蓄热电采暖结构模拟研究

康佳莹　杜瑞　祝艺丹　王春青

【摘  要】相变蓄热层是相变蓄热电采暖结构的核心层，蓄热层中的储能材料以显热或相变的方式吸收，当一定的时间温度降到相变点，通过交换介质以导热、对流和辐射的方式将储存的热量释放给热用户。本实验将探究相变热过程中的理论蓄热、散热，先在GAMBIT软件中进行几何建模，网格划分，边界设定，完成模拟前处理。运用Fluent软件模拟蓄热层为纯石蜡微胶囊、蓄热层为泡沫金属铜/石蜡微胶囊复合相变材料的蓄热过程。结果表明，蓄热层中添加泡沫金属铜与石蜡微胶囊，强化了传热效果，解决了石蜡微胶囊导热率低的问题。与纯石蜡微胶囊对比，加快了相变响应时间，同时，导热效果更加明显。

【关键词】电采暖;石蜡微胶囊;泡沫铜;蓄放热性能;FLUENT

引言

在当今高度转变的工业，和物质发展的基础上。能源的使用与人类社会的历史发展密切相关，特别是在当今社会中，工业化和社会经济发展正在稳步发展，能源日益影响着人类生产和生活的各个方面。在当今世界，全球化，经济，能源和环境的步伐已密不可分。在“三北地区”，近年来风电过剩[1]，电力需求降低，因此弃风现象比较严重。为了响应国家政策，改变冬季采暖地区煤燃烧造成的环境污染问题，同时提高风电利用率，电采暖作为一种新型的采暖方式出现在了人们的面前。相对于传统供暖，目前采用的直供式电采暖耗电量太高，加重了用户的经济负担和电力的负荷，为了解决这一问题，可以利用峰谷电价，将相变蓄热材料加入电采暖模块中进行间歇供热[2]。本文将具有蓄热功能的石蜡微胶囊与具有导热功能的泡沫金属铜相结合，制成一种新型的电采暖蓄热模块，研究泡沫金属铜对电采暖模块的蓄放热性能的影响。本文依据有限差分法，利用Fluent软件对非线性边界条件下各层材料与尺寸不同的实验结构的二维稳态传热问题做了数值模拟分析。

一、相变蓄热电采暖结构模拟研究

1.1 模拟材料的选取

为了提高热舒适性能，使房间内的温度分布均匀，李国建等人搭建了一个房间，用相变温度为44℃的石蜡作为蓄热材料，建立电加热相变蓄热电热地板采暖系统，能够有效的实现削峰填谷[3]。考虑到石蜡在相变过程中液化渗漏的问题比较严重，本文选择将其封装起来的石蜡微胶囊进行试验。因为石蜡的导热系数比较低，为了减少蓄热时间以及增加电的导热性能，陈华等人将比例为1：3的泡沫铜和石蜡混合，有效的提高了石蜡的相变速率，减少了相变时间，解决了靠近热源处的过热现象以及远离热源处的不熔现象[4]。

1.2 几何模型的建立

首先在电采暖蓄热模块的几何模型，在图1中，四周是保温层，内部结构上面是水泥砂浆找平层，下面是相变蓄热层。模拟一共分为两组，其一是相变层内只有石蜡微胶囊，其二是孔隙率为95%+石蜡微胶囊。

图1 相变蓄热电采暖结构Gambit几何模型

FIG.1 Gambit geometric model of phase-change thermoelectric thermal heating structure

之后，將网格划分为热源，石蜡区域，泥灰区域，每个区域使用四面体网格，将热源区域的单位网格大小设置为0.5，石蜡区域和泥灰区域的网格大小设置为1。

1.3 模型参数及假设

为了方便使用Fluent进行计算，设置了相应的数学模型，并进行了以下假设：

（1）假设石蜡和泡沫铜各向同性。

（2）满足Boussinesq假设的牛顿流体，在内部材料中熔化石蜡后没有被压缩。

（3）在石蜡和泡沫铜的每个步骤中，性能参数不会因温度上升和下降而改变。

1.4 数学模型

二、模拟结果分析

2.1 石蜡微胶囊相变材料模拟结果

为了比较泡沫铜/石蜡微胶囊复合相变材料的传热性能，首先分析了纯石蜡微胶囊相变材料的相变传热的数值模拟结果。热源的表面温度为70°C（343.5K），环境温度为17°C（290.5K），储热层的温度为17°C（290.5K），结构的上表面温度为17°C（290.5K）在图2（1）、2（2）和2（3）中显示了在500s，1000s和8000s加热过程中获得的温度分布云图。

（1）t=500s温度云图        （2）t=1000s温度云图       （3）t=8000s温度云图

图（1）显示了加热时间为500秒时的温度云图。这可以认为是加热的初始阶段。观察云图，可以看出热量以传导的方式传导至泥层的顶部和热源的底部。在热源下传递至储热层的热量不是关键的。如图2（2）所示，随着时间的流逝，在t=1000秒时，热量继续升高，泥浆层的温度持续升高，图像向侧面扩散。仔细观察热源下方储热层的温度变化。向下的传热是基于加热电缆的，并由周围的蓄热层组成，传热效果略显明显，但未达到相变温度，并且尚未开始相变蓄热过程。当加热时间到达t=8000s时，温度变化如图2（3）所示。通过灰泥层的热传递，结构表面的温度达到约40℃。已达到与热源接触的下部储热层的温度。一旦达到了相变的优势，便开始熔化（液相），并存储相变的潜热，在t=8000 s时，蓄热层中的石蜡微胶囊未达到温度且未完全熔化。

（1）t=500s温度分布图     （2）t=1000s温度分布图    （3）t=8000s温度分布图

2.2 泡沫铜/石蜡微胶囊复合相变材料模拟结果

储热层中充满了带有石蜡微胶囊粉末的泡沫金属铜孔，因此Fluent的计算比纯石蜡微胶囊还多。本节主要通过结构中温度场的时变云图和结构上表面的温度-时间变化曲线以及储热层其他位置来获得泡沫铜对相变储热和传热过程的影响。泡沫铜/石蜡微胶囊复合相变材料的数值模拟与上述石蜡微胶囊模拟条件的数值模拟相同。

如图4（1）所示，t=500s时，是模拟的初始阶段，可以清楚的看出靠近热源的石蜡微胶囊开始相变，进行相交变换。随着实验地进行，在t=1000秒处，在图4（2）中的蓄热层周围的溫度沿加热电缆的方向递增，并且在相变熔化区以较低的速率膨胀。随着温度持续升高，如果t=8000s，温度将随着时间变化，如图4（3）所示。结构的表面温度在约38°C。较时间为1000s时温度明显升高，其中大部分达到了相变温度。

与纯石蜡微胶囊的相变过程相比，可以看出，泡沫金属铜显着提高了石蜡微胶囊的导热性，并在石蜡微胶囊的相变储热过程中均匀地加热了储热层。

（1）t=500s温度云图       （2）t=1000s温度云图      （3）t=8000s温度云图

由图可以看出，与仅包含石蜡微囊的蓄热层的结构表面和蓄热层的温度分布相比，添加泡沫金属铜可以起到加强传热效果以及均匀热量的效果，提高了相变材料石蜡微胶囊的导热效率，使复合相变材料的蓄热传热性能达到顶峰。

（1）t=500s温度分布图     （2）t=1000s温度分布图   （3）t=8000s温度分布图

三、结论

在GAMBIT软件中，执行几何建模，网格分割和边界设置以完成预模拟过程，而Fluent用于建立能量计算模型，通过分析以上图片，得出以下结论：

（1）只有石蜡微胶囊的蓄热层在加热的初始阶段，仅在靠近热源的一小块区域内产生相变，温度上升较快，其他区域的温度变化不明显，相变响应时间也较慢。且热量向上传递较多，向下较少。

（2）在加入泡沫铜的相变层中，相变实践不仅大大缩减，而且提高了传热效果，石蜡微胶囊导热系数低的问题得到有效解决。

（3）泡沫铜作为支撑体，不仅增强了向蓄热层的热传递，而且还起到均匀热量的作用。同时，除了一些受热不利的区域之外，蓄热层相变区域的面积比较大。

参考文献：

[1]贾常艳.由《重点区域风电消纳监管报告》引发的风电行业全景思考[J].电器工业，2012（09）：2-5.

[2]徐嘉一，李占新.储能式电采暖技术——集中供热的有效补充方式[J].中国资源综合利用，2019，37（09）：99-101.

[3]李国建，冯国会，朱能，胡艳军.新型相变储能电热地板采暖系统[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2006（02）：294-298.

[4]陈华，柳秀丽，杨亚星.泡沫铜对相变蓄热系统蓄热性能影响的实验研究[J].热科学与技术，2019，18（03）：228-233.

作者简介：

康佳莹，（1993～），女，汉，吉林省吉林市，硕士。

基金项目：

吉林省教育厅“十三五”科技项目（JJKH20180602KJ）。

（作者单位：1吉林建筑大学;2吉林建筑科技学院）