光熱相變儲(chǔ)能加熱系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化

摘要II第一章緒論1.1課題背景人類采暖歷史悠久，從幾萬年前的磚木取火，到了后來又有了壁爐、火墻、火炕等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人們?cè)跐M足對(duì)舒適性的要求外還要考慮我國現(xiàn)階段的環(huán)保和節(jié)能的要求。所以將一些新興材料運(yùn)用與建筑采暖成為一個(gè)越來越火熱的話題。目前我國北方的采暖主要消耗一些常規(guī)能源，但是這些常規(guī)能源的儲(chǔ)量以及對(duì)環(huán)境的污染情況日趨嚴(yán)峻。能源的可持續(xù)供應(yīng)面臨巨大的壓力，且大量的化石燃料的燃燒使得環(huán)境污染問題成為一個(gè)越來越嚴(yán)重的問題。能源的緊張是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的一個(gè)不利因素。在我國的能源消耗中建筑物的消耗越來越大，已經(jīng)達(dá)到三分之一[1]。其中一半為建筑物的采暖消耗，是建筑物耗能的最主要的部分，這部分是現(xiàn)在急需去解決的問題[2]。因此利用太陽能相變儲(chǔ)熱采暖系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)對(duì)我國節(jié)能工程的發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)具有極為重要的意義。1.2研究?jī)?nèi)容本課題研究某地區(qū)采暖系統(tǒng)中使用相變材料后的的采暖情況，主要做對(duì)比研究，通過比較傳統(tǒng)采暖方式和利用太陽能相變材料采暖系統(tǒng)的耗能情況。以及對(duì)太陽能相變采暖系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析。本設(shè)計(jì)要結(jié)合相關(guān)規(guī)范，對(duì)集熱器、儲(chǔ)熱器及末端裝置等進(jìn)行選取。意在掌握結(jié)合太陽能和相變材料之后的采暖系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化。1.3研究意義我國國土面積大，且在北方大多地區(qū)對(duì)供暖的需求，這使得我國的供暖規(guī)模在全球中來看都是較大的。我國的供暖消耗指標(biāo)較發(fā)達(dá)國家的消耗要高出幾倍。這對(duì)我國能源緊張問題來說無疑是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。而現(xiàn)在人們對(duì)于采暖的要求也不僅僅是在常規(guī)的采暖方面，同時(shí)也會(huì)考慮節(jié)能和環(huán)保的要求。很顯熱供暖耗能高已經(jīng)成為我國發(fā)展中的一個(gè)越來越嚴(yán)重的問題。所以在采暖系統(tǒng)中利用太陽能和相變材料技術(shù)可以有效減少能源的消耗，同時(shí)滿足人們對(duì)舒適性的要求。這都具有重大意義。同時(shí)通過本次設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步熟悉相關(guān)的專業(yè)知識(shí)、了解相關(guān)規(guī)范，做好有關(guān)專業(yè)知識(shí)的銜接，為以后的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.4相變貯能研究的歷史與現(xiàn)狀人們對(duì)于相變材料的使用從古代就有使用，我們生活中最常見的相變材料就是冰。在古代皇室，人們常在冬季將湖面上所形成的冰塊儲(chǔ)存在冰窖里，然后再夏季的時(shí)候?qū)⒈牙锏谋鶋K拿出放在室內(nèi)，通過其融化的過程吸收熱量使得室內(nèi)溫度再一個(gè)舒適的范圍，冰塊到水的這一過程即為最早人們運(yùn)用相變材料的例子。相變貯能在日常生活中的應(yīng)用也可以追溯到很久以前。早在上個(gè)世紀(jì)人們就將相變材料運(yùn)用于服飾，使其能夠再夏季的時(shí)候穿上更加涼快。本世紀(jì)60年代，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，相變材料又運(yùn)用于了航天方面，再航天飛行器返回地球的時(shí)候，由于航天飛行器在回到地球的時(shí)候速度較高，這使得航天飛行器與空氣的摩擦較大，使得接觸面的溫度較高，這對(duì)接觸面的要求就較高。所選區(qū)的材料必須要能在短時(shí)間內(nèi)將大量的熱量排放出去，而相變材料可以通過其相的變化間大量的熱量在很短的時(shí)間吸收，所以相變材料在航天方面運(yùn)用也非常廣泛。盡管PCMs在特殊的加熱和冷卻裝置中有應(yīng)用，但是隨著我國建筑行業(yè)的發(fā)展，人們?cè)诳紤]將相變材料運(yùn)用于建筑物，其主要形式是結(jié)合太陽能技術(shù)一起運(yùn)用于建筑物采暖。在相變材料采暖的研究比較先進(jìn)的是美國，很多學(xué)者著重在相變材料方面開展了許多研究。同時(shí)也有許多學(xué)者在研究相變材料的性能、相平衡、結(jié)晶、相變材料的裝配以及儲(chǔ)熱器的設(shè)計(jì)等方面。我國在相變材料儲(chǔ)能方面的研究還處于初級(jí)階段?，F(xiàn)階段某些研究學(xué)者著重在研究相變材料的熱傳導(dǎo)性能，以及一些相變材料在不同的形狀下的熱物性，同時(shí)有些學(xué)者也在考慮能否將相變材料運(yùn)用于我們的日常生活中。雖然我國在相變材料方面的起步要晚于一些發(fā)達(dá)國家，但是我國對(duì)于該領(lǐng)域的研究還是比較重視的[3][4]。我國是個(gè)耗能大國，同時(shí)我國的電能產(chǎn)量也位居世界前列，而居民對(duì)于電能的需求會(huì)因?yàn)闀r(shí)間段的不同而出現(xiàn)不同。通常情況下在白天對(duì)電能的需求量大，而在夜晚的需求量小。所以我國就推出了峰谷電價(jià)的政策，去鼓勵(lì)居民在夜間使用電能。這個(gè)政策使得相變材料運(yùn)用于建筑物儲(chǔ)能方面得以火熱。我們可以將夜晚的電能以熱量的形式儲(chǔ)存在相變材料中，在用電高峰期的時(shí)候?qū)⑾嘧儾牧现械臒崃吭籴尫懦鰜?，這樣可以節(jié)約用戶的費(fèi)用。由于相變材料可以吸收和釋放潛熱，所以在儲(chǔ)能方面的性能要好。同時(shí)將相變材料摻混再建筑物材料中提高建筑物的保暖性能也是一個(gè)較為火熱的方向。1.5太陽能和相變材料應(yīng)用于采暖的前景現(xiàn)在人們對(duì)于采暖的要求越來越高，以前或許主要做到在冬天不冷即可，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于采暖的要求不僅要做到在冬季御寒，還要維持室內(nèi)溫度在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，這樣可以就不會(huì)因?yàn)槭覂?nèi)溫度的波動(dòng)而使人感到不適。由于相變材料能通過自身相變釋放或吸收潛熱以使得自身溫度和環(huán)境溫度在一個(gè)恒定的狀態(tài)。將相變材料應(yīng)用于采暖多采用固-液相變材料，像常應(yīng)用于建筑物采暖的相變材料共晶硫酸鈉、CaCl2.·6H20等因其具有良好的熱物性能，合適的導(dǎo)熱導(dǎo)熱性能等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的引用。在建筑物采暖中應(yīng)用相變材料最開始是為了利用峰谷電價(jià)的政策，將高電價(jià)時(shí)期的電能以熱能的方式儲(chǔ)存在相變材料中，在用電價(jià)格高的時(shí)候在將熱量釋放出來，這樣可以減小用戶的采暖以及生活的投入，而在應(yīng)用相變材料的采暖系統(tǒng)中加入太陽能技術(shù)可以更好節(jié)約能源。由于太陽能存在一個(gè)非常鮮明的特點(diǎn)，就是太陽能會(huì)因?yàn)闀r(shí)間不同會(huì)時(shí)有時(shí)無，并且因?yàn)榈貐^(qū)不同太陽能的強(qiáng)度也會(huì)不同，在太陽能輻照強(qiáng)的時(shí)候?qū)⑻柲苤苯哟鎯?chǔ)在相變材料中，在太陽能輻照充足的地區(qū)可直接將太陽能用于供暖。當(dāng)太陽能不足時(shí)足，這時(shí)就需要其他的輔助熱源一同聯(lián)合供暖。在利用太陽能相變材料供暖系統(tǒng)中，主要應(yīng)該做到多能互補(bǔ)的要求，太陽能和其他常規(guī)能源要在不同時(shí)段做到互補(bǔ)，而相變材料是將太陽能轉(zhuǎn)化為室內(nèi)環(huán)境溫度的一種介質(zhì)。此系統(tǒng)將不僅能夠滿足室內(nèi)采暖環(huán)境的要求，還能達(dá)到節(jié)能減排的目的。第二章相變材料的選擇第二章相變材料的選擇2.1本設(shè)計(jì)相變材料的選擇相變材料在整個(gè)系統(tǒng)中主要起到儲(chǔ)熱的作用，將太陽能充足時(shí)的太陽能儲(chǔ)存起來供給太陽能不充足時(shí)的熱量需求。由于相變材料多種多樣，而要將相變材料應(yīng)用于建筑采暖又有些一些特殊的要求。2.1.1貯熱相變材料的選擇原則作為貯熱（冷）的相變材料。他們應(yīng)該滿足的條件是：（1）合適的相變溫度；（2）較大的相變潛熱；（3）合適的導(dǎo)熱性能（導(dǎo)熱系數(shù)一般不宜過大）；（4）在相變過程中化學(xué)成分不發(fā)生改變；（5）相變過程要可逆，不發(fā)生過冷現(xiàn)象；（6）無毒，對(duì)人體無腐蝕；（7）不與裝相變材料的容器發(fā)生反應(yīng)；（8）不易燃；（9）較快的結(jié)晶速度和晶體生長(zhǎng)速度；（10）低蒸汽壓；（11）體積膨脹率較??；（12）密度較大；（13）原料易購、價(jià)格便宜[5][6]。2.1.2相變材料的選擇根據(jù)相變材料的分類，在建筑采暖中應(yīng)用相變材料應(yīng)該采用低溫相變材料，選用固、液型相變材料。結(jié)合選擇原則以及工作環(huán)境后決定選擇的材料為以石蠟為相變材料，低密度聚乙烯(LDPE)為支撐材料，有機(jī)蒙脫土(OMMT)為載體材料，石墨為填料，采用加熱共熔法制備石蠟/LDPE/OMMT/石墨復(fù)合相變儲(chǔ)能材料。該相變材料石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，OMMT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，石蠟包覆良好，相變溫度為57.45℃，相變潛熱為92.95J/g。該復(fù)合相變材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、密封性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性好和導(dǎo)熱率高，應(yīng)用前景廣闊。該石蠟/LDPE/OMMT/石墨復(fù)合相變儲(chǔ)能材料不僅改善了導(dǎo)熱性差的缺陷，還克服了石蠟在儲(chǔ)能應(yīng)用時(shí)的液態(tài)流動(dòng)、相分離及腐蝕性等問題，且熱性能良好，成本較低，可應(yīng)用于太陽能的熱利用領(lǐng)域。此種相變材料的不同石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)儲(chǔ)熱性能、不同OMMT質(zhì)量分?jǐn)?shù)的儲(chǔ)熱性能以及符合材料的導(dǎo)熱系數(shù)如下表2-1、表2-2、表2-3[7][8][9]。表2-1不同石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合相變材料的儲(chǔ)能性能石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）相變溫度（℃）ΔH(計(jì)算）/（J/g）ΔH（實(shí)測(cè)）/（J/g）偏差（%）3062.156.0755.041.84060.2374.7673.541.65061.7893.4592.251.36059.57112.14114.31-1.97061.33130.83133.71-2.210059.81186.9186.90表2-2不同OMMT質(zhì)量分?jǐn)?shù)復(fù)合相變材料的儲(chǔ)能性能OMMT質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）相變溫度（℃）相變潛熱（J/g）061.7892.251057.4689.711557.4592.252056.6787.962556.3985.1表2-3：符合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）λ/（W·m-1·K-1）λ提高比例（%）00.65-32.6230343.0837453.11378第三章太陽能集熱器的設(shè)計(jì)第三章太陽能集熱器的設(shè)計(jì)3.1低溫型太陽能液體工質(zhì)集熱器對(duì)于此種集熱器由于其有許多優(yōu)點(diǎn)所以應(yīng)用最為普遍，根據(jù)其形式的不同可以大致分為兩類：平板型太陽能集熱器和真空管型太陽能集熱器；對(duì)于本課題選擇平板型集熱器3.2太陽能集熱器的性能參數(shù)太陽能集熱器的性能參數(shù)主要包括：熱性能、光學(xué)性能和力學(xué)性能，分別表征太陽能集熱器并將其轉(zhuǎn)換為有用熱量的能力，以及集熱器的承壓能力、安全性和耐久性。3.2.1太陽能集熱器的熱性能在穩(wěn)定條件下太陽能集熱器的基本能量方程，作為集熱器進(jìn)出口溫度ti和集熱器總面積AG的函數(shù)，可以用下列關(guān)系式加以描述：(3-1)——太陽能集熱器獲得的有用功率，W;——太陽能集熱器總面積，m2——太陽能集熱器熱轉(zhuǎn)移因子，無量綱；——有效投射吸收積，無量綱；——總太陽能輻射，W/m2；——具有均勻吸熱體溫度tm的太陽能集熱器總熱損系數(shù)，W/（m2·℃）；ti——太陽能集熱器工質(zhì)進(jìn)口溫度，℃；ta——環(huán)境或周圍空氣溫度，℃?！袛嗵柲芗療崞鳠嵝阅苁欠窈细竦闹笜?biāo)有兩個(gè)，基于采光面積的穩(wěn)態(tài)、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)效率截距η0和總熱損失系數(shù)U。（1）穩(wěn)態(tài)，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)效率截距η0瞬時(shí)效率截距是在歸一化溫差Ti為零時(shí)的瞬時(shí)效率值，該值是集熱器可以獲得的最大效率，反映了該集熱器在基本無熱損失情況下的效率。液體工質(zhì)平板型太陽能集熱器的瞬時(shí)效率截距η0應(yīng)不低于0.72.平板型太陽能空氣集熱器的瞬時(shí)效率截距η0應(yīng)不低于0.6。（2）總熱損失U太陽能集熱器的總熱損失系數(shù)反應(yīng)了集熱器熱損失的大小，總熱損失系數(shù)大，集熱器產(chǎn)生的熱損失大，則集熱器的熱損失小。所以，總熱損失系數(shù)小，集熱器的熱性能越好。液體工質(zhì)平板型太陽能集熱器的總熱損失系數(shù)U應(yīng)不大于6.0W/（m2·K）。平板型太陽能空氣集熱器的總熱損失系數(shù)U應(yīng)該不大于9.0W/（m2·K）。真空管太陽能空氣集熱器的總熱損失系數(shù)U應(yīng)該不大于3.0W/（m2·K）[11]。3.2.2太陽能集熱器的光學(xué)性能太陽能集熱器的光學(xué)性能主要是太陽透射比τ，以及集熱器吸熱體涂層的太陽吸收比ɑ和半球發(fā)射比ε。1.太陽透射比τ太陽透射比是指面元投射的與人射的太陽輻射通量之比。玻璃管太陽透射比τ≥0.892.太陽吸收比ɑ吸收比可用于單一波長(zhǎng)和一定波長(zhǎng)范圍太陽吸收比是指面元吸收的與人射的太陽輻射通量之比。對(duì)于平板型太陽能集熱器涂層的太陽能吸收比不應(yīng)低于0.92對(duì)于太陽能空氣集熱器吸熱體涂層的太陽吸收比應(yīng)該不低于0.863.半球發(fā)射比ε發(fā)射比可用于單一波長(zhǎng)或一定波長(zhǎng)范圍，全玻璃真空太陽集熱管選擇性吸收涂層的半球發(fā)射比≤0.08[12]。3.2.3太陽能集熱器的力學(xué)性能1.耐壓對(duì)于太陽能集熱器本身需要有一定的抗壓能力，同時(shí)應(yīng)該滿足系統(tǒng)正常工作時(shí)產(chǎn)生的工作壓力。承壓系統(tǒng)的工作壓力范圍是0.3到1.0MP。全玻璃真空太陽集熱管內(nèi)能承受0.6MP的壓力。2.耐久性對(duì)于工程中的大多數(shù)太陽能集熱器需要其使用壽命在15年左右[13]。3.3太陽能集熱器的選型要求太陽能熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最重要內(nèi)容是進(jìn)行太陽能集熱器的選型和計(jì)算，確定系統(tǒng)所需的集熱器使用面積3.3.1太陽能集熱器的面積分類和計(jì)算1.集熱器面積主要是集熱器的總面積、采光面積以及吸熱體的面積其中總面積是整個(gè)集熱器的最大投影面積，這部分面積不包括連接和固定的部分；采光面積是太陽能輻射進(jìn)入集熱器的最大投影面積；吸熱體面積是吸熱體的最大投影面積2.計(jì)算方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要用到的面積是總面積和采光面積；總面積用于衡量建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如屋面是否有足夠的安裝面積；而采光面積用于衡量集熱器的熱性能是否合格。（1）太陽能集熱器總面積太陽能集熱器總面積AG的計(jì)算公式如下：AG=L1×W1其中：L1：最大長(zhǎng)度（不包括固定支架和連接管道）W1：最大寬度（不包括固定支架和連接管道）（2）太陽能集熱器采光面積平板型太陽能集熱器Aa=L2×W2式中L2:采光口長(zhǎng)度W2:采光口寬度無反射器的真空管型集熱器Aa=L2×d×N式中L2：真空管未被遮擋的平行和透明的長(zhǎng)度d:罩玻璃管外徑N:真空管數(shù)量3.4基于不同面積的太陽能集熱器效率太陽能集熱器基于采光面積和總面積的效率是不同的，其所對(duì)應(yīng)的通過集熱器可獲得的有用熱量也會(huì)不同；基于采光面積的效率和有用熱量會(huì)大于基于總面積的效率和有用熱量。由于兩種常見的太陽能集熱器在結(jié)構(gòu)上有很大的不同，所以兩者在傳熱效率上有很大的差，如下圖達(dá)到熱性能合格線產(chǎn)品基于不同面積的效率曲線，可知采用平板型集熱器基于總面積和采光面積效率的差別較小，原因是其邊框面積很少（邊框不可收集太陽能），所以對(duì)于總面積和采光面積的大小差別較??；而真空管型集熱器因?yàn)橛休^多的管間距，造成總面積和采光面積的大小差別較大，所以基于總面積和采光面積的差別較大，歸一化溫差圖如下圖3-1圖3-1：歸一化溫差圖從圖中可以看出：平板型和真空管型集熱器的優(yōu)劣產(chǎn)品，其基于總面積的效率曲線在歸一化溫差約等于0.052時(shí)相交，此時(shí)平板和真空管型集熱器的效率相等，約為47%。而對(duì)合格產(chǎn)品，此時(shí)平板型集熱器的效率約為38%，真空管型集熱器的效率約為32%。所以，為保證系統(tǒng)能夠達(dá)到較高的節(jié)能效益，在進(jìn)行集熱器的選型設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)實(shí)測(cè)出的瞬時(shí)效率曲線和方程。第四章相變貯能裝置的設(shè)計(jì)第四章相變貯能裝置的設(shè)計(jì)4.1引言PCM貯能裝置的設(shè)計(jì)所要考慮的主要因素有：1.整個(gè)裝置適用的工作范圍；2.PCM不同狀態(tài)的相變溫度；3.PCM的潛熱；4.貯能裝置的熱負(fù)荷；5.貯能裝置的配置。應(yīng)保證裝置在不同的狀態(tài)下能有最好的性能。其他一些重要但通常不太嚴(yán)格的設(shè)計(jì)因素是貯能裝置的壓降和泵功。PCM和冷卻劑的所有熱輸運(yùn)和熱力學(xué)性質(zhì)也必須已知。它們包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度和粘度等。貯能裝置的熱損要采用隔熱予以降低，對(duì)隔熱材料類型和厚度要適當(dāng)選取以使熱損降低到可忽略程度。在整個(gè)儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)選取的相變材料的密度和潛熱較大時(shí)裝置時(shí)，整個(gè)裝置的體積將會(huì)大大減小，但是體積的減小也不應(yīng)該過多。因?yàn)闇p小過多會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的壓降和所需要的泵功。所以在體積、壓降和泵功需要做一個(gè)整體的考慮。一般來講，貯能裝置中流速的增加將會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的傳熱速率、壓降以及所需的泵功。同時(shí)也必須記住，裝置中的壓降過小也會(huì)照成流動(dòng)的不均和裝置效率的降低。所以整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)需要各個(gè)方面去考量。4.2相變貯能裝置容量設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則對(duì)于貯能裝置的大小的確定，需要考慮提供熱量的要求、所選的相變貯能材料的數(shù)量和類型以及滿足隔熱要求等所需選擇的隔熱情況有關(guān)。另外，對(duì)于太陽能應(yīng)用，還要考慮貯能材料的質(zhì)量與集熱器面積之比以及經(jīng)濟(jì)因素等。常采用的方法是近似法和某些經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則。不管是最終的設(shè)計(jì)計(jì)算還是初步的估計(jì)，近似方法一般都能得到較好的結(jié)果而且使用方便、快速。也有一些較復(fù)雜的計(jì)算方法，本論文不詳細(xì)敘述。主要介紹近似方法，其簡(jiǎn)便實(shí)用，結(jié)果也可行。對(duì)太陽能住宅取暖和家用熱水系統(tǒng)詳細(xì)的計(jì)算機(jī)模擬顯示：在一定容量以上，單位集熱器面積貯存能量的進(jìn)一步增加對(duì)系統(tǒng)年熱性能的改進(jìn)沒有多大影響，一般在4400KJ/m2-6600KJ/m2為好。因而確定PCM貯能裝置大小的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則可通過對(duì)選取的顯熱貯能準(zhǔn)則加以改進(jìn)得到：（4-1）（4-2）其中：為裝置單位質(zhì)量PCM的焓變(KJ/Kg),cpl為液態(tài)比熱（J/Kg℃），isl為PCM的等效熔融潛熱（KJ/Kg),cp為固體比熱（J/Kg℃）。T0為PCM的初溫，T*為PCM等效的熔融/凝固溫度。Tmin為PCM被冷卻的最低溫，ms、As分別為PCM的質(zhì)量以及集熱面積。對(duì)于在給定的一段時(shí)間里提供量的太陽能取暖和家用熱水裝置，考慮到貯存損失，其貯能裝置的容積可由下列用于潛熱貯能的方程計(jì)算：（4-3）其中UA為設(shè)備的熱負(fù)荷因子（KJ/℃day）；WiCpi為設(shè)備熱容量日常滲透率（KJ/℃day）；（UA)s為貯能裝置損失熱負(fù)荷因子（KJ/℃day）；f為貯能裝置提供能量的月數(shù)，θ是月平均加熱度天數(shù)。Qw為貯能裝置提供的總熱水負(fù)荷（KJ)，ε是貯能裝置的空隙率（液體系統(tǒng)ε=0，堆積床ε=0.3-0.4，PCM裝置ε=0.2-0.4）。貯能裝置設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要考慮就是為減少熱損而對(duì)貯能容器的隔熱處理。HUD標(biāo)準(zhǔn)要求24小時(shí)熱損失不大于總貯熱量的10%。SMACNA標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，要求在12小時(shí)之內(nèi)不大于2%.設(shè)在一段時(shí)間t*內(nèi)，熱損與總貯熱量的比例f恒小于1，環(huán)境溫度我Ta，則熱損總傳熱系數(shù)的最大值可由下式計(jì)算（4-4）它也由顯然系統(tǒng)公式改進(jìn)而來。4.3相變材料的封裝4.3.1封裝材料的選擇對(duì)于相變材料的封裝需要考慮以下幾點(diǎn)：封裝容器與相變材料不發(fā)生反應(yīng)，即化學(xué)成分不發(fā)生改變、容器要有良好的傳熱性能、方便加工、密封性好等。對(duì)于相變材料的密封于裝配有很多種形式，具體采用的形式還是要根據(jù)具體情況來看，但是有些規(guī)定的要求需要盡量滿足，這些要求大致如下[14][15]：（1）容器的物理性能：強(qiáng)度柔韌性熱穩(wěn)定性密封性耐久性傳熱性能（1）容器-相變材料的相容性：無腐蝕容器材料和相變材料不相互滲透無化學(xué)反應(yīng)（2）經(jīng)濟(jì)性：封裝成本較低實(shí)際生活中這樣的裝相變材料的容器是無法獲得的，但是我們往往要先滿足一些主要的性能即可，盡可能多的滿足其性能。1.相容性和穩(wěn)定性相變材料于容器材料不發(fā)生反應(yīng)是相當(dāng)重要的。若相變材料于與容器材料發(fā)生反應(yīng)，容器就會(huì)因?yàn)榉磻?yīng)造成破壞，最終影響整體的安全運(yùn)行。（1）對(duì)于金屬的相變材料容器：在相變材料的容器金屬材料無疑是最重要的材料，但是金屬材料有容易氧化的缺點(diǎn)。而在相變材料貯熱系統(tǒng)中會(huì)有一些鹽類會(huì)加劇封裝材料的氧化過程。國外一些學(xué)者測(cè)試了LiClO3·3H2O,Mg(N03）2·6H2O,CH3C00Na·3H2O及Ca（NO3)2·4H2O和Mg（NO3)2·6H2O的共晶鹽與柔鋼的相容性，實(shí)驗(yàn)溫度分別20℃（對(duì)第一種），140℃（對(duì)第二種）和60℃（對(duì)后兩種情況）。在所有的情況下，腐蝕速率開始時(shí)小于0.1g/m2·day，然后降至0.05g/m2·day。鑒于所采用的硝酸鹽的氧化特性，可認(rèn)為其腐蝕速率是很低的。外國學(xué)者測(cè)試了一些PCMs-金屬工作對(duì)的相容性，如下表4-1，表4-2相變材料溫度(℃）腐蝕速率（g/m2·day）SeamedcanDrawncanCaCl2·H2O500.0060.005Mg（NO3)2·6H2O1000.0150.047Mg（NO3)2·6H2O/NH4NO3700.0450.032Stearicacid750.10.07Nahthalene/benzoicacid900.060.55NH4Br/urea90—1.96表4-1幾種PCMs與aerosolcan的相容性表4-2腐蝕測(cè)試結(jié)果相變材料鋁鋁合金（AlMg3）銅不銹鋼柔鋼99.91.43011.033Na2S2O3·5H2O＋＋-＋＋Na2HPO4·12H2O＋＋＋CaCl2·6H2O--＋＋＋LoxiolG32＋＋＋Lauricacid（月桂酸）＋＋＋符號(hào)解釋：＋抗腐蝕（腐蝕速率≤0.1mm/a）；-不抗腐蝕（腐蝕速率≤25-30mm/a)（2）塑料：塑料雖然不像金屬那樣出現(xiàn)腐蝕的問題，都是會(huì)出現(xiàn)一些其他一些較為嚴(yán)重的問題。比如塑料容易變形、變軟、變脆以及膨脹等問題。下面對(duì)這二種降性分別進(jìn)行討論。1）軟化和膨脹：密度較高的材料因?yàn)樽陨斫Y(jié)構(gòu)的原因可以阻止相變材料分子的自由擴(kuò)散。但是一般塑料就沒有這樣的好處。從分子結(jié)構(gòu)上來說，塑料結(jié)構(gòu)疏松，因此，一些小分子會(huì)以擴(kuò)散方式通過。通常，塑料的相對(duì)滲透率可以從下述方面判斷：①濕蒸汽透過率；②稱量其浸于水后的質(zhì)量增加。2）脆化：通常情況下造成塑料的材料多種多樣。在脆性塑料中加入塑化劑可改塑料的脆性，提高韌性。由于塑化劑的游離，塑料會(huì)重新變脆，塑料長(zhǎng)時(shí)間暴露在陽光下會(huì)變脆就是這個(gè)原因。因此，商用PCM往往采用不需加塑化劑韌性就較好的塑料，即使如此，它們長(zhǎng)時(shí)間暴露于紫外線輻射下也會(huì)由于聚合物鏈之間氧化粘連而脆化。防氧化劑可有效減輕塑料的脆化。2.容器的物理性能1）強(qiáng)度及耐溫：由于相變材料貯熱系統(tǒng)一般工作在溫度較高的環(huán)境，所以為了不使系統(tǒng)的形狀、性能以及密封性不發(fā)生變化，整個(gè)系統(tǒng)要有一點(diǎn)的強(qiáng)度。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)還需要有耐溫的性能，保證其一定的使用壽命。同時(shí)相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)還會(huì)因?yàn)橄嘧儾牧显诠ぷ鲿r(shí)的體積變化要綜合的考慮。。下表4-3列出了一些相變材料相變過程的體積變化，表4-4列出了一些容器材料的耐溫極限。相變材料體積變化率（%）密度（g/cm3）無機(jī)物固液Ba（OH）2·8H2O6.42.071.932Zn(NO3)2·6H2O5.61.9371.828CaBr2·6H2010.82.1941.956CaCl2·6H2013.31.8021.562Na2CO3·10H2O8.71.4771.349NaHPO4·12H2O6.3有機(jī)物Caprylicacid8.20.9810.901Capricacid12.51.0040.878Lauricacid13.51.0070.871Myristicacid130.990.861Palmiticacid14.10.9890.85Stearicacid12.10.9650.848Paraffinwax13.80.9160.79表4-3：一些相變材料相變過程中的體積變化率表4-4：一些容器材料的耐溫材料軟化溫度（℃）聚乙烯127聚丙烯148Plexiglas55130聚氯乙烯130工程塑料1022)柔韌性:在相變材料貯熱系統(tǒng)整個(gè)工作過程中，系統(tǒng)會(huì)由于溫度的變化會(huì)出現(xiàn)明顯的體積變化。則會(huì)在密封容器中造成壓力差。低密度聚乙烯柔韌性比高密度聚乙烯好，但防水性比后者差；聚丙烯的柔韌性、防水性與低密度聚乙烯類似。3）容器材料的傳質(zhì)阻抗：選擇的裝相變材料的容器應(yīng)能良好地阻止容器內(nèi)、外材料間的由擴(kuò)散引起的傳質(zhì)。表4-5列出了根據(jù)濕蒸汽阻抗性能估計(jì)的容器材料的壽命及推薦壁厚。表4-5：容器材料的估計(jì)壽命及所需壁厚容器材料估計(jì)壽命（年）所需厚度（mm）醋酸纖維0.864乙基纖維1.630FEP氟塑料202.5聚氯乙烯2.420尼龍-60.5102尼龍-12225聚碳塑料0.769聚酯塑料85.1低密度乙烯85.1高密度乙烯271.8EVA413聚酰胺1.533有機(jī)玻璃2.718聚丙烯125.14.3.2相變材料的封裝形式對(duì)于相變材料的封裝形式重要包括兩大類：具有內(nèi)部換熱器的集總封裝、宏封裝和微封裝。集總封裝：具有內(nèi)部換熱器的集總封裝指相變材料裝在一個(gè)大的容器中，容器內(nèi)通過傳熱液體對(duì)相變材料進(jìn)行充、放熱（冷)。該種系統(tǒng)又分為非直接接觸式和直接接觸式兩種。如下圖4-1和圖4-2。圖4-1：非直接接觸式對(duì)非直接接觸式，其面臨的主要問題是怎樣改善相變材料與傳熱流體間的換熱，因?yàn)樵谙到y(tǒng)放熱過程中，換熱器外壁不斷增加厚度的固態(tài)相變材料使其與傳熱流體間的換熱熱阻不斷增大。為改善直接接觸式的相變材料與傳熱流體間的換熱，研究者們提出了直接接觸式貯熱、冷系統(tǒng)，如下圖。該類系統(tǒng)中的相變材料須與傳熱液體不相溶，即相變材料雖然與傳熱液體接觸，但物理、化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生變化(如石蠟和水）圖4-2：直接接觸式4.4分布式PCM貯能床的設(shè)計(jì)PCM貯能床的設(shè)計(jì)方法目前還在發(fā)展階段，正在建造和運(yùn)行的這類分布式貯能床還很少。正因?yàn)槿绱?，從以知的顯熱式貯能床的性能和對(duì)PCM床的分析建模及計(jì)算模擬中建立某種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是水分必要的。一般來說，PCM床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)是床內(nèi)的粒子類型、平均尺寸、形狀、空隙率以及PCM與流體的熱和輸運(yùn)性質(zhì)、床總體尺寸、流動(dòng)速率和流體的進(jìn)口溫度。流體應(yīng)盡可能豎直流過堆積床。充熱的時(shí)候要向下流，這樣床頂部的相變材料的流體就處在較高的溫度。這種運(yùn)行方式能保持充、放熱之間滯留期的穩(wěn)定和放熱能迅速。但堆積床能最好避免水平流動(dòng)或任何一種螺旋流動(dòng)以及有障礙的流動(dòng)。否則流到有PCM沉降空隙形成的支路中去的危險(xiǎn)是很大的。如果流動(dòng)的路徑太復(fù)雜太長(zhǎng)，壓降和泵功都要增加。若豎直流動(dòng)不可能或不太方便，那么水平流過含PCM的豎直圓管也可考慮4.4.1貯能粒子類型、大小和形狀的選擇應(yīng)將PCM貯熱粒子包在光滑、堅(jiān)硬、不透水的表面內(nèi)。材料的形狀和大小一般應(yīng)符合ASTMC33“填充料標(biāo)準(zhǔn)”。多孔表面的封裝材料不能使用。表面大而平或不規(guī)則的材料也要避免使用，以防止床內(nèi)有過大的、不均勻的空隙或固化結(jié)塊。在加熱和冷卻循環(huán)過程中，床將膨脹和收縮，這會(huì)在PCM中產(chǎn)生應(yīng)力和床的壓降。PCM粒子以直徑范圍在0.64cm-1.91cm之間的貯能效率最高，生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性最好。這些尺寸為從床用非均勻PCM粒子中所取的代表性樣品的等效平均球徑。即（4-5）其中是n個(gè)粒子樣品的總體積。4.4.2堆積床傳熱系數(shù)的計(jì)算1.堆積床傳熱研究的進(jìn)展國外學(xué)者對(duì)隨機(jī)堆積的球床給出了在相當(dāng)寬的雷諾數(shù)范圍都適用的關(guān)系：（4-6）該關(guān)系對(duì)Pr數(shù)為0.7時(shí)的情況被包括在圖中，對(duì)于雷諾數(shù)范圍從10-1000，它同其他被引用的關(guān)系都吻合得很好，因而被推薦為隨機(jī)堆積球床情況下的設(shè)計(jì)計(jì)算下限。2.PCM管束穿的傳熱系數(shù)對(duì)于PCM被封在圓柱管內(nèi)的貯熱引用，必須考慮適用于流動(dòng)垂直于管束情況的傳熱系數(shù)。有學(xué)者對(duì)這類流動(dòng)的情況進(jìn)行了總結(jié)。獲得的數(shù)據(jù)大多都是針對(duì)氣體流動(dòng)，尤其是空氣，因其對(duì)空氣加熱器設(shè)計(jì)十分重要。當(dāng)氣體垂直于10排縱深的管束流過，雷諾數(shù)范圍200-40000時(shí)，推薦確定平均努謝爾特?cái)?shù)的公式為：交錯(cuò)排列管束：（4-6）整齊排列管束：（4-7）下標(biāo)f代表以膜溫計(jì)算的熱物性值。Gmax的定義為（4-8）其中W是通過管束的流率。Amin是與W有關(guān)的最小自由流面積，不管其發(fā)生在橫向還是縱向。對(duì)于管束不是10排的情況，可以通過下表4-6修正因子乘以上式得到平均Nu數(shù)。表4-6不同情況的修正因子管排數(shù)12468101215交錯(cuò)排列0.680.750.890.950.9811.011.02整齊排列0.640.80.90.950.9511.011.024.5貯能床壓降和泵功的確定4.5.1壓降計(jì)算堆積床和松散多孔介質(zhì)壓降的一個(gè)最普遍采用的方程是：（4-9）其中f為摩擦系數(shù)4.5.2泵功將流體泵過堆積床或管束所需的功可有下式計(jì)算（4-10）式中Q為床體積流率，ΔP為壓降?？紤]到各種能量損失，實(shí)際輸入到發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)葉片的功要大一些。一般說來，對(duì)于設(shè)計(jì)合理的床，泵功與能量收集速率相比是非常小的。第五章方案具體應(yīng)用與設(shè)計(jì)第五章方案具體應(yīng)用與設(shè)計(jì)5.1氣象參數(shù)由于本課題研究某地區(qū)的在采暖系統(tǒng)中應(yīng)用相變材料和結(jié)合太陽能的供暖情況，所以選定拉薩作為本課題研究地點(diǎn)，由于其太陽能資源豐富，適合利用太陽能技術(shù)，在太陽能資源豐富的時(shí)段可以將太陽能儲(chǔ)存在相變材料中，在太陽能輻照低時(shí)則相變材料作為新的熱源。經(jīng)查閱相關(guān)資料可知山東東營區(qū)的氣象資料如下：緯度：36.67°經(jīng)度：116.98°冬季室外平均風(fēng)速：2m/s冬季供暖室外計(jì)算溫度：-13.8℃太陽能資源情況：通過查閱資料太陽能輻射在4.3MJ/M2的天數(shù)為89天，太陽能輻射在9.8MJ/M2的天數(shù)為91天，太陽能輻射在14.0MJ/M2的天數(shù)為63天，太陽能輻射在20.7MJ/M2的天數(shù)為122天；水平面年平均日輻射量為14.455MJ/M2。5.2選擇工程概況1.工程名稱：山東某地太陽能-相變材料貯能采暖及熱水系統(tǒng)2.建筑性質(zhì)與形式：低層，集體宿舍3.用熱性質(zhì)：采暖及生活用熱水4.人數(shù)：1000人左右5.當(dāng)?shù)氐奶栞椪樟?，見?-1表5-1：該地區(qū)（北緯37.53度，東經(jīng)118.3度）水平面月平均太陽輻照量（kWh/m2·d）月份12345678910111210年平均值2.633.354.295.686.166.195.435.244.423.662.842.356.當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，見表5-2表5-2:當(dāng)?shù)貧夂驐l件月份123456789101112月平均氣溫（℃）-2.9-55.513.118.923.726.125.220.514.26.3-3平均日照時(shí)間66.47.17.47.97.35.97.27.37.16.35.95.3整體介紹該工程采用全玻璃真空管大規(guī)模集熱系統(tǒng)，具有即熱效率高、維護(hù)簡(jiǎn)單、質(zhì)量穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)安裝集熱器面積為1000m2，安裝傾斜角度為45°；設(shè)2個(gè)容器50t的不銹鋼水箱，以及相變材料貯能水箱，該系統(tǒng)同時(shí)連接市政官網(wǎng)和電加熱（無市政管網(wǎng)時(shí)）兩種輔助熱源以補(bǔ)給因?yàn)樘柲懿蛔銜r(shí)能源補(bǔ)充。假定每日每天用熱水量為150升，采暖面積為1.5萬m2。在太陽能充足時(shí)，僅靠太陽能供給室內(nèi)供暖以及采暖需求，且將太陽能充足時(shí)的太陽能儲(chǔ)存在相變材料中，在太陽能不充足的夜晚等時(shí)候以保證正常的生活采暖需求。在因天氣原因沒有太陽能的時(shí)候用輔助熱源供熱，整套系統(tǒng)結(jié)合太陽能技術(shù)、相變材料貯能技術(shù)、以及常規(guī)熱源供暖技術(shù)共同為建筑物供暖，通過調(diào)節(jié)不同時(shí)段相關(guān)系統(tǒng)的關(guān)斷，保證室內(nèi)要求的前提下最大程度的節(jié)約能源以保證良好的經(jīng)濟(jì)性。5.4具體設(shè)計(jì)5.4.1太陽能集熱系統(tǒng)1）自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)：集熱器和貯熱水箱以及相變材料貯能系統(tǒng)間采用定溫出水和溫差循環(huán)兩種方式，一旦水箱滿水則進(jìn)行溫差循環(huán)，兩種方式有聯(lián)集器運(yùn)行控制，自動(dòng)切換。2）集熱器形式、集熱器面積采用橫排聯(lián)集式，型號(hào)SLL-1500/50。集熱面積為1000m2.集熱器面積計(jì)算：由于太陽能集熱器收集的能源要供給室內(nèi)采暖和供熱水需求，確定太陽能集熱器面積時(shí)由于主流方法是將用熱水量結(jié)合一些修正系數(shù)來確定集熱器面積，為了計(jì)算的簡(jiǎn)化可以將采暖耗能轉(zhuǎn)化為消耗熱水量來計(jì)算太陽能集熱器面積集熱器的總面積Ac可以根據(jù)用戶的每天用水的量和用水的溫度確定，即：（4-11）其中：——直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；——將采暖換算成用水后日均用水總量；——水的定壓比熱容，4.18KJ/Kg·℃；tend——貯熱水箱內(nèi)水的終止溫度；——水的初始溫度；——當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗栞椛淞?，KJ/m2；f——太陽能保證率；——集熱器年平均集熱效率；——管路及貯熱水箱熱失系數(shù)；本建筑居住人口1000人左右，人均每天用熱水量為35升，則日均用水總量為35000Kg；太陽能集熱器進(jìn)水溫度取15℃，終止溫度為50℃；集熱器采光面年平均日太陽輻射量在晴朗天氣時(shí)取JT=20000KJ/m2；太陽能保證率取100%；熱損失系數(shù)取0.1。采暖負(fù)荷消耗的熱能轉(zhuǎn)化為用熱水量為25000kg。（4-12）則：所以選取的太陽能集熱器面積為1000m2。3）集熱器熱水產(chǎn)量屋面安裝1000m2的集熱器，晴朗天氣，夏季日產(chǎn)熱水量為100t，冬季日產(chǎn)熱水量為50t，由于夏季不需要要采暖，且太陽能充足，供生活熱水完全充足，但是冬季太陽能既要供室內(nèi)采暖又要供給生活用熱水，然而冬季太陽能又不充足，則需要結(jié)合輔助熱源，選取市政管網(wǎng)和電加熱輔助，其中電加熱作為市政管網(wǎng)的輔助，在無市政管網(wǎng)供暖時(shí)使用或在考慮經(jīng)濟(jì)性時(shí)特殊時(shí)段使用?？紤]將冬季和夏季太陽能貯能系統(tǒng)做成兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，因?yàn)橄募竞投驹谔柲茇S富程度和供暖需求很大差異。5.4.2太陽能相變材料貯熱系統(tǒng)本課題將相變材料運(yùn)用于太陽能貯能，由于相變材料可以通過相變而釋放和吸收潛熱，所以可以將原先的貯熱水箱改進(jìn)為相變材料貯熱器，但在供熱水系統(tǒng)中仍然需要儲(chǔ)能水箱。這樣可以減小在采暖系統(tǒng)中水箱面積，提高水的循環(huán)效率，同時(shí)加強(qiáng)傳熱。在選取相變材料貯能器選擇直接接觸式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于維護(hù)。直接接觸式貯熱系統(tǒng)在此前已經(jīng)選定了相變材料，綜合考慮之后選擇的相變材料為以石蠟為相變材料，低密度聚乙烯(LDPE)為支撐材料，有機(jī)蒙脫土(OMMT)為載體材料，石墨為填料，采用加熱共熔法制備石蠟/LDPE/OMMT/石墨復(fù)合相變儲(chǔ)能材料，石蠟包覆良好，相變溫度為57.45℃，相變潛熱為92.95J/g。該復(fù)合相變材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、密封性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性好和導(dǎo)熱率高，應(yīng)用前景廣闊。在系統(tǒng)中還要選取傳熱液體，結(jié)合相關(guān)資料選擇R113為傳熱液體，其傳熱性能好、流動(dòng)性好且便于獲得。如圖5-1圖5-1:直接接觸式5.4.3末端裝置將太陽能收集供暖用的熱能要通過末端換熱器供給到室內(nèi)，這就要采用末端放熱裝置，在選取末端放熱裝置要考慮室內(nèi)的環(huán)境要求。從末端換熱器的種類來看，有直接與相變材料貯熱器構(gòu)成一個(gè)整體的換熱器，不過這種方式對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)有很大要求，由于將末端換熱器和相變材料貯熱器做成一個(gè)整體，則適合于對(duì)一個(gè)整體大面積的地點(diǎn)進(jìn)行換熱，不適用于單個(gè)小面積的房間進(jìn)行換熱；為了使末端換熱器能夠運(yùn)用于單個(gè)小房間，可以采用將儲(chǔ)存在相變材料中的熱能通過熱水的形式對(duì)室內(nèi)進(jìn)行換熱，在每個(gè)房間設(shè)置類似于暖氣片的散熱器。這樣就可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的溫度恒定。5.4.4輔助熱源系統(tǒng)由于太陽能是一種不穩(wěn)定的熱源，會(huì)根據(jù)天氣和季節(jié)的不同會(huì)出現(xiàn)太陽輻照強(qiáng)度不同，所以在太陽能不充足的前提下需要其他輔助熱源作為補(bǔ)給室內(nèi)的供暖需求和生活用熱水需求。目前選擇市政管網(wǎng)和電加熱兩種輔助熱源形式，在冬季供暖期當(dāng)太陽能不足的時(shí)候就可以用市政管網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)足供暖，在夏季雖然不需要采暖，但是需要供室內(nèi)熱水的需求，這時(shí)當(dāng)太陽能供給不足時(shí)就需要電采暖進(jìn)行供熱水。同時(shí)電加熱作為市政管網(wǎng)的備用輔助熱源，當(dāng)市政管網(wǎng)熱源供暖無法滿足要求或當(dāng)?shù)責(zé)o市政管網(wǎng)時(shí)，則要用電加熱作為供暖輔助。選取的市政管網(wǎng)系統(tǒng)即當(dāng)?shù)厥姓芫W(wǎng)，電加熱系統(tǒng)即選擇電鍋爐系統(tǒng)，所選型號(hào)為CLDR0.07-85/60。額定熱功率為0.07MW。5.4.5運(yùn)用相變材料的另一種形式開發(fā)太陽能采暖系統(tǒng)中的相變貯能裝置已經(jīng)頗受關(guān)注，采用空氣作為傳熱介質(zhì)時(shí)，相變貯能裝置的貯熱體積比顯熱貯熱小得多，這一優(yōu)越性促進(jìn)了這項(xiàng)研究的發(fā)展，其中研究最為火熱的一種系統(tǒng)是太陽能空氣采暖系統(tǒng)，一種其原理圖如下，一般所采用的相變材料為無機(jī)鹽或石蠟，其熔融溫度受到室溫的限制，大約為5℃-10℃。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能受到各個(gè)方面的因素的影響。其中，相變材料融化溫度和潛熱是相變貯能裝置的物理性質(zhì)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能起到至關(guān)重要的作用。此種方式是在靠近戶外的墻壁上構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，單獨(dú)的取保證室內(nèi)的溫度穩(wěn)定，此系統(tǒng)各個(gè)系統(tǒng)之間是一個(gè)單獨(dú)的部分，一個(gè)單個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行失敗不會(huì)影響其他系統(tǒng)。但是這種系統(tǒng)的造價(jià)會(huì)比較高，如果一個(gè)系統(tǒng)只是將太陽能的熱能用于采暖可以取考慮這種系統(tǒng)，但是一般是要利用太陽能同時(shí)供給生活用熱水，這樣就使得獨(dú)立系統(tǒng)效率低，單獨(dú)取建立一個(gè)供熱水系統(tǒng)又會(huì)提高成本。另一種以空氣為工質(zhì)的太陽能供暖系統(tǒng)，采用的是回轉(zhuǎn)圓筒形相變貯能裝置。實(shí)驗(yàn)時(shí)，把十水硫酸鈉裝入250升的鋼制容器，十水硫酸鈉只占該容器的95%。從容器的一端沿回轉(zhuǎn)軸插入管狀結(jié)晶核發(fā)生裝置。通過安裝在滾筒上的小型電動(dòng)機(jī)以每分鐘三轉(zhuǎn)的速度會(huì)裝時(shí)，可保證容器內(nèi)的相變材料于傳熱流體混合均勻，而且其溫度保持接近壁溫[16][17]。根據(jù)研究學(xué)者對(duì)于小型裝置的試驗(yàn)結(jié)果，相變化率和放熱速度得到提高。此兩種方案都是針對(duì)單一房間的系統(tǒng)，都有運(yùn)用局限性，但是對(duì)于難以使用集中式系統(tǒng)的地方，這些系統(tǒng)就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，其可以根據(jù)建筑物自身的建筑結(jié)構(gòu)靈活設(shè)計(jì)。5.5系統(tǒng)原理和系統(tǒng)示意圖5.5.1系統(tǒng)原理整個(gè)系統(tǒng)包括四大子系統(tǒng)，分別為太陽能集熱系統(tǒng)、相變材料貯熱系統(tǒng)、末端裝置系統(tǒng)和輔助熱源系統(tǒng)。太陽能集熱系統(tǒng)選取平板型集熱器對(duì)太陽能進(jìn)行收集，根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶栞椪斩鹊木唧w強(qiáng)度設(shè)計(jì)太陽能集熱器的面積。根據(jù)計(jì)算所選取的太陽集熱器的面積為1000m2，所選擇的型號(hào)為SLL-1500/50。其集熱能達(dá)到的溫度為130℃左右，屬于低溫型太陽能集熱器。此種太陽能集熱器重要用于生活熱水和室內(nèi)采暖方面，此太陽能集熱器對(duì)儲(chǔ)熱材料的要求不是太高，且經(jīng)濟(jì)適用。相變材料貯熱器所選擇的貯熱相變材料為以石蠟為相變材料，低密度聚乙烯(LDPE)為支撐材料，有機(jī)蒙脫土(OMMT)為載體材料，石墨為填料，采用加熱共熔法制備石蠟/LDPE/OMMT/石墨復(fù)合相變儲(chǔ)能材料，石蠟包覆良好，相變溫度為57.45℃，相變潛熱為92.95J/g。整體相變材料貯熱器選擇直接接觸時(shí)相變材料貯熱器，選取R113為傳熱流體，且將直接接觸時(shí)相變材料貯熱器設(shè)計(jì)圓筒型，加入電驅(qū)動(dòng)，以每分鐘的3轉(zhuǎn)的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使相變材料在裝置內(nèi)均勻混合，不至于貼壁結(jié)晶和相結(jié)核，從而影響相變材料貯熱系統(tǒng)的效率。當(dāng)結(jié)晶嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致相變材料貯熱器無法正常工作。末端裝置系統(tǒng)包括兩大部分，因?yàn)槭覂?nèi)需熱分為兩大部分，分別是生活熱水的需求和室內(nèi)采暖的需求，生活熱水的需求就需要選擇一個(gè)大型的蓄熱水箱，將太陽能集熱器種收集到的熱量存儲(chǔ)在蓄熱水箱中，蓄熱水箱中的熱水直接供給人們生活使用，根據(jù)室內(nèi)人員是數(shù)量在1000人左右，結(jié)合每日每天的用熱水量最終選擇的蓄熱水箱為2個(gè)可以儲(chǔ)存50t水量的蓄熱水箱。而對(duì)于采暖系統(tǒng)則是選擇地暖供熱的形式，由于地暖供熱的供暖溫度一般在60度左右，而選取的相變材料的相變溫度為50多度，正好可以通過相變過程釋放潛熱以保證對(duì)室內(nèi)供暖的要求。對(duì)于末端裝置考慮積極性時(shí)管道費(fèi)用便是采暖末端裝置的管道系統(tǒng)。輔助熱源系統(tǒng)包括兩大部分，一個(gè)是市政管網(wǎng)系統(tǒng)，另一個(gè)是電加熱系統(tǒng)即電鍋爐系統(tǒng)，市政管網(wǎng)系統(tǒng)便需要結(jié)合當(dāng)?shù)厥姓芫W(wǎng)的實(shí)際情況，由于市政管網(wǎng)是作為相變材料蓄熱裝置的末端裝置的輔助，要考慮到和末端裝置的配合，特別是在管線方面，由于相變材料貯熱裝置的末端裝置是選取的地暖供熱，而市政管網(wǎng)也是選擇通過地暖供熱，在兩種方式分開運(yùn)用配合時(shí)，要注意開光的切換，以免兩種供暖方式一起運(yùn)用時(shí)造成的浪費(fèi)和管道堵塞。在選擇市政管網(wǎng)輔助時(shí)也可以將市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)為暖氣片供暖的形式，與相變材料貯熱器的地?zé)峁┡珠_為兩個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)需要哪一種方式時(shí)便開啟那種供暖方式。但是此種方式需要多設(shè)計(jì)一套暖氣片供暖的系統(tǒng)，這樣整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)就高。電加熱電鍋爐作為輔助熱源主要供給室內(nèi)的的生活用熱水，同時(shí)當(dāng)無市政管網(wǎng)時(shí)電鍋爐也是市政管網(wǎng)的備用輔助熱源[18][19]。5.5.2系統(tǒng)原理圖整個(gè)系統(tǒng)的主要包括四大部分，相互之間配合運(yùn)用。其中主要的系統(tǒng)為太陽能集熱及采暖系統(tǒng)，同時(shí)系統(tǒng)也設(shè)計(jì)了供熱水系統(tǒng)，在太陽能較為充足的白天或者其他充足的時(shí)候?qū)⑻柲苁占絻?chǔ)熱水罐以供生活熱水的需求。1.太陽能集熱以及相變材料貯熱供暖系統(tǒng)如下圖5-2圖5-2：采暖圖2.太陽能供生活熱水示意圖如下圖5-3圖5-3：供熱水圖第六章系統(tǒng)的軟件情況第六章系統(tǒng)的軟件模擬情況所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括四大系統(tǒng)，分別是太陽能集熱器系統(tǒng)、相變材料貯熱系統(tǒng)、末端裝置系統(tǒng)以及輔助熱源系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)較常規(guī)的太陽能供熱系統(tǒng)來說，采用了相變材料，采用相變材料的主要主要優(yōu)勢(shì)在于相變材料可以釋放和吸收潛熱使傳熱量增加，所以在傳遞相同熱量的時(shí)候所需要的貯熱裝置較常規(guī)系統(tǒng)來說較小。再者常規(guī)的蓄熱水箱會(huì)出現(xiàn)熱分層的現(xiàn)象，熱分層會(huì)影響整體的傳熱效率。將常規(guī)的采暖貯熱裝置用相變材料貯熱器替代則可以有效的緩解這一現(xiàn)象。6.1軟件模擬方向由于在貯熱罐中運(yùn)用了相變材料，所以考慮將相變材料作為貯熱罐的材料時(shí)對(duì)其貯熱效果的影響，由于常規(guī)的貯熱水箱會(huì)存在一個(gè)弊病，也就是會(huì)出現(xiàn)熱分層的現(xiàn)象。常規(guī)儲(chǔ)熱罐是以水為儲(chǔ)熱介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)可近似為圓柱桶型。充熱時(shí)熱水從上端流入，冷水由于自身的重力作用從下端流出；在放熱階段，熱水由泵的作用從上端抽出，冷水從下端被吸入罐中。由于熱水的密度于冷水的密度是由差別的，并且熱水密度要低于冷水的密度。因此不論是在充熱還是放熱過程中，儲(chǔ)熱罐內(nèi)的水總會(huì)因?yàn)槔錈崴牟煌霈F(xiàn)分層的現(xiàn)象，存在一溫度漸變層，稱作斜溫層。正是因?yàn)橛行睖貙拥拇嬖?，冷熱水才不?huì)完全混合。這樣會(huì)影響整體的傳熱效率。所以選擇對(duì)常規(guī)貯熱水箱和相變材料貯熱水箱當(dāng)注入熱水之后罐內(nèi)的熱分布，去研究是否在貯熱水箱中加入相變材料可以改善熱分層。是否可以有效的提高貯熱水箱的傳熱效率。6.2軟件模擬方法選擇FLUENT軟件對(duì)貯熱水罐內(nèi)的溫度分布進(jìn)行模擬，首先建立一個(gè)二維的貯熱罐模型，然后在軟件中畫出模型的網(wǎng)格圖，將選擇的相變材料的各個(gè)物性參數(shù)輸入軟件，然后再選擇合適的運(yùn)行時(shí)間，最終得出溫度分布云圖。整個(gè)軟件模擬分為兩個(gè)部分，一是模擬貯熱罐中為純水時(shí)的的溫度分布云圖，二是模擬相變材料貯熱罐中相變材料和水混合后的溫度分布云圖。通過云圖對(duì)比來說明在貯熱罐中加入相變材料可以改善貯熱罐的熱分層的現(xiàn)象。6.3常規(guī)貯熱罐的模擬為了節(jié)約模擬時(shí)間，所選取的模擬水罐為5立方米。常規(guī)的貯熱水罐在軟件模擬中選擇水，參數(shù)設(shè)定選用默認(rèn)水的參數(shù)，選取的模擬時(shí)間為3600秒，其模擬結(jié)果如圖一，可以看出在模擬時(shí)間結(jié)束后的溫度分布云圖，會(huì)在局部出現(xiàn)溫度分層的現(xiàn)象，這樣就會(huì)降低傳熱效率。通過溫度分布來說，貯熱水罐中的穩(wěn)步分布在局部分布不均勻，這樣會(huì)導(dǎo)致出口溫度的不均勻，影響末端裝置的工作[20][21]。軟件模擬圖如圖6-1。圖6-1：純水罐內(nèi)模擬同時(shí)通過已有研究的MATLAB模擬，溫度分層也叫做斜溫層。在貯熱罐中不同溫度時(shí)出現(xiàn)的斜溫層的厚度也不同。其模擬圖形如下圖二?？梢钥闯霎?dāng)溫度較低的時(shí)候斜溫層的厚度較小，溫度越高斜溫層的厚度越厚，即溫度越高斜溫層對(duì)傳熱效率的影響就越大，其圖如圖6-2。所以解決貯熱水罐的熱分層現(xiàn)象可以有效的提高傳熱效率。圖6-2：不同溫度時(shí)斜溫層的厚度6.4相變材料貯熱罐模擬在常規(guī)的貯熱水罐中加入相變材料，這種相變材料和水混合貯熱的方式可以有效的解決熱分層的現(xiàn)象。在軟件中模擬的水罐設(shè)定參數(shù)以及網(wǎng)格的劃分和之間純水的情況一樣。輸入進(jìn)軟件的參數(shù)有所選取的相變材料查找相關(guān)資料獲得。其模擬時(shí)間和之前一樣也為3600秒。最終模擬的溫度分布云圖如下圖三。從圖中可以看出在常規(guī)的貯熱水罐中混合相變材料可以使得液體部分的溫度分布均勻，有效的緩解了熱分層的現(xiàn)象，其模擬結(jié)果如圖6-3。圖6-3：相變材料貯熱水罐的模擬圖同時(shí)在相變材料元的溫度云圖如下圖四，從云圖中可以看出在貯熱水罐中加入了相變材料，其的存在使得水的部分的溫度分布均勻。并且其每個(gè)相變材料個(gè)體的外部到內(nèi)部的溫度分布也是較為明顯，也就是說相變材料還可以繼續(xù)去吸收潛熱去儲(chǔ)存，這樣也就說明相變材料可以大大的提高貯熱能力。所以在貯熱水罐中加入相變材料相比常規(guī)的貯熱裝置還是有很大的優(yōu)勢(shì)的，模擬圖如圖6-4圖6-4：相變材料的模擬圖6.5對(duì)比結(jié)果通過前面兩種不同方式的軟件模擬可以看出貯熱罐中混合相變材料可以有效的改善熱分層的現(xiàn)象。同時(shí)相變材料運(yùn)用于貯熱水箱可以提高貯熱量，所以在儲(chǔ)存相同的熱量時(shí)所需要的貯熱水箱的體積就要小，所以可以相變材料貯熱罐相比于常規(guī)的貯熱罐來說優(yōu)勢(shì)很大。且軟件模擬結(jié)果來說整體是可行的經(jīng)濟(jì)性和可行性分析東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文第七章經(jīng)濟(jì)性和可行性分析7.1設(shè)計(jì)系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的比較本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選取的相變材料貯熱系統(tǒng)代替了常規(guī)的水箱貯熱系統(tǒng)，相變材料貯熱系統(tǒng)種的貯熱物質(zhì)選取的是石蠟石墨復(fù)合相變材料，其相變溫度合適，可以通過相變過程儲(chǔ)存更多的潛熱，這樣就可以減小貯熱系統(tǒng)的體積。從而可以減小占地面積。再者系統(tǒng)種運(yùn)用了太陽能集熱系統(tǒng)，與常規(guī)系統(tǒng)中的市政管網(wǎng)采暖和電加熱供熱水等系統(tǒng)相比。太陽能集熱系統(tǒng)通過收集太陽能供給室內(nèi)的采暖和生活熱水需求。雖然整個(gè)系統(tǒng)中也加入了輔助熱源，但是與常規(guī)熱源相比，這個(gè)設(shè)計(jì)方面也是能夠節(jié)約一部分能源的。7.1.1系統(tǒng)個(gè)部分的選擇和造價(jià)1.太陽能集熱系統(tǒng)中選擇的太陽能板為SLL-1500/50。其集熱溫度在120℃左右，其沒平方米的價(jià)格在500元左右，并且結(jié)合已有成功的太陽能集熱系統(tǒng)的造價(jià)，包括集熱系統(tǒng)的太陽能板、支架裝置、管道以及一些其他的配件，當(dāng)設(shè)計(jì)100m2的太陽能集熱系統(tǒng)時(shí)最終的造價(jià)大約在30萬左右，太陽能系統(tǒng)的使用壽命大約在15年，到使用年限需要對(duì)管道及一些配件進(jìn)行更換，維護(hù)費(fèi)用在3萬每年?？傇靸r(jià)為33萬元。2.相變材料貯熱系統(tǒng)包括管道系統(tǒng)、相變材料、體積足夠大的圓柱形體積以及傳熱介質(zhì)。由于選擇的為石蠟石墨復(fù)合相變材料，所選取的現(xiàn)編材料較為便宜。主要的費(fèi)用在裝相變圓柱筒以及管路系統(tǒng)，管路系統(tǒng)要做好保溫和防凍的措施。整體相變材料貯熱器的造價(jià)為20萬元左右，其中相變材料介質(zhì)石蠟石墨復(fù)合相變材料的購買費(fèi)用大約在10萬元左右，圓柱型外筒的設(shè)計(jì)費(fèi)用在5萬元左右，另需配備兩臺(tái)電機(jī)牽引圓柱形筒保持每分鐘3轉(zhuǎn)的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以防止相變材料的結(jié)晶貼壁影響傳熱，兩臺(tái)電機(jī)一備一用。兩臺(tái)電機(jī)價(jià)格為1萬元左右。另外還需配置相關(guān)輔助軟件及安裝費(fèi)用大約在4萬元左右。3.末端裝置系統(tǒng)采用地暖的形式，采暖面積為1.5萬m2。市政地暖單位容量投資為每平方米43.5元，采暖面積為1.5萬平方米，入網(wǎng)費(fèi)用約為65萬元，但是整個(gè)系統(tǒng)大約只有五分之二的時(shí)間需要用到市政管網(wǎng)輔助，則管路投資費(fèi)用大約在30萬。由于末端裝置設(shè)計(jì)到太陽能直接供熱系統(tǒng)和市政管網(wǎng)與電加熱輔助供熱系統(tǒng)。需要透支2萬元的并入市政管網(wǎng)的費(fèi)用。同時(shí)太陽能系統(tǒng)也供給生活用熱水，在此中要選取兩個(gè)50t的蓄熱水箱，其價(jià)值在30萬元左右。整個(gè)末端系統(tǒng)的價(jià)格在62萬元。4.輔助熱源系統(tǒng)，由于考慮太陽能集熱系統(tǒng)所收集到的熱量會(huì)因?yàn)樘鞖獾脑蚨霈F(xiàn)供暖不足，則需要加入輔助熱源系統(tǒng)，擬選用的是市政管網(wǎng)輔助供暖、電加熱輔助供熱水以及電加熱作為市政管網(wǎng)供熱水的備用方式，由于市政管網(wǎng)備用的方式室內(nèi)管網(wǎng)費(fèi)用已經(jīng)算入末端裝置系統(tǒng)，則市政管網(wǎng)輔助系統(tǒng)只需加入5萬元左右的維護(hù)與連接費(fèi)用。電加熱即選取電鍋爐，選用川洲品牌的大型落地電鍋爐3臺(tái)，其每臺(tái)供暖面積為1500m2、功率為100kw、出水口徑為DN80、工作電壓為380V、工作電流為150A、外形尺寸為1200*2000*1200、熱功率為86000w，其使用壽命在30年。三臺(tái)電鍋爐的總造價(jià)為10萬元左右。該輔助熱源系統(tǒng)的總造價(jià)在15萬元5.整個(gè)系統(tǒng)的總造價(jià)為：33＋20＋62＋15=130萬元。結(jié)合以往已有的太陽能集熱系統(tǒng)的造價(jià)，此系統(tǒng)的價(jià)格在相似系統(tǒng)中的造價(jià)屬于中等，且能實(shí)現(xiàn)的部分包括了生活供熱水以及采暖。能夠滿足人們?cè)诙驹谑覂?nèi)基本的生活需求。7.1.2常規(guī)系統(tǒng)的造價(jià)對(duì)于常規(guī)的采暖系統(tǒng)以及供熱水系統(tǒng)而言，采暖系統(tǒng)