一种太阳能相变蓄热沙发采暖系统分析

上海理工大学 ■ 杨越聪 于国清

一 传统太阳能采暖系统

当今社会能源危机、环境污染日益严重，建筑供热方面的能耗应用与日剧增，我国节能减排的任务已经十分迫切。由于我国太阳能资源十分丰富，大力开发太阳能等可再生能源成为缓解能源危机的有效途径。

传统的太阳能采暖系统一般由太阳能集热器、蓄热水箱、辅助加热器和散热设备组成[1]， 太阳能集热器(或辅助热源)将蓄热水箱内的水加热后通过散热设备将蓄热水箱储存的热量传到室内，达到采暖效果。此种采暖方式所需热量大，因而所需集热器的面积较大。另外，由于太阳能的间歇性和不可靠性，蓄热装置是太阳能采暖系统的必备部件，而太阳能采暖系统的供回水温差较小，所以需要较大的蓄热装置，如果放置在室外，在寒冷的冬季，其散热损失十分显著。为了解决这些问题，本文提出一种将太阳能利用与相变蓄热技术结合的新型太阳能采暖系统——太阳能相变蓄热沙发采暖系统。

二 太阳能相变蓄热沙发采暖系统

如图1所示，太阳能相变蓄热沙发采暖系统与传统的太阳能采暖系统相比，最大的区别在于没有传统的散热设备和蓄水热箱，取而代之的是具有相变蓄热功能的沙发。将蓄热水箱和散热设备集合成为一个整体，内部蓄热层相当于蓄热水箱，沙发本身相当于散热器。太阳能热水器的出水管经阀门与沙发座内的换热管入口端连接，沙发座内换热管出口端经弯头、循环泵与沙发靠背换热管的入口端连接，沙发靠背出口端依次经阀门、循环泵、止回阀与太阳能集热器的回水管连接，形成传热流体的闭合回路。

图1 太阳能相变蓄热沙发采暖系统原理图

沙发座和沙发靠背为两个箱体，每个箱体内分别设置密闭腔，每个密闭腔内填充相变蓄热材料微胶囊，在相变材料微胶囊内埋设换热管。蓄热层结构如图2、图3所示。

蓄热沙发兼有蓄热和散热功能。冬季白天开启循环泵，水在系统内循环吸收太阳能集热器收集到的热量，温度升高后流入沙发内的换热管，通过换热盘管将热量传递给相变蓄热材料。蓄热材料吸收传热流体的热量后温度不断升高，当达到相变温度后发生相变，即太阳能通过传热流体把热量储存在蓄热沙发的蓄热材料微封装胶囊体内。在夜间或温度较低时，利用沙发外壳表面通过传导、对流和辐射三种方式向周围散热，即通过蓄热材料放热将存储的热量散发出来，维持沙发与人体接触表面以及周围局部环境的舒适温度。

图2 相变蓄热沙发座换热管平面布置图

图3 蓄热沙发靠背换热管串联布置平面图

如图2、图3所示，在管路敷设方面，本系统沙发座内换热管采用新颖的盘旋方式布置，先由外圆周旋至圆心，再从圆心处旋出至外圆周，主要是为了使受热底座温度分布更均匀，避免出现冷热不均现象。

三 蓄热沙发的散热分析

沙发表面主要通过对流与周围的空气进行换热，其对流换热系数可以利用下列公式进行计算[2]：

其中：tf为房间室温；tw为沙发表面温度。

若太阳能相变蓄热沙发规格为2m×1m×1m，室温tf=16℃，沙发表面温度tw=25℃，经计算，24h本系统沙发通过对流换热传递给周围环境的热量约为20.17MJ。沙发不使用时，可以在其表面覆盖毛毯等保温性能较好的织物，以减小无效的热损失。

四 相变蓄热材料需要量计算

太阳能相变蓄热沙发的底部及背部外侧铺设较厚的保温材料，以避免其向侧面及下侧大量散热造成不必要的热损失，其中填充的相变蓄热材料量需要满足沙发全天的散热量。本系统中选用复合蓄热材料Latest32S，相变温度为31℃，潜热值为230J/g[3]，通过计算得出所需的相变蓄热材料量约为88kg。

五 太阳能集热面积计算

当已知水平面上的直射辐照度Ib、散热辐照度Id和地面的反射比ρ时，倾角为β的集热表面接收到的太阳能辐射Iz可通过下列公式计算[4]：

在集热器中的流体吸收太阳辐射，从而获得有用的能量，同时集热器本身对外界也存在散热损失。太阳能集热器的集热量可采用式(7)计算[5]：

假定本采暖系统位于西安市，冬季采暖室外平均温度Ta为0℃，集热器进水平均温度T1为30℃，计算工况选取1月1日这一天，晴天水平面上的总辐照量Hz= 10.4MJ/m2，本计算中蓄热沙发所需的太阳能集热器面积约为4.6m2。

六 结论

太阳能相变蓄热沙发采暖系统是一种新型的将局部采暖、相变蓄热与沙发这一家庭必备家具有机结合的系统。该系统具有所需太阳能集热面积小、集热效率较高、室外热损失小、节省室内空间等优点，是一种有前景的太阳能利用新方式。

[1]罗运俊, 何梓年, 王长贵. 太阳能利用技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005.

[2]章熙民, 任泽霈. 传热学(第四版)[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002.

[3]崔海亭, 杨锋. 蓄热技术及其应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004.

[4]张鹤飞. 太阳能热利用原理与计算机模拟[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2004.

[5]中国建筑标准设计研究院, 太阳能集热系统设计与安装[M]. 北京: 中国计划出版社, 2006.