流經空氣層將相變材料釋放的熱量帶出，給室內供暖。劉馨等[7-8]把裝有相變材料的塑料管橫架于苯板與石膏板之間，使太陽能空氣集熱器加熱后的熱空氣橫掠塑料管，熔化相變材料蓄熱，構成了一種結合太陽能空氣集熱器的相變墻采暖系統，并對該系統的儲熱特性進行了分析。這2個系統都能提高室內夜間溫度，改善房間熱舒適性，但與房間尺寸相近的風道過長。沿流動方向，熱風的溫度不斷降低，與相變材料的溫差越來越小，使得靠近熱風出口處的相變材料熔化少、利用率低。

文中提出了一種利用太陽能空氣集熱器提供的熱氣流作為熱源的“熱風式相變儲能模塊”，如圖1所示。蓄熱時，熱風進入模塊內的管道，加熱管間相變材料使其熔化實現儲能；放熱時，熱量通過模塊與室內空氣的接觸面向室內釋放，相變材料凝固。該模塊化結構可根據建筑圍護結構特征進行串聯或并聯安裝，文中實驗分析該相變蓄能模塊的蓄、放熱特性。

圖1 熱風式相變儲能模塊及其單元Fig.1 Hot air phase change thermal storage module

1 相變材料

表1 癸酸的熱物性

2 實驗裝置

取圖1中相變儲能模塊的一個單元(l=500 mm，w=50 mm，δ=12 mm)為研究對象。采用1 mm厚的不銹鋼薄板焊接成扁盒狀容器封裝癸酸，其中心穿過1根φ8×1 mm的銅管作為熱風管道。單元外表面(包括兩端)包裹10 mm厚的橡塑保溫材料。在儲能單元水平放置和豎直放置2種條件下進行實驗，裝置如圖2所示。單元水平放置時，熱風右側進左側出；豎直放置時，熱風上進下出。為了簡化實驗，用電加熱器模擬太陽能空氣集熱器，將空氣加熱到穩定的溫度后送入蓄熱單元的銅管內。蓄熱時，開啟風機、加熱器、閥門等，熱風從銅管內流過，單元蓄熱；放熱時，關閉風機、電加熱器，單元向室內放熱。

圖2 實驗系統Fig.2 Schematic diagram of test system

圖3 測點布置Fig.3 Temperature measuring points

2.1 測點布置

采用T型熱電偶測溫。銅管的進出口各設置1對熱電偶用于測量熱風的進、出口溫度；沿熱風流動方向均勻地在相變材料內設置5對熱電偶測量蓄熱和放熱過程中癸酸的溫度。熱電偶在蓄熱單元寬度方向上與銅管中心的距離為15 mm，與熱風出口側容器邊緣的距離，如圖3所示。由于熱電偶的體積相對于相變材料很小，熱電偶對相變過程的影響可以忽略。

2.2 不確定度

實驗的不確定度由式(1)[15]計算：

(1)

式中，δTTC為熱電偶的溫度測量誤差，℃；ΔTTC為實驗中的溫度變化范圍，℃；δTCJ為數據采集儀的溫度補償誤差，℃；ΔTCJ為實驗中的溫度范圍，℃；δqv為空氣流量計的測量誤差，L/min，Δqv為空氣流量計的測量范圍，L/min。

經標定，所用T型熱電偶的絕對測量誤差為±0.2 ℃；數據采集儀(Agilent 34970A)的溫度補償誤差為±0.2 ℃；氣體流量計測量范圍為0～25 L/min，測量誤差為±0.5 L/min。按式(1)計算得到實驗的不確定度為±2.1%。

3 實驗結果與分析

3.1 蓄熱過程中的熱特性

圖4給出了蓄熱過程中，相變儲能單元水平放置時，癸酸溫度隨時間的變化。熱風進口溫度為49.8～51.9 ℃，速度為9.39～9.91 m/s；室內空氣溫度為11.4～12.6 ℃。蓄熱初期，癸酸處于固態，溫度從初始溫度開始迅速上升，這一階段是顯熱蓄熱過程。隨著蓄熱的進行，癸酸溫度逐漸達到熔化溫度并發生相變，當其完全熔化變成液態后溫度仍然持續上升，進入液相顯熱蓄熱過程。

圖4 單元水平放置時癸酸的溫度變化(蓄熱過程)Fig4 Temperature variation of decanoic acid in horizontal module (in melting)

T1位置熱風溫度高，換熱溫差大，癸酸在短時間內完成相變過程，成為液體，該曲線沒有明顯的定溫階段。T2、T3位置癸酸的相變蓄熱曲線則明顯存在一個“平臺期”，即定溫熔化過程。在測點位置的癸酸完全熔化后，進入液相顯熱蓄熱階段，液態癸酸的溫度進一步升高。由于局部自然對流加強以及液相癸酸比熱容較低，在相變完成后溫度上升速率較大。在480 min時，T4、T5處的癸酸基本熔化?？梢?，沿熱風流動方向，由于熱風與癸酸之間的換熱溫差逐漸減小，癸酸發生相變所需的時間逐漸增加。另一方面，在液相顯熱蓄熱階段，由于相變儲能單元整體溫度較高，其表面與環境之間換熱增強，故癸酸溫度上升變得緩慢。相變儲能單元豎直放置時，相變材料各測點溫度隨時間的變化趨勢與水平放置時相同。

圖5比較了相同實驗條件下，相變儲能單元水平放置和豎直放置時，蓄熱過程中癸酸的溫度變化。

圖5 單元水平和豎直放置時癸酸的溫度變化(蓄熱過程)Fig.5 Comparison of the temperature variation of decanoic acid in horizontal and vertical modules (in melting)

蓄熱初期，水平放置條件下單元內的癸酸與豎直放置的溫度相近，升溫速率相同。隨著癸酸不斷熔化，癸酸溫度變化受到放置方式的影響：單元水平放置時T1的溫度低于豎直放置，T3的溫度由低于豎直放置逐漸變化為高于豎直放置，T5的溫度一直高于豎直放置。水平放置時，T5在480 min末剛好熔化，而豎直放置時T5尚未發生相變?？梢?，模塊的放置方式影響著癸酸的相變程度和蓄熱量。

3.2 放熱過程中的熱特性

圖6給出了放熱過程中，相變儲能單元水平放置時，癸酸溫度隨時間的變化。室內空氣溫度為10.4～11.6 ℃。

圖6 單元水平放置時癸酸的溫度變化(放熱過程)Fig.6 Temperature variation of decanoic acid in horizontal module (in freezing)

放熱初期，液態癸酸與室內空氣之間存在較大溫差，熱量從單元內液態癸酸通過單元壁面向室內散發，癸酸溫度迅速降低。當癸酸的溫度降至30 ℃時，癸酸開始凝固，溫度變化趨緩。當癸酸完全凝固后，由于蓄熱單元與室內環境仍然存在溫差，癸酸溫度進一步降低，最終趨于室溫。T1、T5溫度變化趨勢一致，沒有明顯的定溫凝固放熱時段(即“平臺期”)。T2、T4溫度變化趨勢也一致，凝固放熱時間持續了3 h左右，T3凝固放熱時間最長?？梢?，儲能單元水平放置時，由于端部換熱影響，癸酸是由兩端向中間凝固。

圖7比較了相同實驗條件下，相變儲能單元水平放置和豎直放置時，放熱過程中癸酸溫度的變化。

圖7 單元水平和豎直放置時癸酸的溫度變化(放熱過程)Fig.7 Comparison of the temperature variation of decanoic acid in horizontal and vertical modules (in freezing)

圖8 改進的相變儲能單元(S型銅管)Fig.8 Improved phase change thermal storage module (S pipe)

放熱初期，單元水平放置與豎直放置時的溫度變化速率因蓄熱終了時液態癸酸溫度不同而不同。癸酸凝固過程中，單元水平放置時T1的溫度變化率高于豎直放置。這是由于單元豎直放置時，相變導致癸酸的體積變化在單元頂部形成了一個小空腔，削弱了熱傳遞。而單元水平放置時，兩端的癸酸直接與導熱系數大的不銹鋼板接觸，使單元端部的熱傳遞更強烈。單元水平放置時，T3的凝固時間長于豎直放置。單元水平放置的T5經過短時間的相變后進入固相區顯熱放熱，而豎直放置的T5因未熔化而始終處于顯熱放熱狀態。

3.3 改進結構的熱特性

從3.1節可知，當相變儲能單元豎直放置時，在480 min末時T5位置的癸酸仍未發生相變，相變蓄熱材料未得到充分利用。為此，對原模塊的換熱結構進行了改進，即將直管換為S型銅管，以增大熱風與蓄熱材料間的換熱面積，如圖8所示。由于銅管長度增加導致的癸酸體積變化很小(-0.06%)，可忽略癸酸體積變化對蓄熱量的影響。圖9(a)、9(b)給出了相同實驗條件下，相變儲能原單元(直管)和改進單元(彎管)中，癸酸在蓄熱、放熱過程中的溫度變化。蓄熱過程中，改進單元各測點的溫度均高于原單元，熔化所需時間縮短，T5位置的癸酸在480 min末時也完成了相變。這是由于彎管換熱結構不僅具有更大的換熱面積，同時亦可強化銅管外壁側液相癸酸的自然對流。放熱過程中，改進單元各點的溫度變化與原單元相比變化不大，在720 min末時，各點的溫度幾乎不再變化。所以，S型彎管強化了原模塊的蓄熱過程，但對放熱過程影響不大。

圖9 不同單元中癸酸的溫度變化Fig.9 Temperature variation of decanoic acid in different modules

4 結 論

文中提出了一種以癸酸作為相變材料的熱風式相變儲能模塊，選取了該模塊的一個單元為實驗對象，分別測量了蓄放熱過程中，單元豎直放置時和水平放置時癸酸的溫度變化，得到了該模塊的蓄放熱特性。實驗發現：相同條件下，模塊水平放置的癸酸熔化率比豎直放置高。為熱風式相變儲能模塊在實際應用中的安裝布置提供了參考。在以上研究的基礎上，將原模塊中的直銅管改為S型銅管，增大了換熱面積。結果表明，改進單元中的癸酸相變更加完全，儲能效果更好。