086太阳能蓄能技术在夜间通风中的应用

太阳能蓄能技术在夜间通风中的应用重庆大学张亚芹卢军李永财杨露露摘要：本文探讨了集热面尺寸为1500mm×1000mm的太阳能通风屋顶，结合相变温度为40℃、60℃的相变蓄热材料时的间歇通风效果，研究了其温度场和自然通风量。结果表明，集热面及玻璃盖板的壁面温度随时间的变化一致，集热面的温度能够达到相变蓄热材料的相变温度。采用相变温度为60℃的相变蓄热材料时，10小时内的累计通风量为806.6m3，而采用相变温度为40℃的相变蓄热材料时，10小时内的累计通风量分别为615.4m3，说明60℃的相变温度比40℃的相变温度更有助于增加自然通风量。关键词：太阳能通风屋顶相变蓄热材料自然通风1引言建筑领域的能源消耗在整个能源消耗中占了很大的比重。一般来说，建筑能耗占总能耗的35.3-40%以上[1]，且一直呈现增加的趋势。其中大部分是用于建筑供热、通风和空调系统，而供热和供冷占了绝大部分[2,3]。因此，可再生能源的利用就变得尤为重要，尤其是太阳能。但是太阳能是具有时间性、间歇性及可变性的能源，最大的辐射强度只能出现在中午时分。如果能够实现全天供热和供冷的话，那效率会更高。因此，可以利用热能储存的办法来适应太阳能的变化[4]。这样就可以有效的降低能源需求和能源供应在时间和数量的不匹配[5]。在数量众多的储热材料中，相变蓄热材料（PCM）由于可以通过相变储存大量的热量，而且在熔化和凝固时温度几乎保持不变。这使得相变蓄热材料成为储存热量的绝佳选择[6]。在本文里作者将两种不同相变温度的蓄热材料与太阳能通风屋顶相结合，进行夜间通风实验，研究不同相变温度的蓄热材料间歇通风效果。2实验平台概况风管出风口支撑风管的铁支架厚玻璃板进风口填充蓄热材料的镀锌钢板箱体厚木板实验楼屋顶厚挤塑板钢筋水泥板图1太阳能通风屋顶侧面图红砖铁皮箱刷黑漆1500×10008玻璃1500×1400木板101500×1000挤塑板保温层钢筋水泥板1500×1300图2太阳能通风屋顶剖面图该实验平台搭建在重庆大学城市建设与环境工程学院实验楼的平屋顶上，其侧面图如图1所示。太阳能通风屋顶的结构如图2所示。集热面的尺寸为1500mm×1000mm，空气通道的尺寸为宽1000mm，高300mm，进风口的尺寸为400mm×200mm，出风口尺寸为1000mm×200mm，进出风口之间的高度差为2m。风管外表面由厚度为1cm的橡塑保温材料包裹，以减少热量散失。本实验中将相变蓄热材料填充在镀锌钢板箱体中，箱体的上表面刷黑漆，作为集热面。箱体的下方是采用30mm的挤塑板作为保温层。为避免保温层在填入蓄热材料时受到物理伤害，故在保温层上方设置一层木板起保护作用。空气通道上方是采用8mm厚的普通玻璃，两侧是140mm的水泥砖墙，它和玻璃之间用保温棉密封。3实验模型及仪器本实验确立了两个实验模型：模型1，在镀锌钢板箱体中储存相变温度为60℃的相变蓄热材料棕榈酸；模型2，在箱体中储存相变温度为40℃的相变蓄热材料月桂酸。两者其它条件相同：均为夜间通风，通道长度1500mm，通道间层高度300mm，出风管高度2000mm。主要实验仪器如下：（1）PC-2-T型太阳能辐射仪；（2）日本KANOMAX公司生产的A531型热式风速仪；（3）美国安捷伦34970A数据采集仪；（4）标定后的铜-鏮铜热电偶。4相变蓄热材料的选择相变蓄热材料的理想性能应具有以下特点：(1)熔点在所期望的工作温度范围内；(2)单位质量的相变潜热大；(3)比热大；(4)导热系数大；(5)相变时体积变化小；(6)凝固时无过冷或过冷度很小[7]。根据以上要求，本文选择脂肪酸中的月桂酸和棕榈酸作为本实验的相变蓄热材料。文献[8]中对月桂酸和棕榈酸进行了DSC（DifferentialScanningCalorimetry）测试，结果表明：月桂酸开始熔化的温度为40.70℃，熔化完的温度为47.14℃，相变点为44.01℃，熔化热为173.3KJ/Kg；棕榈酸开始熔化的温度为57.82℃，熔化完的温度为66.29℃，相变点为62.98℃，熔化热为201.9KJ/Kg。本实验中相变蓄热材料采用镀锌钢板制成的箱体封装。5实验结果处理与分析5.1壁面温度分析图3和图4分别为实验模型1和实验模型2的集热面、玻璃上表面、玻璃盖板下表面温度昼夜变化的实测值。9月13日0102030405060709:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:0022:0023:0000:0001:0002:0003:0004:00壁面温度/℃集热面玻璃下表面玻璃上表面图3太阳能屋顶通风系统壁面温度实测值9月30日0102030405060709:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:0022:0023:0000:0001:0002:0003:0004:00壁面温度/℃集热面玻璃下表面玻璃上表面室外图4太阳能屋顶通风系统壁面温度实测值两幅图都表明集热面及玻璃盖板的壁面温度随时间的变化一致。而由图3中可以看出，在12：30-16：00期间，模型集热面的温度高于60℃。由图4可看出，在11：00-17：30期间，集热面的温度高于43℃，两者都达到了蓄热材料的相变温度。说明这两天的累计太阳辐射能完全可以满足蓄热材料发生相变的条件。但是60℃相变蓄热材料的蓄热时间小于40℃相变蓄热材料的蓄热时间，说明前者比后者更难以完全发生相变。图4中，集热面温度出现最高值时刻，集热面的温度曲线变得平缓，甚至出现了直线段。这是因为此时集热面在向相变材料传热，而相变材料在进行相变吸热，温度一直维持在相变温度，故使得集热面升温缓慢，甚至不升温。而在17：30后，集热面温度呈下降趋势，开始低于60℃，这时集热面开始从相变材料处吸热。5.2间歇通风时自然通风量测试时间内平均风速很小，可近似忽略其对实验测试的影响，通风量的计算可按纯热压的条件下进行。其计算公式如下：Mu（m3/s）其中：M—自然通风量，单位m3/s；u—平均速度，单位m/s，1niinuun；A—太阳能屋顶通风系统出风管道截面积，单位m2。02040608010012014016018020018:0018:3019:0019:3020:0020:3021:0021:3022:0022:3023:0023:300:000:301:001:302:002:303:003:304:00通风量(m3/30min)9月12日9月30日图59月12日和9月30日测得的自然通风量图5为9月12日和9月30日测得的自然通风量。从图中可以我们得出以下结论：（1）随着时间越来越晚，通风量越来越少。而通风量随着时间的变化是波动的，并不是一直下降。这是因为一方面随着环境温度的下降，空气与集热面之间的换热温差加大，换热量增加，从而使得热压增大；另一方面，室外空气温度下降，使得出口处内部与外部空气的密度差加大；这两方面都加大了通风量。（2）模型1在18：00~20：00这个时间段内通风量基本保持不变，然后出现了较大幅度的下降。这是因为在开始通风阶段集热面的温度比较高，与空气通道中空气换热较强。故在这段时间内通风量较大。在过了20：00后通风量开始大幅下降，这是因为铁皮箱中上表面的蓄热材料不断释放热量首先发生相变，由液态变成了固态，妨碍了内部蓄热材料向集热面传递热量。集热面温度不能维持在以前的水平上，因此通风量出现了下降。（3）模型2通风量的变化趋势与模型1通风量的变化趋势是一致的。但是在模型2下，在18：00开始通风后，通风量便开始出现下降，并不像棕榈酸那样在刚开始通风后的某一段时间内通风量基本保持不变，然后才出现了较大幅度的下降。这是因为月桂酸蓄热能力较差，在较短的时间内铁皮箱中上表面的月桂酸就迅速发生相变，影响了实验后期的通风效果。806.6615.40200400600800100019月12日9月30日10小时累计通风量m39月12日9月30日图610小时累计通风量图6为9月12日和9月30日10小时累计通风量的对比分析图。9月12日10小时内的累计通风量为806.6m3，9月30日10小时内的累计通风量为615.4m3，前者大于后者，说明60℃的相变温度比40℃的相变温度更有助于增加自然通风量。6结论本实验研究了太阳能烟囱结合相变蓄热材料时的间歇通风效果。通过测定的数据可得到如下结论：（1）在白天蓄热期间，集热面的温度能够达到相变蓄热材料的相变温度，说明此间的累计太阳辐射能完全可以满足蓄热材料发生相变的条件。（2）在夜间通风过程中，由于相变蓄热材料不断的释放热量发生了相变，由液态变成了固态，妨碍了其下面蓄热材料向集热面传递热量，所以应该在蓄热材料中间加装肋片或者导热系数高的金属颗粒，以强化底部蓄热材料向集热面的传热。（3）在实验模型1下在10小时内的累计通风量为806.6m3。在实验模型2下在10小时内的累计通风量分别为615.4m3，蓄热材料为棕榈酸时10小时累计通风量大于蓄热材料为月桂酸时的累计通风量，说明60℃的相变温度比40℃的相变温度更有助于增加自然通风量。虽然本实验在精确测量夜间通风量等方面还有很大的改善空间，但是从以上实验数据依然可以看出，利用太阳能通风技术结合相变蓄热材料进行间歇通风有很大的工程应用价值，尤其是在重庆这种静风率高、空调负荷很大的地区，意义更加重大。参考文献[1]Arkar,C.FreecoolingofabuildingusingPCMheatstorageintegratedintotheventilationsystem[J].SolarEnergy.2007，(81)：1078-1087[2]宋德萱.节能建筑设计与技术[M].上海：同济大学出版社，2003[3]王如竹.关于建筑物节能及复合能量系统的几点思考[J].太阳能学报.2002，23(3)：322-355[4]ZalbaB，MarinJM，CabezaLF，MehlingH.Reviewonthermalenergystoragewithphasechangematerials[J].Heattranferanalysisandapplications.2003，23(3)：251-83[5]WeiXiao，XinWang，YinpingZhang，AnalyticaloptimizationofinteriorPCMforengerystorageinalightweightpassivesolarroom[J].AppliedEnergy.2009，(86)：2013-2018[6]HelmutWeinlader,AndreasBeck,JochenFricke.PCM-facade-panelfordaylightingandroomheating[J].SolarEnergy.2005，(78)：177-186[7]VineetVeerTyagi,D.Buddhi.PCMthermalstorageinbuildings:Astateofart[J].RenewableandSustainableEnergyReviews.2007，(11)：1146-1166[8]卢敬彦.太阳能通风技术实验研究[D].重庆大学硕士学位论文.2008-11