青藏高原地区太阳能相变蓄热暖风供暖系统研究

杨晓君 刘泓灵 夏秋怡 王 杰 王海龙 刘 东

(西南科技大学土木工程与建筑学院， 四川 绵阳 621010)

青藏高原地处高寒地区，大气保温作用差，不能很好地保存地面辐射的热量，所以，即使是夏季，青藏高原大部分地区的平均气温也很低，日夜温差大，因而供暖周期较长，往往持续8～10个月，个别地区甚至终年供暖。在此背景下青藏高原丰富的日照辐射为全年供暖需求提供资源保障，太阳能资源在高原供暖中的应用得到普及[1]。但太阳能具有在时间和空间分布的不均匀性[2]。

为了实现全天候供暖，及充分利用太阳能，人们开始使用蓄热供暖。现阶段被广泛采用的蓄热方式有两种，水蓄热和潜热蓄热(相变蓄热)。但两种蓄热方式均存在着水箱体积过大，热量损耗的缺陷，且水蓄热式若发生水冻结现象，水管易爆裂[3]。孙晓雨[4]等人以拉萨地区为例研究了相变蓄热墙的供暖性能，发现定性相变材料可调节一日内供热量分布以改善供暖稳定性，可降低瞬时供热量日振幅32.5%，然而相变温度偏低时作用效果会明显变差。陈华[5]等人对复合相变材料与单一相变材料进行比较，发现热泵空调部分冷凝热回收模式下复合相变材料蓄热速率提升6.5%，温差减少44.1%。

因此，本文设计了一种结合热风系统与相变蓄热技术，并以地下通道通风供暖取代传统循环水供暖的新型太阳能相变蓄热暖风供暖系统(简称新型暖风系统)，以地面无水蓄热替代传统的水蓄热和传统热泵系统，不仅无需额外对通道做保温处理，还大大减少循环水的使用降低冻管的风险。

1 新型太阳能相变蓄热暖风供暖系统

1.1 系统设计

新型太阳能相变蓄热暖风供暖系统结构平面示意图如图1、图2所示。系统包括风机、热交换器、太阳能集热器、保温加热水箱、相变蓄热地暖及房间模拟装置，依靠暖风将室内空气和地板层中的相变材料进行加热蓄热。

图1 系统平面原理图

图2 系统立面原理图

1.2 系统运行

白天时，经太阳能集热管加热后的空气进入填充有相变蓄热材料的地下风道中，空气中的热量一部分沿地下风道吹向室内，由低到高对房间供暖同时送入新风；另一部分热量通过直接对流或导热片向相变蓄热材料传递并存储其中，如图3所示。夜间停止热风设备的运行时，如图4所示，将由相变材料满足房间负荷。

通过这种互补方式，新型暖风系统能够更高效利用高原地区太阳能资源，实现全天低能耗供暖。

图3 系统运行时(白天)热量传递过程示意图

图4 系统停止运行(夜间)热量传递过程示意图

2 数值模拟分析与实测分析

2.1 热风上下送对比数值分析

模拟空间长8m，高3.5m，所设参数如表1所示，a组为热风上送，b组为热风下送。

表1 数值分析预设参数

2.2 舒适度影响模拟

研究表明，室内空气流动的紊动特性对人体热舒适性影响很大。当室内气流湍流特性接近自然环境时，人体热舒适性更好[6]。

为验证新型暖风系统的预热速度及热风下送对于房间舒适度的影响，对系统房间模型内温度分布进行数值模拟。

考虑到青藏高原的低温和较低空气密度，修正输入的各项参数：地板下方送风初始温度为30℃，出口风速为3m/s，房间长宽高分别是6m，3.2m，3.2m。

2.3 模拟分析

由模拟结果可知，房间温度在10min左右便达稳定，说明暖风供暖的预热速度快、时间短。同时，相较于热风下送模式，热风上送模式在房间垂直方向上的高温空气主要分布于房间四周，中间的空气温度相对较低。

由此可见，采用热风下送方式供暖预热时间短，有利于改善房间垂直方向上的温度分布，避免头热脚冷的问题，有利于提高人体舒适度。

3 实验结果与分析

3.1 测试结果与数据分析

实验分别对新型暖风供暖系统：填充相变蓄热材料、填充水泥砂浆，普通地暖在同样全新风供暖的条件下进行测试，当供暖时长满足8h后关闭供暖系统，将采集的温度数据拟合成曲线。

3.2 对比结果

根据各实测模拟装置的温度变化曲线可总结比对结果如表2所示。

表2 实验数据比对结果

根据测试结果，新型暖风系统与传统普通地暖装置相比，室内空气温度与地板温度差值减小70%，预热时长减至1/2，弥补了传统地暖预热速度慢的缺陷。

总体上，新型暖风供暖系统相较于传统地暖供暖系统优势较明显，新型暖风系统无需大量循环水作为热载体，更容易维持水温，有效避免因循环水结冻而导致循环受阻、甚至爆管的问题。

4 结 语

本文提出了一种新型太阳能相变蓄热暖风供暖系统，该系统充分利用高原地区太阳能资源与相变蓄热技术，以地下通道暖风取代传统水循环供热，实现目标房间的快速预热与长时蓄热目的，能源得到最大化利用。进一步对系统的下送风方式和三种不同供暖系统进行研究。模拟了下送风方式时房间内温度分布，并测试整合三种供暖系统的温度变化曲线。结果表明，新型太阳能相变蓄热暖风供暖系统的下送风方式能够很好改善房间内温度分布，提高人体舒适度；相较于传统普通地暖装置，预热时长缩短1/2，室内空气温度与地板温度差值减小70%。本文提出的新型太阳能相变蓄热暖风供暖系统将传统能源及固体蓄热技术有效结合，提高预热速率；仅需少量水进行循环工作，有效避免高原地区因循环水结冻而导致循环受阻、甚至爆管的问题。