一种新型相变储能炕系统
技术领域
本发明涉及建筑采暖设备技术领域，具体说是一种新型相变储能炕系统。
技术背景
目前，我国农村建筑采暖占我国建筑能耗总量的25％[1]，20世纪80年代以来，农村使用的能源(煤、电力和天然气)逐渐增加。每年取暖所消耗的煤约1亿吨，导致大约3亿吨CO2、100万吨SO2以及7000万吨NOx的排放[2]。由于全球能源消耗的持续增加，温室气体排放量巨大，已经引起了全球变暖问题[3]。在种形势下，我国可持续发展必将面临巨大压力。因此，提高农村建筑采暖节能的迫切性日益增强。2016年国家八部委联合下发《推进电能替代指导意见》，积极在北方推进“煤改电”清洁取暖[4]。京津冀地区大力推广“煤改电”和“煤改气”相关工作。据农业部统计，2004年大约有6685万炕，近4364万农村家庭(约1.75亿人)[5]使用。因此，火炕作为我国北方农村地区应用最广泛的采暖方式之一，值得进一步研究[6]。
然而，传统火炕存在如下缺点：由于燃烧大量煤等一次能源，每年供暖期会造成严重的大气污染[7]；由于排烟不畅导致烟气散入室内，造成室内空气污染甚至引起居民一氧化碳中毒[8]；热效率在20％以下[9]，燃料利用率低，造成能源的极大浪费；火炕表面温度分布不均匀可能造成人体的不舒适感[8]。
目前，一些研究者对火炕的结构进行了优化包括：一、太阳能炕[10]，将热水管嵌入炕板；这种方法存在的问题如下：1.蓄热性能差，晚上散热快；2.需要制作“炕盒”，支模浇注混凝土，抹平，洒水养护七天，制作过程繁琐，工期长；3.水管和炕板浇注为一体，易对水管造成挤压破坏，不易进行维修和更换。二、相变蓄热炕[11]，在传统火炕炕板上铺设相变材料；这种方法存在如下问题：1.需要单独制作带凹槽的炕板用于放置相变材料；2.将凹槽用密封材料密封，放置相变材料后，用木条密封，封装过程繁琐。3.仍用燃烧煤等一次能源产生的热烟为热源。在相变材料的封装问题上，存在以下几种方式：一、混凝土骨架或凹槽封装；二、金属盒封装；三、管道封装。以上方式存在的问题如下：1.封装过程繁琐，前两种需要制作特定的封装相变材料的容器；2.炕板与相变材料为一体，易对相变材料造成挤压破坏，不易进行检查和更换。
发明内容
针对上述现有技术不足，本发明提供一种新型相变储能炕系统。
本发明提供的一种新型相变储能炕系统是通过以下技术方案实现的：
一种新型相变储能炕系统，其特征在于，包括热源，热水循环系统和相变储能炕；所述热源包括太阳能集热器和辅助电源；所述热水循环系统包括水管、水泵和水箱；所述相变储能炕包括炕体和支柱，炕体从底部到顶部依次为预制混凝土板层，聚乙烯泡沫板保温层，反射膜，水管和相变材料层，空气层、预制混凝土板层；预制混凝土板尺寸为600mm×500mm×50mm，供水温度为60℃。
相变材料的选择，其特征在于：选取48号石蜡作为相变材料；
相变材料的封装，其特征在于：选用食品级聚丙烯塑料袋密封，放置于上下两层预制混凝土炕板中间，用支柱支撑上炕板，预留空气层，避免相变材料被挤压破坏。
水管的铺设，其特征在于：采用双回型铺设方式，将水管铺设于上下两层预制混凝土炕板中间，与相变材料间隔布置，用支柱支撑上炕板，预留空气层，避免水管被挤压破坏；水管的材料为PE-RT，管道内径为16.0mm，外径为20.0mm，盘管间距为200mm。
本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：1、本发明由于为预制混凝土炕板，无需浇筑、养护，搭建和拆卸方便，水管不与炕板浇筑为一体，不会对水管造成挤压破坏，容易对水管进行维修和更换；2、相变材料封装方式简单，无需制作特定封装容器，不与炕板为一体，不会对相变材料造成挤压破坏，易于检查和更换相变材料；3、本发明能够长时间维持舒适的炕面温度和室内空气温度。4、本发明具有良好的节能性。
附图说明
图1是本发明系统组成图
图2是本发明结构示意图
图3是测试建筑平面图
图4是炕面温度测量点布置方法
图5是室内空气温度测量点布置方法
图6是升温阶段不同进水温度下新型相变储能炕系统的炕面温度
图7是不同进水温度下新型相变储能炕系统的炕面升温速率
图8是升温阶段不同进水温度下沙子蓄热炕的炕面温度
图9是不同进水温度下沙子蓄热炕的炕面升温速率
图10是降温阶段不同进水温度下新型相变储能炕的炕面温度
图11是不同进水温度下新型相变储能炕的炕面降温温速率
图12是降温阶段不同进水温度下沙子蓄热炕新型相变储能炕的炕面温度
图13是不同进水温度下沙子蓄热炕的炕面降温温速率
图14是升温阶段新型相变储能炕和沙子蓄热炕炕面温度比较
图15是降温阶段新型相变储能炕和沙子蓄热炕炕面温度比较
图16是升温阶段新型相变储能炕和沙子蓄热炕炕面降温速率比较
图17是新型相变储能炕的炕面温度、室内空气温度和室外空气温度
图18是沙子蓄热炕的炕面温度、室内空气温度和室外空气温度
图19是新型相变储能炕和沙子蓄热炕的炕面温度比较
图20是新型相变储能炕和沙子蓄热炕的室内空气温度比较
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本发明的技术方案进行详细说明，该实施例仅用于解释本发明，并不做对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的一种新型相变储能炕系统，包括热源，热水循环系统和相变储能炕1。热源包括太阳能集热器2和辅助电源3；热水循环系统包括水箱4、水泵5和水管6；如图2所示，相变储能炕包括炕体和支柱7、8，炕体从底部到顶部依次为预制混凝土板层9，聚乙烯泡沫板保温层10，反射膜11，水管12和相变材料层13，空气层14，预制混凝土板15。相变材料选取48号石蜡，选用食品级聚丙烯塑料袋封装。将水管12和相变材料13铺设于上下两层预制混凝土炕板中间，用支柱8支撑上炕板，预留空气层14，避免水管12和相变材料13被挤压破坏。在炕和墙壁之间放置50mm厚的保温板16，以减少热量的流失。
上述实施例中，预制混凝土板9、15尺寸为600mm×500mm×50mm，供水温度为60℃。
上述实施例中，水管12的铺设采用双回型铺设方式，材料为PE-RT，管道内径为16.0mm，外径为20.0mm，盘管间距为200mm。
本发明的传热原理：系统运行时，热水通过水泵5在炕体内铺设的水管12中强制循环，热能由热水通过导热及对流的方式传递到炕体并储存，然后炕面通过对流和辐射的方式释放到室内；具体传热过程如下：在管内的循环热水将相变材料层13加热，相变材料层13将热量储存，进而加热空气层14，空气层14加热混凝土炕板15下表面，之后将热量传递给炕板上表面，炕板上表面向周围的空气和围护结构表面散热。
本发明中相变储能炕的搭建方法：
1、砌筑支柱7：用240mm×120mm的红砖砌筑，位于炕板交叉点的中心。
2、铺设下炕板9：用600mm×500mm×50mm的混凝土预制板铺设。
3、铺设保温板10：在下炕板上铺设厚度为20mm的挤塑聚苯乙稀保温板，并在聚苯板上铺反光膜11。
4、盘管12：管间距200mm，用卡箍固定。
5、铺设相变材料13和支柱8：将相变材料13平铺在盘管间距内，并放置支柱8，位于炕板交叉点的中心。
6、铺设上炕板15：用600mm×500mm×50mm的混凝土预制板铺设。
本发明的有益效果3和4通过以下实验验证：
一、实验装置
在唐山市一处典型农村房屋里建造了相变储能炕采暖系统实验模型。实验建筑尺寸为15m×9m×3m，有两个朝南的房间，见图3。建筑材料是红砖，所有的窗户都放在南墙上，大约占墙面积的40％。实验装置由热源、热水循环系统和相变储能炕系统组成。相变储能炕放置在一间卧室的东南角，靠着南墙和东隔墙，见图3。炕板由18块混凝土预制板组成，每块板的尺寸为600mm×500mm。在炕和墙壁之间放置50mm厚的保温板，以减少热量的流失。水管的材料为PE-RT，管道内径为16.0mm，外径为20.0mm，盘管间距为200mm。图3给出了测试房间和相变储能炕的布局，房屋和相变储能炕的基本信息列于表1中。
为了对比说明相变储能炕采暖系统的蓄放热性能，将蓄热层替换为沙子作为实验参照，石蜡层与沙子层厚度均为20mm，其他部分结构相同。石蜡和沙子的物理特性见表2所示。实验中的热源为可调温电加热水箱，并用热电偶监测水箱温度，确保供水温度分别恒定在30℃，40℃，50℃，60℃，循环水泵的功率为100W。
二、相变材料的选择
石蜡的化学性质稳定、无毒、无相分离、腐蚀性、相变潜热大、固一液相变过程容积变化小、在相变凝固的过程中无过冷现象、价格较低廉，被广泛应用于储能领域。石蜡的相变温度在20℃～60℃[12]，符合相变储能炕采暖表面温度的要求。根据人体舒适度对温度的要求，选取48号石蜡作为储能材料，其相变温度在48℃。石蜡的物理特性见表2所示。
三、相变材料的封装：
采用食品级聚丙烯塑料袋作为石蜡的封装材料，对人体没有危害，软化温度为148℃，满足低温供水最高60℃的要求，使用寿命为12年，不与石蜡发生反应[12]。由于采用上下为预制混凝土板，中间用支柱支撑的炕体搭建方式，在两炕板之间形成空腔用于放置相变材料，从而形成一个混凝土外壳，使得相变材料不会被挤压破坏。
表1房屋构件和相变储能炕系统的详细数据
表2石蜡和沙子的物理特性[13]
四、测量方法
利用热电偶测定炕表面温度、蓄热层温度、供水水温、室内和室外温度等关键参数，在实验开始前，对仪器热电偶进行校核，每隔十分钟记录一次。将T型热电偶放置在炕板上，以测量炕板的表面温度。T型热电偶也放置在供水管和回水管以及相变材料层中，以测量温度。图4显示出了炕面测量点的分布，炕板上表面均匀布置了有6个测温点，用来测量相变储能炕和沙子蓄热炕两系统的表面温度。为了测定室内空气温度，在房间中央均匀布置了3个距离地面0.1、1.1和1.5米高的测量点。测点布置如图5所示，实验仪器参数如表3所示。
表3设备名称及精度
五、测量条件
实验分为两个阶段：
(1)间歇运行阶段
第一阶段研究相变储能炕和沙子蓄热炕两系统的蓄放热性能，实验持续时间为2018年2月28日至2018年3月15日。在供水温度分别为30℃、40℃、50℃、60℃条件下，在同一时间分别对相变储能炕和沙子蓄热炕进行加热，在两个系统升温12小时后关闭水泵，停止热水循环，进行放热过程实验，观察两系统的蓄放热规律。
(2)连续运行阶段
第二阶段实验持续时间为2018年12月16日至2018年12月31日，本阶段研究相变储能炕和沙子蓄热炕两系统的热性能。系统稳定运行三天之后开始测量，测量了供水温度为60℃系统运行时的石蜡层和沙子层温度，炕面温度、室内空气温度和室外空气温度。该系统采用恒定进水温度运行，实验中水温保持在60℃。水箱和水泵在实验过程中运行稳定。
六、实验结果与分析
(1)间歇运行模式两系统的蓄热性
1、相变储能炕系统的蓄热期
改变进水温度，相变储能炕在蓄热期间的炕面温度如图6所示，炕面升温速率如图7所示，升温速率由Δy/Δx可得，见图6。由图可知，当进水温度变化时，在蓄热过程的前3h炕面温度迅速升高，进水温度越高，炕面升温速率越大，从30℃到60℃升温，升温速率从2.4℃/h升高到4.1℃/h(如图9A点到B点所示)，之后所有温度对应的升温速率都逐渐变小，炕面温度分别趋于23.1℃，25.3℃，26.8℃，28.3℃不变。石蜡潜热蓄热，升温较缓，炕面升温速率也越小，炕面温度缓慢升高。
2、沙子蓄热炕系统的蓄热期
图8所示在不同进水温度时，沙子蓄热炕系统在蓄热期间的炕面温度。炕面升温速率的拟合曲线如图9所示，升温速率由Δy/Δx可得，见图8。由图可知，炕面升温速率逐渐减小，直至降到室内环境的平衡温度。进水温度越高，炕面升温速越大，炕面温度在加热过程的前2h内迅速升高，从30℃到60℃升温，炕面升温速率从4.3℃/h升高到7.5℃/h(如图11A点到B点所示)，之后升温速率都逐渐变小，温度分别趋于19.6℃、22.5℃、24.5℃、26.5℃。沙子为显热蓄热，沙子层迅速升温，炕面升温速率也越大，炕面温度迅速升高。
(2)间歇运行模式两系统的放热特性
1、相变储能炕系统的放热期
图10显示了相变储能炕在放热期间改变进水温度时的炕面温度，炕面降温速率，如图11所示。降温速率由Δy/Δx可得，见图10。由图可知，炕面降温速率先增，到达最高点后又逐渐减小，直至降到室内环境的平衡温度。由于石蜡层释放潜热，炕面温度在开始降温前50分钟内呈上升趋势，并达到峰值温度。水温为30℃、40℃、50℃和60℃时，放热时间约3.5小时、4.5小时、5.5小时和6.5小时后，炕面温度低于21℃。经过14小时的放热过程后，炕面温度相对稳定，散热过程基本完成。
2、沙子蓄热炕系统的放热期
图12显示了沙子蓄热炕的在放热期间改变进水温度时的炕面温度。炕面降温速率如图13所示。降温速率由Δy/Δx可得，见图12。由图可知炕面降温速率先增，到达最高点后又逐渐减小，直至降到室内环境的平衡温度。当水温为40℃、50℃和60℃时，放热时间约1.5小时、3小时和4小时后，炕面温度低于21℃。水温为30℃时，炕面温度没有达到21℃。经过14小时的放热过程后，炕面温度稳定在室内环境温度附近。
(3)间歇运行模式两系统的炕面温度比较
图14和图15分别显示了在蓄热期间和放热期间进水温度为60℃时相变储能炕和沙子蓄热炕的炕面温度变化；放热期间相变储能炕和沙子蓄热炕的炕面降温速率如图16所示。在蓄热期间，两个系统的炕面温度变化趋势相似。与相变储能炕相比，沙子蓄热炕在蓄热期的炕面温度响应更迅速。经过12h的加热过程，两个系统的炕面温度相近，温差不到2℃。在放热期间，两个系统的炕面温度变化趋势不尽相同。与沙子蓄热炕相比，相变储能炕在放热期的炕面温度响应更缓慢，炕面温度峰值延迟50分钟，炕面降温速率峰值延迟5h。
石蜡层发生相变，释放相变潜热，而沙子层一直释放显热，温度变化快。相变储能炕炕面温度下降到20℃时所需的时间比沙子蓄热炕下降到相同温度所需的时间增加了2.7小时。在5：00时两者炕面温差达到最大值，相变储能炕的炕面温度比沙子蓄热炕的炕面温度高4.8℃。因此，相变储能炕的炕面能长时间维持较高的温度。
(4)连续运行模式两系统的热性能
测试期间天气为晴天，太阳辐射较强，室内气温主要受室外气温、太阳辐射和相变储能炕的影响。图17和图18分别显示了相变储能炕和沙子蓄热炕运行时室内空气温度、炕面温度和石蜡层与沙子层温度、室外温度变化的实验结果。
1、相变储能炕系统的室内热环境
在整个测试期间相变储能炕的温度变化如图17所示，室外平均温度为-7.3℃，室外环境温度的较低值出现在4：00～6：00为-12℃～-14℃左右，较高值出现在12：00～14：00为1℃～2℃左右，最大差值达到15℃。室内空气温度在8：00～17：00比室外空气温度高得多，相反在其他时间较低。这是因为室内空气温度是由太阳辐射和室外环境温度综合形成的，太阳辐射转化成热能具有延迟的作用。夜间室外空气温度降到-14℃，室内气温保持在10℃以上；白天室内气温大幅度上升到25℃。农村住宅建筑标准允许的最低室内温度为14℃[14]，由于测试时间为唐山市冬季最冷的几天，白天基本能满足室内空气温度热舒适的要求，晚上虽然室内温度很低，但是当地居民通常在这个时候准备在炕上睡觉。由于炕面温度较高，因此可以获得较高的舒适度。
2、沙子蓄热炕系统的室内热环境
在整个测试期间沙子蓄热炕的温度变化如图18所示，从室内空气温度分布可以看出，夜间室内空气温度变化不大，保持住6.1℃以上，白天室外气温最高时，室内空气温度为18℃。农村住宅建筑标准允许的最低室内温度为14℃[14]，只有12.5％的时间满足要求，这样的温度不足以维持农村居民的室内热舒适。
(4)连续运行模式两系统的室内空气温度和炕面温度比较
1、两系统室内空气温度比较
图19给出了相变储能炕和沙子蓄热炕的室内空气温度测试结果。该图表明，沙子蓄热炕的室内温度保持在8.5℃～17℃，相变储能炕的室内温度保持在10℃～25℃。平均室内温度分别为为10.6、13.5℃，相变储能炕的室内温度却比沙子蓄热炕高1.5℃～8℃，平均室内温度提高2.9℃。因此，相变储能炕具有更高的室内空气温度，能创造更舒适的热环境。
2、两系统炕面温度的比较
图20显示了相变储能炕和沙子蓄热炕的炕面温度曲线。由图可知，炕面温度在24℃～35.4℃之间变化，平均温度为26.5℃；炕面温度在21℃～29.4℃之间变化，平均温度为22.7℃。沙子蓄热炕的炕面温度却比相变储能炕的炕面温度低3℃～6℃，平均温度降低3.8℃。
由于人们与炕板直接接触，炕板表面温度必须控制在24℃～35℃范围内[1]，温度过高或过低可能导致烧伤或人体的不舒适感。相变储能炕的平均温度始终在24℃～35℃，符合人类热舒适要求。反之，沙子蓄热炕的平均温度低于24℃，不符合人类热舒适要求。结果表明相变储能炕可以维持整天舒适的局部热环境。
七、经济性和节能性
建造新型相变蓄能炕的材料为砖、混凝预制板、水管、保温板和石蜡等，简单易得、价格低廉，虽然水泵和水箱增加了初投资，但是实际应用后的节能效果明显。初投资费用见表4所示，总计1228元，价格比较低廉，在农村居民能够承受的范围内。
在间歇运行阶段，供水温度为60℃时，相变储能炕炕面温度下降到20℃时所需的时间比沙子蓄能炕下降到相同温度所需的时间增加了2.7小时，节省了约2.8kw/h的电量。
表4初投资费用
以上所述实施例仅表示本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限定。应当指出的是，对于本领域的技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
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