混凝土儲熱塊在太陽能采暖系統(tǒng)中的特性

王 艷，菅泳仿，白鳳武，田斌守，李 洋

（1中國科學院電工研究所，北京 100190；2甘肅省建材科研設計院，甘肅 蘭州 730020；3南京工業(yè)大學，江蘇省過程強化與新能源裝備技術重點實驗室，江蘇 南京 211816）

1隨著能源需求的不斷增長，推進可再生能源的發(fā)展成為現(xiàn)今能源領域的一大主題[1-3]。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，符合目前能源結構發(fā)展需求，近年來在大型建筑、區(qū)域供熱領域取得了快速的發(fā)展。但由于太陽能資源的間歇性和不連續(xù)性，在太陽能建筑采暖和太陽能熱水系統(tǒng)中加入儲熱系統(tǒng)成為今后發(fā)展的一個重要方向。

目前采暖系統(tǒng)中的儲熱方式以顯熱儲熱和潛熱儲熱為主。顯熱儲熱是利用物質本身的溫度變化來實現(xiàn)熱量的存儲和釋放。潛熱儲熱是利用物質的相變潛熱來實現(xiàn)熱量的存儲和釋放。對于以太陽能作為熱源的采暖系統(tǒng)，目前采用的儲熱系統(tǒng)主要是以顯熱潛熱為主。太陽能采暖系統(tǒng)中典型的儲熱裝置主要有帶相變材料的混凝土儲熱、大容積水箱儲熱、跨季節(jié)儲熱等。跨季節(jié)儲熱是利用地埋水箱的方法，將春、夏、秋三季的熱量存儲起來，用于冬季的采暖需求，近年來跨季節(jié)儲熱成為亞歐國家最受關注的儲熱形式[4-5]之一。但跨季節(jié)儲熱由于熱量存儲周期較長，對儲熱系統(tǒng)的容積要求高，初期投資成本大，因此適合于大面積的集中供熱使用。在混凝土中加入低熔點的相變材料，形成相變混凝土儲熱裝置，在太陽能熱利用領域也受到了廣泛的關注[6-8]。雖然在建筑材料中加入相變材料能有效提高儲熱系統(tǒng)的儲能密度，但固體材料和相變材料之間的封裝、腐蝕等問題成為制約混凝土相變儲熱大規(guī)模發(fā)展的一個重要因素，因此相變混凝土儲熱目前還停留在實驗室的性能測試階段。為了實現(xiàn)規(guī)模化的混凝土儲熱工程示范，提高混凝土儲熱塊的熱性能，近年來提出了通過在混凝土內添加高導熱率的材料，如鋼纖維、石墨等，提高混凝土的導熱性和耐溫性，成為固體儲熱領域的一個重要研究方向[9-11]。耐高溫混凝土的儲熱特性在中高溫儲熱領域已經(jīng)開展了實驗及數(shù)值研究，研究結果表明，利用混凝土儲熱塊來存儲熱量，可以有效地降低儲熱系統(tǒng)的成本，同時由于混凝土儲熱塊的耐高溫性，可以滿足較寬溫度范圍內的儲熱要求。雖然混凝土儲熱塊在中高溫領域得到了廣泛的研究和示范，但在中低溫領域的應用還相對較少。

本工作通過實驗研究了太陽能采暖系統(tǒng)中混凝土儲熱塊的充放熱特性。通過對大容積混凝土儲熱塊在充放熱過程中流體溫度及混凝土儲熱塊內部溫度的變化，分析混凝土儲熱塊作為儲熱裝置在太陽能采暖系統(tǒng)中的可行性。

1 太陽能采暖系統(tǒng)中混凝土儲熱裝置傳熱機理

混凝土儲熱主要是利用混凝土的顯熱特性，將熱流體的能量存儲到混凝土儲熱塊中，同時利用冷流體將儲熱塊中的熱量進行提取的一種熱量存儲裝置。充熱狀態(tài)下，熱流體通過換熱管，將熱量傳給混凝土儲熱塊；放熱狀態(tài)下，混凝土儲熱塊中的熱量通過換熱管，將熱量傳給冷流體，加熱冷流體達到一定的溫度。其存儲的熱量為

混凝土儲熱塊通過與流體的熱交換，實現(xiàn)了充熱與放熱過程。為了進一步分析混凝土儲熱塊的傳熱特性，定義了混凝土儲熱塊及傳熱流體的傳熱速率，即

混凝土儲熱塊在充放熱過程中，與流體進行熱交換，其充熱效率和放熱效率分別定義如下

充熱效率

放熱效率

式中，K為對流放熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為混凝土與傳熱管之間的傳熱面積，m2；TΔ為混凝土儲熱塊充熱與放熱狀態(tài)下的溫差，K；Q為傳熱量，kJ；m為混凝土儲熱塊或水工質的質量，kg；cp為比熱容，kJ/(kg·K)；t為充放熱時間，s；solid表示混凝土儲熱塊；fluid表示水工質。

2 實驗系統(tǒng)及設備

2.1 混凝土儲熱塊

為了開展混凝土儲熱塊在太陽能采暖系統(tǒng)中傳熱特性的研究，甘肅省建材科研設計院研發(fā)了一種新型的用于太陽能采暖的高性能混凝土。通過在混凝土中添加如鋼纖維、粉煤灰以及石墨等材料來增加混凝土的容重，提高混凝土的導熱系數(shù)以及混凝土在高溫條件下的力學和熱學性能。表1所示為新型混凝土的熱物性參數(shù)，其中密度和比熱容由中國航天科技集團公司五院五一O所進行測試。混凝土的導熱系數(shù)由中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室進行相關測試。從表1中可以看出，由甘肅省建材科研設計院研發(fā)的混凝土導熱系數(shù)為 2.65 W/(m·K)[普通混凝土導熱系數(shù)僅為1W/(m·K)左右]。圖1為在甘肅省永登縣太陽能實驗基地建成的用于太陽能采暖的混凝土儲熱模塊。

表1 混凝土熱物性參數(shù)Table 1 Properties of concrete material

圖1 混凝土儲熱模塊Fig.1 Concrete thermal storage

混凝土儲熱模塊由換熱管束和混凝土儲熱塊組成，如圖 1(a)所示，其中換熱管束主要用于流體的傳輸及熱量傳遞，并埋植于混凝土塊中。而混凝土塊主要用于熱量的存儲。根據(jù)充放熱過程中傳熱流體進出口溫差的要求，整個混凝土儲熱塊的體積為9.26 m3，分別由兩塊1.2 m×0.96 m×4 m的混凝土儲熱塊串聯(lián)縱向疊加組成。為了減小混凝土儲熱塊與外界的熱交換，采用厚度為160 mm的聚苯板對混凝土儲熱塊進行保溫處理，如圖1(b)所示。每塊混凝土儲熱塊內埋置有86根DN=19 mm×1.5 mm的換熱鋼管，換熱鋼管的管間距為 100 mm，呈正三角形排布，混凝土儲熱塊的截面如圖2所示。

2.2 帶儲熱裝置的太陽能采暖系統(tǒng)

為開展混凝土儲熱塊儲熱特性的研究，提高可再生能源的利用率，本工作提出一種利用混凝土儲熱塊和水箱來儲存由太陽能集熱器收集的熱量，同時滿足建筑采暖需求的太陽能采暖系統(tǒng)。圖3所示為帶混凝土儲熱塊的太陽能采暖系統(tǒng)流程圖。

圖2 混凝土儲熱塊截面圖Fig.2 The cross-section of concrete thermal storage

圖3 帶混凝土儲熱塊的太陽能采暖系統(tǒng)Fig.3 The solar heating system with concrete thermal storage

太陽能采暖系統(tǒng)由太陽能集熱器、儲熱水箱、混凝土儲熱塊和采暖末端組成。其中太陽能集熱器為熱管式太陽能集熱器，總面積為 96 m2。太陽能集熱器通過吸收太陽輻照，提供采暖和儲熱所需的熱量。整個系統(tǒng)采用儲熱水箱和混凝土儲熱塊來實現(xiàn)熱量的存儲。從圖3中可以看出，由于系統(tǒng)中加入了混凝土儲熱模塊，整個采暖系統(tǒng)一天的熱量由兩種不同的模式提供：太陽輻照強時，太陽能集熱器為混凝土儲熱模塊充熱和提供建筑采暖所需的熱量；夜間或陰天時，通過混凝土儲熱塊的放熱和水箱內電加熱的方式，提供建筑采暖所需的熱量。由于系統(tǒng)中加入了混凝土儲熱模塊，可以有效延長太陽能的利用時間，滿足24 h建筑采暖需求。

2.3 測試系統(tǒng)

實驗過程中采用精度為±0.5%、最高使用溫度為 80 ℃的體積流量計測量進出口水工質流量。采用54根精度為±0.1 ℃的PT100熱電阻測量水的進出口溫度以及混凝土儲熱塊內部溫度。為了測量混凝土儲熱塊沿徑向和軸向的溫度分布，每塊混凝土儲熱塊沿軸向分布有3個測溫截面，如圖4(a)所示，以測量混凝土儲熱塊內沿流動方向的溫度分布。每個軸向測溫截面內有9個測溫點，如圖4(b)所示，分別測量3個不同軸向上的溫度分布，其中測溫點1、4、7為換熱管管壁溫度（混凝土內最高溫度），測溫點3、6、9為三角形排布的換熱管幾何中心處的溫度（混凝土內最低溫度），測溫點2、5、8為上述測溫點中間位置的溫度。

圖4 混凝土儲熱模塊內溫度測點布局圖Fig.4 The position of thermal resistance

3 結果分析

3.1 混凝土內部溫度計算方法

混凝土儲熱塊的橫截面為1.2 m×0.96 m，混凝土儲熱塊內溫度的測量采用多點測試方法，對內部溫度進行測試。通過對不同位置處溫度的測量，采用數(shù)學平均法來表示每一個截面處的平均溫度，如式(5)所示。

從圖4中可以看出，每塊混凝土儲熱塊的長度均為4000 mm，沿軸向方向設置有3個測溫截面。為了更加準確地得到整個混凝土儲熱塊的平均溫度，單塊混凝土儲熱塊的平均溫度采用加權平均法來計算。由圖4(a)可知，每塊混凝土儲熱塊沿軸向分布有3個測溫截面。在計算每塊混凝土儲熱塊的平均溫度時，以充熱流體的入口端面為基準，以各個測溫截面距離入口端面的距離作為計算加權平權溫度的加權因子。各個截面的加權因子及總的加權數(shù)見表2。每塊混凝土儲熱塊的平均溫度見式(6)。

表2 混凝土儲熱塊各截面加權因子Table 2 Weight factor of concrete average temperature

式中，Ti,aver-con-tem為沿軸向每個截面處的平均溫度，由式(1)計算所得。

3.2 混凝土儲熱塊充熱特性及內部溫度分布

3.2.1 混凝土儲熱塊充熱特性

充熱過程中，采用太陽能集熱器對水箱中的水進行加熱，水箱中的水達到一定溫度后，進入到混凝土儲熱塊中進行充熱實驗。實驗過程中，混凝土儲熱塊充熱時，其水流量為4.3 m3/h，充熱時間為6 h，混凝土儲熱塊在充熱過程中水工質進出口溫度及混凝土儲熱塊內部溫度變化如圖5所示。

圖5 混凝土儲熱塊充熱狀態(tài)下溫度變化Fig.5 The temperature variation with time in charging processing

從圖5可以看出，在6 h的充熱狀態(tài)下，混凝土儲熱塊的溫度從31.5 ℃加熱到65 ℃。水工質的進出口溫差隨著充熱過程的進行，其溫差越來越小，充熱完成時，進出口水工質的傳熱溫差僅為2 ℃左右。其原因在于隨著充熱過程的進行，混凝土儲熱塊的溫度逐漸升高，混凝土儲熱塊的儲熱量減小，導致傳熱工質的出口溫度上升。但在充熱1 h后，傳熱工質的出口溫度均維持在 45 ℃以上。根據(jù)分散式采暖要求可知，儲熱塊中出來的水工質可以用于建筑采暖。

3.2.2 混凝土儲熱塊內部溫度分布

圖6所示為混凝土儲熱塊充熱過程中軸向溫度分布，截面位置如圖4所示，其中每個截面之間的距離均為1 m。從圖中可以看出，在整個充熱過程中，混凝土儲熱塊軸向溫差最高時可以達到11 ℃，充熱結束時，最高溫差仍然有4.5 ℃，截面1和截面3的溫度與入口溫度基本達到一致，說明第一塊混凝土已經(jīng)完成充熱。

圖6 混凝土儲熱塊和水工質溫度分布Fig.6 The temperature distribution of concrete thermal storage and water fluid

3.3 混凝土儲熱塊放熱特性及內部溫度分布

3.3.1 混凝土儲熱塊放熱特性

實驗過程中，對混凝土儲熱塊的放熱特性進行了研究。在放熱之前，采用儲熱水箱中的水對建筑進行采暖，降低儲熱水箱中的水溫，保證進入到混凝土儲熱塊中冷流體的入口溫度。同時，由于混凝土儲熱塊在充熱過程中，兩塊混凝土儲熱塊內部溫度分布不一致，放熱過程采用逆流放熱，即放熱過程中，流體的入口為充熱時流體的出口。圖7為混凝土儲熱塊放熱狀態(tài)下的溫度變化圖。

從圖7可以看出，混凝土儲熱塊在放熱狀態(tài)下，經(jīng)過8 h的放熱，溫度從61.5 ℃下降到46 ℃，而傳熱工質水的出口溫度從放熱初期的 56 ℃下降到45 ℃。傳熱工質的進出口溫差隨著放熱過程的進行逐步縮小，從開始的10 ℃減小到放熱結束后的2 ℃。傳熱工質進出口溫差的減小，一方面是由于在放熱過程中混凝土儲熱塊內部溫度在逐步下降，同時由于從混凝土儲熱塊中出來的水工質進入采暖循環(huán)系統(tǒng)回到儲熱水箱中，進一步降低了水工質在放熱過程中的入口溫度，從而導致傳熱工質的進出口溫差隨著放熱過程的進行不斷下降。但放熱狀態(tài)下的溫度變化表明，利用混凝土儲熱塊存儲的熱量進行放熱，可以實現(xiàn)夜間的建筑采暖。

圖7 混凝土儲熱塊放熱狀態(tài)下的溫度變化Fig.7 The temperature variation with time in discharging processing

3.3.2 混凝土儲熱塊內部溫度分布

圖8為混凝土儲熱塊各截面在放熱過程中的軸向溫度變化情況。

圖8 混凝土儲熱塊和水工質溫度分布Fig.8 The temperature distribution of concrete thermal storage and water fluid

從圖8可以看出，在整個放熱過程中，混凝土各截面的軸向平均溫度以及傳熱流體的出口溫度基本都是線性變化的。放熱結束時，截面1的溫度比截面3、4要低，其原因在于實驗過程中，兩塊混凝土儲熱塊縱向疊加在一起，混凝土儲熱塊在徑向存在一定的溫差，截面1的平均溫度明顯高于截面6。在放熱過程中，流體從截面6的端部進入混凝土儲熱塊中，并與混凝土儲熱塊進行放熱，溫度下降趨勢明顯，加速了截面 1通過徑向與截面 6的放熱速率。

3.4 混凝土儲熱塊充放熱效率

為了進一步分析混凝土儲熱塊的熱性能，對混凝土儲熱塊在太陽能采暖系統(tǒng)中的充放熱效率進行了分析。表3為太陽能采暖系統(tǒng)儲熱裝置各階段的熱量分配表。太陽能采暖系統(tǒng)的儲熱裝置是采取混凝土充熱、儲熱水箱放熱、混凝土放熱的模式來進行熱量的存儲及釋放，以確保最大限度地增大混凝土儲熱塊與傳熱工質的進出口溫差，同時有效延長太陽能采暖時間，提高太陽能的利用率。

表3 太陽能采暖系統(tǒng)充放熱過程熱量分配Table 3 The heat of solar heating system

從表3可以看出，混凝土儲熱塊的充熱效率為94%，而放熱效率為81%。經(jīng)過8 h的放熱后，混凝土儲熱塊的溫度達到47 ℃左右。同時從表3可以看出，采用儲熱水箱和混凝土儲熱塊來存儲太陽能集熱器提供的熱量，可以實現(xiàn)15 h的建筑采暖，從而滿足21 h的太陽能采暖需求，有效地降低了輔助能源的利用率。

4 結 論

本工作通過實驗驗證了混凝土儲熱塊在太陽能采暖系統(tǒng)中的充放熱特性。研究結果表明，可以將混凝土儲熱塊用于太陽能建筑采暖系統(tǒng)中作為儲熱裝置，來提高可再生能源的利用率。

（1）充熱過程中，水工質的進出口平均溫差達到 10 ℃；放熱過程中，水工質的進出口平均溫差為2 ℃。

（2）對1.2 m×1.92 m×4 m的混凝土儲熱塊進行6 h充熱，使混凝土儲熱塊的溫度達到65 ℃以上。經(jīng)過8 h的放熱，水工質的出口溫度維持在45℃左右，在夜間太陽能不足的條件下，可以滿足建筑采暖的需求。

（3）由于混凝土儲熱塊為固體儲熱，其內部導熱系數(shù)相對較小。實驗結果表明：混凝土儲熱塊的充熱效率比放熱效率高。

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