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略论填充相变材料建筑结构层蓄能的研究
类别:行业资讯|建材产品|相变材料  日期:2010-12-9  来源:  点击率:69408  打印 关闭

 

    摘要: 分析了相变材料在建筑蓄能中的作用,对一种填充相变材料的建筑地面结构层蓄能过程进行了数值模拟研究,探讨了蓄能地面结构层内相变材料模块位置对结构层温度分布、蓄放热时间、供热工况以及相变材料利用率等因素的影响,得出在本模拟条件下满足所需功能蓄能采暖地板结构优化设计的方案. 将模拟方案与实测结果进行对比后发现,两者的吻合程度较高.
  关键词: 相变材料; 蓄能; 采暖地板; 数值模拟
  近年来,利用相变材料(p hase change material ,PCM) 的建筑蓄能已成为建筑节能研究中令人关注的问题,如围护中应用高密度储热材料建成生态住房、将相变温度适宜的相变材料封装成一定规格的模块置于建筑围护结构(墙体、地板或顶棚) 中蓄能等 . 本文主要研究填充相变材料的建筑结构蓄能性,并以蓄能地面为例,对其蓄、放热过程进行数值模拟,探讨在满足供热要求的前提下,相变材料模块位置对蓄能地面结构层内热性能的影响.
  1  填充相变材料的建筑结构层蓄能过程模拟
  1. 1  相变材料在建筑蓄能中的作用相变储能是指相变材料在相变过程中吸收或释放能量. 相变过程是一个近似等温并伴有大量能量吸收或释放的过程,这一相变潜热蓄热或蓄冷特性构成了相变储能材料能被广泛应用的理论基础. 在太阳能利用、峰谷电供热、工业余热和废热回收、建筑采暖和空调节能等领域,相变材料有着广阔的应用前景.
  用于建筑供热和空调方面的相变储能材料有很多,石蜡、水合盐类是100 ℃以下储能用相变材料的最佳候选材料[3 ] . 筛选相变储能材料时应满足:相变温度合适、相变潜热较高、密度较大、比热容较大和热导率较大等热力学要求;化学稳定性好、对容器材料无腐蚀性、不燃烧、不爆炸、无毒、对环境无污染等化学性质的要求;容易获得、价格便宜、制备方便的经济性方面要求.
  1. 2  建筑蓄能地面结构及其模型建立鉴于近年来国内外对相变蓄能墙体和地面的应用研究关注较多[4 ] ,本文基于一种实际工程中应用的建筑蓄能采暖地面结构,建立起理论计算模型,并利用CFD 数值模拟来探讨蓄能地面的储、放热过程及PCM 模块位置对地面采暖的影响规律. 该蓄能采暖地面结构见图1 ,其最下层为苯板绝热层,中间层为内置封装相变材料蓄能模块的混凝土埋管层,PCM 则被封装成圆台状形式的模块,布置于加热管周围,最上面覆盖装饰层.
  为分析方便,设研究对象中进行的是二维稳态传热过程. 取相邻两热管之间的地面结构为一模拟单元,单元内放置2 个封装的PCM 模块,并假设:
  (1) 相变材料固、液两相比热容、导热系数、密度均为常数,不随温度发生变化; (2) 忽略封装材料PVC/PE 的性质及厚度对传热的影响; (3) 加热管壁温恒定; (4) 由于对称,加热管中心面为绝热,保温层下界面及地板表面上界面均为空气温度Tf 和表面传热系数h 已知的第三类边界条件. 应用Fluent 自带的前处理软件Gambit 进行建模和网格划分. 模型生成网格如图2 所示,网格总数为12 192 个. 所选相变材料为一种相变温度适于地板采暖的水合盐类相变材料TH291. 3  蓄能地面的数值模拟通过大量模拟,得出了蓄能地面结构层内的热性能规律. 现以管间距160 mm 模型的模拟云图(见图3) 为例,来探讨地面结构层在蓄、放热过程中的温度变化情况.
  由图3 可见,在蓄热过程初期,靠近热管附近的混凝土先开始温升, PCM 模块从外围开始发生相变,液相区域逐渐向模块内部发展,这期间混凝土层内温升明显大于PCM 模块内部温升;随着加热时间的延长,PCM 模块内的温升范围明显扩大,并超过了外围混凝土,此阶段PCM 模块内部温升速度快于外围混凝土,直到PCM 模块全部完成从固相到液相的转化,蓄热过程结束.
  放热过程也有类似的规律. 在放热初期, PCM模块内在远离加热管侧出现凝固现象,地面结构层内降温不明显;随着放热时间的推移, PCM 模块内的凝固区域加大,地面结构层温度下降,且混凝土中的降温速率要快于PCM 模块,直到PCM 模块内全部变成固相,放热过程结束,此时地板表面的温度基本稳定在某一值(22 ℃) 附近.上述蓄、放热过程中地面结构层内的温度变化规律表明,加热/ 放热前半期,混凝土中的升温/ 降温速率快于相变材料,这时相变材料起到了抑制热量传输、平缓地板表面温度变化的作用;后半期相变材料内升温/ 降温速率快于混凝土,此时相变材料具有促进热量传递、拉动温度变化的功效.
  2  PCM 模块放置位置对蓄能的影响蓄能地板中填充PCM 模块的数量及其放置的位置取决于地面结构(加热管间距) 、蓄放热时间的要求、供热工况以及相变材料的利用率等诸多因素.
  为实现最佳效果,主要考虑: (1) 蓄能地板采暖要符合《地面辐射供暖技术规程》(J GJ 412 —2004) 的规定; (2) 依据不同热源,满足所需的蓄、放热时间:蓄能地板采暖可采用太阳能和利用夜间低谷电的供能方式,因此蓄热时间一般为6~8 h ,放热时间为16h 左右; (3) 加热期间,蓄能模块内的相变材料全部完成相变反应,使蓄能材料充分发挥作用; (4) 地面热量的分配以及地板表面温度的均匀程度,通常地板表面温差应尽量维持在2 ℃以内.
  对PCM 模块处于不同位置时的蓄能地板效果进行模拟,结果见表3. 其中的S 为放置于加热管两边的PCM 模块底边距离之半. 不同的PCM 模块位置对应着不同的S 值;加热管间距不同, PCM 模块放置的方式也不同. 由表3 可见,对于同一管间距,S 值越大(即PCM 模块距加热管越远) ,则地面平均温度越高、地面温差(即温度不均匀性) 越小,并且熔化(相变) 时间也越长. 由此可见, PCM 模块不一定是在加热管之间均匀布置为最佳,而是应依据蓄、放热时间、地面温度均匀性等要求来选取适宜的S值,合理变化PCM 模块在两加热管之间的位置,以便最大限度地发挥其蓄能作用. 根据大量数值模拟计算结果综合分析后,确定出在本模拟条件下,两加热管之间放置2 个PCM 模块比较合适,并建议采用160~220 mm 管间距的蓄能地面结构. 实测结果与模拟结果的对比对某工程应用中实施的蓄能采暖地板进行了实地测试. 该蓄能采暖地板结构及所用材料与本研究相同,其中的苯板绝热层厚度为20 mm ;瓷砖装饰层厚度为10 mm ;混凝土层厚度为35 mm ,其内布置管间距为160 mm ,直径为20 mm 的热水管,相邻加热管之间放置2 排上、下底直径分别为40 , 65采用相变材料的蓄能采暖地面有明显的温度调节现象:蓄热过程中,实测地面平均温度上升比较平缓,模拟结果则出现较快温升后趋于平缓的地面温度曲线,且模拟值普遍高于实测值,平均相对误差约为7. 8 %;放热过程中实测地板表面平均温度维持在21. 5 ℃左右,模拟的地板表面平均温度则在短时间内降至23 ℃附近,并在随后的10多个小时内保持在23 ℃以上,且该过程中的模拟值也均高于实测值,平均相对误差约为9. 1 %. 产生误差的原因可能主要与模拟时为简化计算而对模型进行的假设有关,如忽略封装材料PVC/ PE 的性质及厚度对传热的影响、实际三维地板结构采用二维模型等等.
  4  结语1. 蓄能建筑结构层中的蓄、放热特性因填充相变材料而发生变化. 由于相变材料的潜热远高于混凝土的显热,它在蓄热/ 放热的前期,对结构层内部温度变化速率起到抑制作用,在后期则起到促进作用,因此建筑结构层内填充的相变材料具有转移热量、平抑温度变化速率及调节建筑表面温度的功效,理论模拟和实测结果均表明了这一点.
  2. 填充PCM 模块数量(相变材料比例) 及模块位置( S 值) 决定了蓄能地面结构层的温度分布、蓄放热时间、供热工况以及相变材料的利用率等. 在本模拟条件下,蓄能地面结构层中两加热管之间放置2 个PCM 模块比较适宜,且PCM 模块不一定以均匀布置为最佳,模块位置距加热管越远(即S 值越大) ,在相同的条件下,相变材料全部完成相变的时间越长,此时地板表面温度的均匀性越好.
  参考文献:
  [ 1 ]  HAMDAN M A , ELWERR F A. Thermal energy storage u2sing a phase change material [J ] . Solar Energy , 1996 , 56 ( 2) :
  1832189.
  [ 2 ]  HAWES D W,BANU D ,FELDMAN D. The stability of phasechange materials in concrete[J ] . Solar Energy Materials andSolar Cells ,1992 ,27 (3) :1032118.
  [ 3 ]  刘 星,邱 林. 相变材料与建筑基体复合的相变维护结构热特性探讨[J ] . 建筑节能,2007 ,35 (4) :35237.
  LIU Xing , QIU Lin. Discussing on t hermal characteristics ofPCW combined t he phase change material wit h buildingmaterial [J ] . Building Energy Saving , 2007 , 35 ( 4) : 35237. ( inChinese)[ 4 ]  KIM J S ,DARKWA K. Simulation of an integrated PCM wall2board system[J ] . International Journal of Energy Research ,2003 ,27 (2) :2152223.
  [ 5 ]  邱 林,吴秀芬,刘 星,等. 太阳能蓄能地板采暖技术的应用研究[J ] . 暖通空调,2008 ,38 (3) :1182121.
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