基于相變儲(chǔ)能技術(shù)的供暖幕墻創(chuàng)新性研究

田太鵬 郭睿桐 桂 靜

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新123000）

我國(guó)北方地區(qū)由于地理位置及氣候特點(diǎn)，在冬季普遍采用區(qū)域集中供暖的方式抵抗嚴(yán)寒。但隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們物質(zhì)生活水平不斷提高，南方集中供暖的呼聲也開始增多。北方集中供暖的管道設(shè)施較為完善，集中供暖所需的經(jīng)濟(jì)成本較低，南方大多數(shù)城市沒(méi)有集中供暖的設(shè)施基礎(chǔ)，重新修建將會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力。如今通過(guò)陽(yáng)光直接加熱圍護(hù)結(jié)構(gòu)從而利用太陽(yáng)能的方式，由于墻體熱容量大，熱量傳導(dǎo)緩慢，所以利用率不高，很難真正意義上達(dá)到節(jié)能減排的目的。Jaffrin A 等[1]人將六水合氯化鈣儲(chǔ)存在地下加熱溫室，結(jié)果表明在相同溫度情況下，相變溫室比普通溫度溫室節(jié)省加熱燃料。Kumari[2]等研究了相變材料對(duì)被動(dòng)式熱供暖溫室大棚的影響，用相變材料和保溫材料一體的異質(zhì)復(fù)合墻體板作為日光溫室背墻蓄熱保溫板，利用數(shù)值分析方法，研究發(fā)現(xiàn)相變材料可以顯著提高溫室背墻的蓄熱性能和保溫性能。國(guó)外較早的開始了相變材料應(yīng)用于日光溫室節(jié)能蓄熱的研究，積累了大量的數(shù)據(jù)和研究經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)較為領(lǐng)先。管勇[3]等研究了相變蓄熱墻體對(duì)日光溫室熱環(huán)境的改善，研究表明在不同天氣條件下，日光溫室北墻內(nèi)表面采用40mm厚的相變蓄熱墻體材料板。李曉野[4]、王宏麗[5]等人研究用Na2HPO4·12H2O 作為相變蓄熱主體與太陽(yáng)能集熱器相結(jié)合，設(shè)計(jì)制作太陽(yáng)能集熱器，應(yīng)用日光溫室。國(guó)內(nèi)雖然已有類似研究，但著眼點(diǎn)大多在于日光溫室，未提出利用建筑設(shè)備實(shí)現(xiàn)獨(dú)立單元供暖的方法。

為解決普通墻體熱容量大，用陽(yáng)光加熱圍護(hù)結(jié)構(gòu)能量利用率不高，且當(dāng)下相變儲(chǔ)能技術(shù)大多僅實(shí)現(xiàn)了能量的時(shí)間轉(zhuǎn)移等問(wèn)題，本裝置提供了一種基于相變儲(chǔ)能技術(shù)的滾筒式供暖幕墻（如圖1 所示）。

圖1 基于相變儲(chǔ)能技術(shù)的滾筒式供暖幕墻

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)供暖一般采用三種形式：集中供暖、地板輻射供暖以及燃?xì)夤┡Ｆ渲屑泄┡怯杀镜貐^(qū)的熱力集團(tuán)將市政熱力通過(guò)管線輸配到各家各戶，但如文章開頭所說(shuō)由于管線等基礎(chǔ)設(shè)施的匱乏，集中供暖在南方很難真正實(shí)現(xiàn)；地板輻射供暖通常需要用戶所在的小區(qū)配備鍋爐房，或用戶獨(dú)立設(shè)置燃?xì)獠膳癄t，這種方式供暖溫度均勻，效果好，但對(duì)管材要求較高且供暖費(fèi)用較為昂貴；燃?xì)夤┡蕴烊粴?、煤氣等作為能源，供暖時(shí)間可自行調(diào)節(jié)，但存在一定程度上的安全隱患?？紤]到現(xiàn)有供暖方式存在的問(wèn)題，為滿足大眾的使用需求，本裝置基于相變儲(chǔ)能技術(shù)，綜合太陽(yáng)能利用與建筑設(shè)備自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能時(shí)間和空間的轉(zhuǎn)移，使南方住宅利用清潔能源獨(dú)立供暖成為可能，符合當(dāng)下社會(huì)發(fā)展方向。

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.2.1 節(jié)能環(huán)保

基于相變儲(chǔ)能技術(shù)，利用相變材料的蓄熱性實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能時(shí)間的轉(zhuǎn)移，利用滾筒的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)能量的空間轉(zhuǎn)移，達(dá)到高效利用太陽(yáng)能的目的。

1.2.2 自動(dòng)控制：自動(dòng)分析環(huán)境參數(shù)，調(diào)整適當(dāng)數(shù)量的供熱單元供熱。

1.2.3 舒適性高：根據(jù)用戶實(shí)際需求和設(shè)定，靈活供暖，使室內(nèi)溫度保持在使用者需求的區(qū)域內(nèi)，極大地提高用戶舒適性。

1.2.4 性價(jià)比高：由于生產(chǎn)本設(shè)備的材料較為常見，生產(chǎn)工藝要求相對(duì)較低，且使用本設(shè)備僅需要少量電能供給就可以實(shí)現(xiàn)一戶家庭的供暖需求，所以性價(jià)比頗高，市場(chǎng)前景廣闊。

1.3 設(shè)計(jì)原理

填充相變材料的金屬滾筒，一側(cè)用黑色涂料上色，在蓄熱狀態(tài)下與外側(cè)玻璃罩構(gòu)成一個(gè)太陽(yáng)能集熱溫室，另一側(cè)用保溫隔熱的材料實(shí)現(xiàn)阻隔，保證了熱量的有效儲(chǔ)存。當(dāng)滾筒內(nèi)部的溫度傳感器檢測(cè)到相變材料的溫度達(dá)到一定值時(shí)。滾筒會(huì)在轉(zhuǎn)軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，集熱面與內(nèi)部擋板組合成散熱狀態(tài)，相變材料持續(xù)放熱，使室內(nèi)溫度維持在一個(gè)相對(duì)恒定值，實(shí)現(xiàn)能量時(shí)間和空間的轉(zhuǎn)移，達(dá)到高效利用太陽(yáng)能的目的。

1.4 總體架構(gòu)

本裝置提供了一種基于相變儲(chǔ)能技術(shù)的滾筒式供暖幕墻，由外側(cè)玻璃罩、相變儲(chǔ)能滾筒（包含了儲(chǔ)能與隔熱功能）、溫度傳感器、轉(zhuǎn)軸、保溫隔熱毛刷、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、邏輯電路控制板、內(nèi)側(cè)擋板組成。其中相變儲(chǔ)能滾筒通過(guò)蓄熱后的旋轉(zhuǎn)放熱實(shí)現(xiàn)了能量的時(shí)間和空間轉(zhuǎn)移。相變儲(chǔ)能滾筒采用導(dǎo)熱性能良好的金屬制成，一側(cè)圓弧面使用黑色涂料上色作為集熱面，在蓄熱狀態(tài)下與玻璃罩組合形成溫室，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能集熱，同時(shí)通過(guò)滾筒內(nèi)壁上的金屬肋片，更好地將熱量傳遞給滾筒內(nèi)填充的相變材料。另一側(cè)圓弧面使用保溫隔熱材料包裹，有效防止了熱量的散失。轉(zhuǎn)軸通過(guò)固定板在滾筒內(nèi)部與之相連，邏輯電路控制板控制電機(jī)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，控制整個(gè)裝置在集熱模式與散熱模式間的切換。內(nèi)側(cè)擋板表面布置溫度傳感器，用于檢測(cè)室內(nèi)空氣溫度，同時(shí)擋板下側(cè)開進(jìn)風(fēng)口，上側(cè)開出風(fēng)口，左右兩側(cè)固定封閉，距離相變儲(chǔ)能滾筒一定距離，提高整個(gè)裝置的供暖效果。所述的基于相變儲(chǔ)能技術(shù)的滾筒式供暖幕墻，各滾筒單元可以獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)儲(chǔ)能狀態(tài)與室內(nèi)溫度可以由邏輯電路控制板調(diào)整適當(dāng)數(shù)量的滾筒單元進(jìn)行供暖，使室內(nèi)溫度維持在一個(gè)相對(duì)恒定的值。邏輯電路控制板與室內(nèi)的溫度傳感器和相變儲(chǔ)能滾筒內(nèi)的溫度傳感器相連，通過(guò)收集實(shí)時(shí)參數(shù)，下達(dá)相應(yīng)指令，控制不同的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)合理數(shù)量的散熱單元供暖。保溫隔熱毛刷兩端固定，將相變儲(chǔ)能滾筒間的縫隙完全填充，達(dá)到保溫隔熱的目的，同時(shí)不影響滾筒正常轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)集熱模式與散熱模式的切換。

2 相變材料選擇

單一相變材料相變溫度固定，導(dǎo)致吸收熱品質(zhì)單一，形式確定后相變吸熱量及吸放熱速度都無(wú)法控制。本裝置為提高溫度控制的精度，利用不同相變溫度的相變材料組合，可吸收日光條件下不同品質(zhì)的熱量，如圖2 所示，利用峰值相變材料吸收高溫度熱量，中值相變材料吸收中等溫度熱量，低溫相變材料吸收基礎(chǔ)溫度熱量，且在不同需求下由不同溫度的相變材料釋能，從而使室內(nèi)溫度始終處于使人體感最佳的溫度區(qū)間。

圖2 溫度控制示意圖

3 溫控模式

本裝置利用相變儲(chǔ)能技術(shù)以及滾筒的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的時(shí)間和空間轉(zhuǎn)移。冬季白天日照充足時(shí)，滾筒的集熱側(cè)吸收熱量，通過(guò)金屬肋片將其傳導(dǎo)給內(nèi)部的相變儲(chǔ)能材料，利用其蓄熱性實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存，當(dāng)滾筒內(nèi)的溫度傳感器檢測(cè)到蓄熱量達(dá)到一定值時(shí)，邏輯電路控制板會(huì)結(jié)合室溫選擇數(shù)量合適的散熱單元供熱，使室內(nèi)的溫度維持在一個(gè)使人感到相對(duì)舒適的恒定值。夜間，相變儲(chǔ)能材料會(huì)將白天的蓄熱緩慢均勻地供給到室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)夜間室內(nèi)的相對(duì)恒溫。

4 創(chuàng)新性分析

高效利用太陽(yáng)能，符合碳中和的發(fā)展理念：太陽(yáng)能是日光溫室增溫的主要能源，太陽(yáng)能沒(méi)有地域的限制，可直接開發(fā)和利用，便于采集，且無(wú)須開采和運(yùn)輸。太陽(yáng)能不會(huì)污染環(huán)境，它是最清潔能源之一。但太陽(yáng)能的缺點(diǎn)在于分散性與不穩(wěn)定性，受晝夜及晴、陰、云、雨等隨機(jī)因素的影響。儲(chǔ)能技術(shù)能使能量產(chǎn)生與使用的時(shí)間與空間分離，儲(chǔ)能技術(shù)與太陽(yáng)能技術(shù)的結(jié)合，能有效彌補(bǔ)太陽(yáng)能的分散性與不穩(wěn)定產(chǎn)生的問(wèn)題。靈活供暖，正反饋控制：南方地區(qū)日照充足，不同朝向的住宅在不同時(shí)間段溫度差異巨大，供暖幕墻可分析外界環(huán)境參數(shù)以及相變儲(chǔ)能滾筒內(nèi)的蓄熱量選擇適當(dāng)數(shù)量的散熱單元供暖，在極大提高用戶體驗(yàn)感的基礎(chǔ)上也節(jié)約了能源。安裝方便：整個(gè)供暖幕墻設(shè)備采用一體化設(shè)計(jì)原則，體積較小，安裝方便，且因其較好的保溫隔熱效果，在季節(jié)變換時(shí)也無(wú)需頻繁拆卸。