一種太陽能相變蓄熱沙發(fā)采暖系統(tǒng)分析

上海理工大學(xué) ■ 楊越聰 于國清

一 傳統(tǒng)太陽能采暖系統(tǒng)

當(dāng)今社會能源危機(jī)、環(huán)境污染日益嚴(yán)重，建筑供熱方面的能耗應(yīng)用與日劇增，我國節(jié)能減排的任務(wù)已經(jīng)十分迫切。由于我國太陽能資源十分豐富，大力開發(fā)太陽能等可再生能源成為緩解能源危機(jī)的有效途徑。

傳統(tǒng)的太陽能采暖系統(tǒng)一般由太陽能集熱器、蓄熱水箱、輔助加熱器和散熱設(shè)備組成[1]， 太陽能集熱器(或輔助熱源)將蓄熱水箱內(nèi)的水加熱后通過散熱設(shè)備將蓄熱水箱儲存的熱量傳到室內(nèi)，達(dá)到采暖效果。此種采暖方式所需熱量大，因而所需集熱器的面積較大。另外，由于太陽能的間歇性和不可靠性，蓄熱裝置是太陽能采暖系統(tǒng)的必備部件，而太陽能采暖系統(tǒng)的供回水溫差較小，所以需要較大的蓄熱裝置，如果放置在室外，在寒冷的冬季，其散熱損失十分顯著。為了解決這些問題，本文提出一種將太陽能利用與相變蓄熱技術(shù)結(jié)合的新型太陽能采暖系統(tǒng)——太陽能相變蓄熱沙發(fā)采暖系統(tǒng)。

二 太陽能相變蓄熱沙發(fā)采暖系統(tǒng)

如圖1所示，太陽能相變蓄熱沙發(fā)采暖系統(tǒng)與傳統(tǒng)的太陽能采暖系統(tǒng)相比，最大的區(qū)別在于沒有傳統(tǒng)的散熱設(shè)備和蓄水熱箱，取而代之的是具有相變蓄熱功能的沙發(fā)。將蓄熱水箱和散熱設(shè)備集合成為一個整體，內(nèi)部蓄熱層相當(dāng)于蓄熱水箱，沙發(fā)本身相當(dāng)于散熱器。太陽能熱水器的出水管經(jīng)閥門與沙發(fā)座內(nèi)的換熱管入口端連接，沙發(fā)座內(nèi)換熱管出口端經(jīng)彎頭、循環(huán)泵與沙發(fā)靠背換熱管的入口端連接，沙發(fā)靠背出口端依次經(jīng)閥門、循環(huán)泵、止回閥與太陽能集熱器的回水管連接，形成傳熱流體的閉合回路。

圖1 太陽能相變蓄熱沙發(fā)采暖系統(tǒng)原理圖

沙發(fā)座和沙發(fā)靠背為兩個箱體，每個箱體內(nèi)分別設(shè)置密閉腔，每個密閉腔內(nèi)填充相變蓄熱材料微膠囊，在相變材料微膠囊內(nèi)埋設(shè)換熱管。蓄熱層結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

蓄熱沙發(fā)兼有蓄熱和散熱功能。冬季白天開啟循環(huán)泵，水在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)吸收太陽能集熱器收集到的熱量，溫度升高后流入沙發(fā)內(nèi)的換熱管，通過換熱盤管將熱量傳遞給相變蓄熱材料。蓄熱材料吸收傳熱流體的熱量后溫度不斷升高，當(dāng)達(dá)到相變溫度后發(fā)生相變，即太陽能通過傳熱流體把熱量儲存在蓄熱沙發(fā)的蓄熱材料微封裝膠囊體內(nèi)。在夜間或溫度較低時，利用沙發(fā)外殼表面通過傳導(dǎo)、對流和輻射三種方式向周圍散熱，即通過蓄熱材料放熱將存儲的熱量散發(fā)出來，維持沙發(fā)與人體接觸表面以及周圍局部環(huán)境的舒適溫度。

圖2 相變蓄熱沙發(fā)座換熱管平面布置圖

圖3 蓄熱沙發(fā)靠背換熱管串聯(lián)布置平面圖

如圖2、圖3所示，在管路敷設(shè)方面，本系統(tǒng)沙發(fā)座內(nèi)換熱管采用新穎的盤旋方式布置，先由外圓周旋至圓心，再從圓心處旋出至外圓周，主要是為了使受熱底座溫度分布更均勻，避免出現(xiàn)冷熱不均現(xiàn)象。

三 蓄熱沙發(fā)的散熱分析

沙發(fā)表面主要通過對流與周圍的空氣進(jìn)行換熱，其對流換熱系數(shù)可以利用下列公式進(jìn)行計算[2]：

其中：tf為房間室溫；tw為沙發(fā)表面溫度。

若太陽能相變蓄熱沙發(fā)規(guī)格為2m×1m×1m，室溫tf=16℃，沙發(fā)表面溫度tw=25℃，經(jīng)計算，24h本系統(tǒng)沙發(fā)通過對流換熱傳遞給周圍環(huán)境的熱量約為20.17MJ。沙發(fā)不使用時，可以在其表面覆蓋毛毯等保溫性能較好的織物，以減小無效的熱損失。

四 相變蓄熱材料需要量計算

太陽能相變蓄熱沙發(fā)的底部及背部外側(cè)鋪設(shè)較厚的保溫材料，以避免其向側(cè)面及下側(cè)大量散熱造成不必要的熱損失，其中填充的相變蓄熱材料量需要滿足沙發(fā)全天的散熱量。本系統(tǒng)中選用復(fù)合蓄熱材料Latest32S，相變溫度為31℃，潛熱值為230J/g[3]，通過計算得出所需的相變蓄熱材料量約為88kg。

五 太陽能集熱面積計算

當(dāng)已知水平面上的直射輻照度Ib、散熱輻照度Id和地面的反射比ρ時，傾角為β的集熱表面接收到的太陽能輻射Iz可通過下列公式計算[4]：

在集熱器中的流體吸收太陽輻射，從而獲得有用的能量，同時集熱器本身對外界也存在散熱損失。太陽能集熱器的集熱量可采用式(7)計算[5]：

假定本采暖系統(tǒng)位于西安市，冬季采暖室外平均溫度Ta為0℃，集熱器進(jìn)水平均溫度T1為30℃，計算工況選取1月1日這一天，晴天水平面上的總輻照量Hz= 10.4MJ/m2，本計算中蓄熱沙發(fā)所需的太陽能集熱器面積約為4.6m2。

六 結(jié)論

太陽能相變蓄熱沙發(fā)采暖系統(tǒng)是一種新型的將局部采暖、相變蓄熱與沙發(fā)這一家庭必備家具有機(jī)結(jié)合的系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有所需太陽能集熱面積小、集熱效率較高、室外熱損失小、節(jié)省室內(nèi)空間等優(yōu)點，是一種有前景的太陽能利用新方式。

[1]羅運俊, 何梓年, 王長貴. 太陽能利用技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.

[2]章熙民, 任澤霈. 傳熱學(xué)(第四版)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2002.

[3]崔海亭, 楊鋒. 蓄熱技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

[4]張鶴飛. 太陽能熱利用原理與計算機(jī)模擬[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2004.

[5]中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院, 太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計與安裝[M]. 北京: 中國計劃出版社, 2006.