一种新型太阳能供暖体系的墙体运行方案实验研究
北京市住宅建筑设计研究院有限公司 过旸 李庆平 王国建 邓月超
【摘 要】为提高农村地区建筑室内温度，本项目提出了一种利用建筑内墙的新型太阳能供暖体系，即白天，安装在房顶的空气是太阳能集热器产生热风，送入建筑内墙，在加热内墙后，通入室内，加热室内环境；夜晚，被加热的内墙逐渐降低温度，为室内供暖。本文通过实验的方法，该供暖体系中墙体的构筑方式以及空气流动方式，为太阳能墙体供暖体系的优化设计提供基础数据参考。
【关键词】太阳能供暖，墙体供暖；构筑方式；实验研究
1 引言
众所周知，我过仍是一个农业大国，农村人口占到全国总人口的50%以上。然而，由于社会等原因，我国北方地区农村仍无法实现集中供暖，致使农村建筑室内温度偏低。
然而，我国农村现在房屋多为矮小的建筑，这位太阳能供暖提供了条件，因此本文提出了一种新型太阳能墙体供暖体系，如图1，即，白天，两个房间室内的空气在风机的作用下被送入太阳能空气集热器进行加热，加热后的热空气被送入空气砖内墙的空气通道加热空心砖，并被送入房间内部为房间供暖；夜晚，关闭风机，被加热的内墙温度逐渐降低，向室内散热，为房间供暖。因此，空心砌块砖的构筑形式和空气流动方式直接关系着白天砌块蓄热量和夜晚的放热量[1] 。
基于此，本文搭建了砌块层空气蓄热试验台，通过对其传热与流动过程的理论分析和实验研究，认识并把握影响砌块层蓄热性能的关键影响参数及其影响规律，为新型太阳能主动式相变蓄热墙体供暖体系优化运行设计及其在可再生能源利用技术中的高效应用提供方法参考。
2 材料及方法
2.1 试验对象
试验台位于北京地区室内，外观图如图2。砌块墙长1.76m，高1.14m，厚0.19m，横向由4列390mm×190mm×190mm的砌块和1列200mm×190mm×190mm的砌块组成，纵向由6行砌块组成，其中试验台内部有9个140mm×120mm×1140mm空气通道，空气通道最下面一行砌块壁面均有直径为120mm的孔洞，便于接入送风管。为了提高墙体的导热和蓄热能力，本实验采用两个空气通道送风，其他空气通道填满密实的沙子，其材料特性如表1。试验台所需的热风由电加热器供给，其精度可控制在1℃内。电加热器与墙体由保温的送风管连接。为了保证实验条件一致，室内环境受空调控制，其精度为±1℃。
2.2 测点布置与数据采集
试验共布置了132个测点，其中3个测点布置在室内环境中，监测墙体所在的环境的温度，129个测点布置在砌块墙体表面及内部，监测砌块层的温度和热空气温度。测点在高度方向共布置3层，如图5a，其中最下层测点主要监测热空气进风水平面的砌块及空气温度，中间层测点监测砌块中间层的砌块和热空气温度，上层测点主要测试空气流经4层砌块（0.76m）后的出风温度及砌块温度。各水平面测点如图3b。风速测点主要布置在电加热器与墙体连接管道中间断面。
试验温度由T型热电偶测量，用Agilent巡检仪，每30s采集一次，其精度为±0.5℃，风速采用Testo 435多功能测量仪，每30s采集一次，其精度为±0.01 m/s。
2.3 砌块层蓄热特性影响因素分析
图3为图2a) 砌块层在热空气以下进上出方式流入时砌块单元的流动与传热过程示意图。空气经过太阳能空气集热系统加温后，被输送至砌块层内部的空气通道，由于热空气与砌块层温差较大，在空气通道内表面形成较强的对流换热，通过对流换热的方式将显热传给砌块层内表面；随着砌块层内表面温度的上升，所获得的热量将由砌块层内表面以热传导的方式进入到砌块层内部，砌块层内部温度升高。
因此，影响砌块层蓄热性能的因素大致可归纳为：1）热空气的温度和流速，它们直接决定着单元体内的热源的大小，直接影响砌块层的蓄热量；2）热空气的流动方向，其可以影响热空气与砌块层内表面之间的对流换热充分性；3）通气管内部扰动，其影响热空气的均匀性，改变热空气的对流换热系数；4）通气管的管间距，当砌块层的材料热物性参数一定时，管间距直接关联砌块层内的热量传输速度；5）砌块层墙体高度，墙体高度一方面反映了墙体的蓄热容量，同时也关联热空气沿流动方向换热的充分性。
2.4 实验方案
由于受到试验台高度及管间距无法变化的限制，因此本研究主要认识并把握热空气的温度、流速、流动方向、空气管内部扰动等因素对砌块层蓄热特性的影响规律，故采取改变单一变量法进行实验研究，实验方案如表2。
2.5 评价方法
（1）砌块温升
砌块温升为砌块各层水平面对应相同位置测点温度平均值与其初始时刻平均值之差，其可以评价墙体蓄热能力及大小[2]，如式（1）。
式中：ΔTm(τ) — τ 时刻 m 位置砌块测点的温升，℃；
Tlm(τ) — τ 时刻 l 层 m 位置砌块测点的温度，℃；
Tlm(0)—初始时刻 l 层m位置砌块测点的温度，℃；
（2） 砌块墙体温度
砌块墙体热流密度如式（2）。对于砌块墙体为各向同性，因此根据已知的测点温度即可求出任意测点的温度。
q=-λgradt （2）
式中： q—墙体热流，W/m2；
λ—墙体材料的导热系数，W/(m·℃)，其值如表1；
gradt—温度梯度，℃/m；
（3）砌块墙体蓄热量
实验砌块墙体可以简化为如图4模型，其蓄热量如式（3）。
式中：Q(τ) — τ 时刻砌块模型的蓄热量，kJ；
xi— i 节点的x坐标，m；
yi— i 节点的y坐标，m；
zi —i 节点的z坐标，m；
cijk—坐标（xi，yi，zk）处材料的比热，kJ/(kg·℃);
ρijk—坐标（xi，yi，zk）处材料的密度，kg/m3;
Tijk (τ)— 时刻坐标（xi，yi，zk）处温度，℃;
Tijk (0)—初始时刻坐标（xi，yi，zk）处温度，℃;
其中，当0.04≤xi≤0.18且0.035≤yk≤0.155 时，此部分为空气腔，其内部热量不为墙体蓄热量，即可令cijk =0，ρijk =0；当0.22≤xi≤0.36且0.035≤yk≤0.155 时，此部分为填满砂子的空气腔，cijk= cs，ρijk =ρs；其他情况，为填满砂子的空气腔，cijk= cb，ρijk =ρb；
3 实验数据分析
3.1 热空气温度的影响
为了探究热空气温度对砌块层蓄热特性的影响，砌块层蓄热特性其他影响因素不变，分别控制热空气供风温度与空气腔初始温度差值为21.0℃、24.5℃、31.1℃进行试验研究，其它实验条件如表2中Case1，连续供热8小时后墙体温度分布如图5。从图中可以看出，各测点砌块温升随着距空气通道距离的不同而不同，其中空气通道内表面温升最高，空气通道附近砌块内部测点温升其次，填满砂子的空气通道附近最低，并且在距空气通道相同距离的砂子测点温度较砌块测点温度低，这与其各自的导热系数有直接关系；砌块温升随着供风温差的增加而增加，且在25℃温差后，增加速率有所减缓。
3.2 热空气风速的影响
图6表示供热8小时后不同供风速度下砌块温升关系，其实验条件如表2中Case 2。从图中可以看出，不同的供风速度对砌块温升有不同的影响。在供风速度0.16-0.24m/s，砌块温升随着风速的升高而升高，在供风速度0.24-0.52m/s时，随着供风速度的增加，温升逐渐降低，在供风速度大于0.52m/s时，砌块温升基本不变。
3.3 热空气流向的影响
图7表示热空气流向与砌块温升关系，其实验条件如表2中Case 3。从图中可以看出，上送下回所有测点的温升均高于下送上回的，其中最高提高2.1℃，最低提高0.8℃。其主要是由于下送上回时，由于在进风口进入砌块墙体内存在一个90°弯头，其在弯头内部形成涡流，而上送下回时，由于空气直线下送，并且热空气在流出墙体时由于存在弯头增大了气体流动的阻力，提高了热空气换热的能力。
3.4 空气管扰动的影响
图8表示空气管内部是否存在扰动对砌块温升的影响关系，其中当加入扰动时，即为在空气通道中心加入3根30mm×30mm×950mm，其间隔为10mm以等边三角形排列，其他条件如表2中Case 4。由图中可以看出，在空气通道中加入扰动有利于砌块墙体的蓄热，其各测点的温升均得到了明显的提高，最高提高2.5℃，最低提高1.0℃。
4 结论
1）基于本研究提出的新型太阳能主动式相变蓄热墙体供暖体系，建立了中间层砌块墙体试验台，通过不同工况实验分析了热空气的温度、流速、流动方向、空气管内部扰动等因素对砌块层蓄热特性的影响规律，并提出应用于该试验台最有工况：供风温差为24.5℃，供风速度为0.24m/s，供风类型为下进上出，且管内加入扰动。
2）基于试验台试验结果，建立数学模型，分析了砌块墙体在水平面和竖直方向温度，分布，研究发现墙体水平面和竖直方向温度均得到了明显的升高，但是在高度一半后温升变化速率减缓，且在水平面其影响半径约为0.2m，且距空气通道相同距离的砂子测点温度较砌块测点温度低。
参考文献：
[1] 陈晨, 刘艳峰, 王登甲, 等. 集热蓄热墙保温构造形式优化及适应性分析[J]. 太阳能学报, 2016,37(11):2889-2895.
[2] 吴彦廷, 周国兵, 杨勇平. 太阳能相变蓄热集热墙二维非稳态模型及分析[J]. 太阳能学报, 2012(06):948-952.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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