相變儲能地板在建筑節(jié)能的應(yīng)用

導(dǎo)語：相變儲能地板在建筑節(jié)能的應(yīng)用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：相變儲能地板能夠儲存和釋放大量的潛熱，削減供熱系統(tǒng)的負(fù)荷峰值，起到建筑節(jié)能的作用。相變儲能地板的傳熱過程復(fù)雜，其熱性能受到許多因素的影響。基于各類文獻(xiàn)資料進(jìn)行研究，從相變儲能地板的熱性能角度出發(fā)，對其影響因素的種類、影響規(guī)律及研究方法進(jìn)行了分類匯總，闡述了模擬研究和實驗研究兩種研究方法的特點。

關(guān)鍵詞：相變儲能地板；模擬研究；實驗研究

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，建筑能耗總量不斷增長，2000年至2016年期間，年平均增長率為7.37％[1]，從2.88億噸標(biāo)準(zhǔn)煤增至9.99億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。在日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)形勢下，相變儲能技術(shù)作為一種高效節(jié)能技術(shù)，越來越受到人們的關(guān)注[2-4]。相變材料可以在狹窄的溫度范圍內(nèi)提供大量的潛熱存儲，具有儲熱密度大、效率高、在近似恒定的溫度下吸熱和散熱的優(yōu)點[5-6]。在墻壁、屋頂、地板等建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，添加相變材料后，不僅可以使室外熱量通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入房間時發(fā)生時間上的延遲，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣溫度，改善室內(nèi)舒適度[7-9]，還可以有效地儲存能量，減少能耗節(jié)約能源[10]。相變儲能地板將相變材料與供暖地板結(jié)構(gòu)相結(jié)合，其傳熱過程復(fù)雜，由傳熱、對流、輻射、儲熱等過程組成，因此影響相變儲能地板熱性能的因素較多，其中主要包括地板幾何結(jié)構(gòu)、地板中材料的物化性、熱源和周圍環(huán)境。對影響相變儲能地板熱性能影響因素的研究，主要通過模擬研究和實驗研究兩種方法，相變儲能地板的熱性能主要通過室內(nèi)熱環(huán)境、地板溫度、地板熱流密度等體現(xiàn)。文章從相變儲能地板的熱性能角度出發(fā)，對相變儲能地板熱性能的影響因素和研究方法進(jìn)行了分類匯總，分析了各影響因素的影響規(guī)律，闡述了模擬研究和實驗研究的特點，為相變儲能地板的優(yōu)化及其系統(tǒng)的運行調(diào)控提供了參考。

1相變儲能地板熱性能的影響因素

1.1地板幾何結(jié)構(gòu)

相變儲能地板結(jié)構(gòu)主要包括地板裝飾層、儲熱層（或叫填充層、相變材料層）、絕熱層和基礎(chǔ)層。研究人員通過改變各層厚度來改變地板幾何結(jié)構(gòu)，研究各層不同厚度對相變儲能地板熱性能的影響。Xu[11]等通過利用已被驗證的相變儲能地板熱性能分析模型，分析了相變材料層厚度對室內(nèi)環(huán)境的影響。研究結(jié)果表明：相變材料層厚度大于20mm時，室內(nèi)溫度受相變材料層厚度的影響不明顯。因此，在實際應(yīng)用中，在其文章所述的條件下，相變材料層的厚度應(yīng)接近但不大于20mm。楊華[12]等建立了電加熱相變儲能地板的物理模型，研究了相變材料層厚度對相變儲能地板熱性能。研究結(jié)果表明：隨著相變材料層厚度的增大，相變儲能地板儲熱時間大大延長，不利于有效利用峰谷電之間的價差和節(jié)約能源，而且增加了投資成本。因此，相變材料層厚度的選擇不僅要考慮投資成本，還要充分考慮使用峰谷電是相變材料的優(yōu)勢。Li[13]等將新型FSPCM板材應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（特別是地板）中，針對3種不同的加熱模式，在不同的相變材料層厚度條件下模擬得到了平均室溫、地板平均溫度、地板平均熱流量的數(shù)值結(jié)果。結(jié)果顯示：對于3種不同的加熱方式，相變材料層厚度的大小也不相同，但都在200mm之內(nèi)。Huang[14]等通過已被驗證的數(shù)學(xué)模型分析了40mm、45mm、50mm、55mm、60mm的相變材料層厚度對相變儲能地板熱性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著相變材料厚度的增加，相變儲能地板的有效儲能比略有下降。

1.2材料的物化性

1.2.1相變材料的物化性相變材料的物化性包括相變材料的相變溫度、相變潛熱和導(dǎo)熱系數(shù)。葉宏等[16]將熔點為28.2℃、36.6℃、40.2℃、50.6℃的石蠟作為相變儲能地板的相變材料進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明：相變材料的熔點低時，系統(tǒng)每日耗電量高，大多數(shù)相變材料達(dá)到了相變溫度，能夠充分利用相變材料的儲熱能力。除此之外，還研究了相變區(qū)間分別為2℃、5℃、10℃時對相變儲能地板熱性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)相變區(qū)間越小，加熱效果越好。張群力[17]等將相變材料的相變溫度、相變潛熱和導(dǎo)熱系數(shù)對相變儲能地板的熱性能影響進(jìn)行了研究，分析了當(dāng)相變溫度分別為30℃、35℃、40℃時，相變儲能地板的熱性能。結(jié)果表明：相變材料的相變溫度為35℃時，相變儲能地板具有最大的儲能比。當(dāng)相變潛熱分別為75kJ/kg、100kJ/kg、150kJ/kg、200kJ/kg時相變儲能地板表面的平均熱流密度。結(jié)果表明：隨著相變潛熱的增加，相變材料層上表面的平均熱流密度的波動減小，地板的加熱穩(wěn)定性提高，儲能率略有降低。當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.2W/(m·K)、0.5W/(m·K)、0.8W/(m·K)、1.0W/(m·K)、1.5W/(m·K)時對相變儲能地板平均熱流密度的影響。結(jié)果表明：隨著相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)的增大，相變儲能地板表面的平均熱流密度顯著增加，但相變春泥更地板的儲能率略有減少。Cheng[18]等分析了導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.15W/(m·K)、0.3W/(m·K)、0.5W/(m·K)、1.0W/(m·K)、1.5W/(m·K)、2.0W/(m·K）對相變儲能地板在儲能過程結(jié)束后上下表面溫差的影響。研究結(jié)果表明，溫差隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增大而減小。陳思婷[19]針對地板表面的平均溫度分布，討論了相變材料的相變區(qū)間、相變潛熱對供暖系統(tǒng)的影響。通過觀察相變區(qū)間為0.5℃、1℃、2℃、3℃、4℃時地板表面平均溫度分布結(jié)果，可以得到：對于相同的熱量，相變區(qū)間越小，相變材料的儲熱時間約短，并且向地板表面和房間提供的熱量越多。通過觀察相變潛熱為110kJ/kg、130kJ/kg、150kJ/kg、170kJ/kg、190kJ/kg時地板表面的平均溫度分布結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在固定的運行條件下，相變潛熱越小，供暖系統(tǒng)越容易達(dá)到過熱狀態(tài)。朱婷婷[20]等對比了相變材料的相變溫度分別為295.3K、298.3K、301.3K、304.3K、307.3K、310.3K、313.3K、316.3K、319.3K的相變儲能地板對方腔內(nèi)空氣平均溫度的影響，結(jié)果表明：相變溫度均差3K時，當(dāng)儲能結(jié)束后相變材料進(jìn)入放熱時，方腔的溫差為1.1K。試驗對比了導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.202W/(m·K)、1.212W/(m·K)、1.74W/(m·K)時方腔的溫度，結(jié)果表明：選擇相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)盡可能大，以避免方腔內(nèi)溫升過慢，進(jìn)而影響供暖效果。總之，相變材料的相變溫度對相變儲能地板的儲能率、熱流密度和室內(nèi)空氣溫度都有很大的影響，相變溫度的選取應(yīng)該根據(jù)供暖參數(shù)以及相變材料的安裝位置綜合考慮；相變材料的相變潛熱越大，供暖系統(tǒng)的供暖效果越好；相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)越高，相變儲能地板表面的平均熱流密度越大，供暖效果越顯著。1.2.2其他材料的物化性Xu[11]選擇厚度相同，但是密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)不同的瓷磚、地板和金屬3種地面裝飾材料分別研究相變儲能地板的熱性能，結(jié)果表明：木地板的效果沒有瓷磚或金屬好，因為前者的導(dǎo)熱系數(shù)低于后兩者。Huang[14]等研究表明：裝飾材料的導(dǎo)熱系數(shù)越低，越有利于調(diào)節(jié)地板表面溫度。陳思婷[19]研究了當(dāng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.78W/(m·K)、2.78W/(m·K)、3.78W/(m·K)時房間的熱舒適性，結(jié)果表明：供暖系統(tǒng)的導(dǎo)熱系數(shù)越小，房間的熱舒適性越高，但系統(tǒng)過熱的可能性越大。

1.3熱源因素

1.3.1熱水型相變儲能地板閆全英[21]等在地暖實驗室中建立了一個實驗系統(tǒng)，通過實驗測試了相變儲能地板在不同的供回水平均溫度和溫差下的熱性能。結(jié)果表明：在加熱階段，地板表面溫度和地板表面的熱流量密度隨著供回水平均溫度的升高而升高。Huang等[14]模擬分析了供水溫度為35℃、37℃、40℃時相變儲能地板表面溫度變化。結(jié)果表明：供水溫度和相變材料的相變溫度差距太小，則不利于相變儲能地板的蓄熱。Zhou[22]等通過實驗和模擬對供熱管道分別采用PE管和毛細(xì)管的相變儲能地板熱性能進(jìn)行了比較。地板在鋪設(shè)時，PE管的管徑和管間距明顯大于毛細(xì)管，結(jié)果表明：采用毛細(xì)管作為加熱管道，房間的豎向溫度分布更均勻，達(dá)到室內(nèi)舒適溫度所需的儲能時間更短。1.3.2電加熱型相變儲能地板葉宏[16]等分別給出了電加熱功率為100W/m2、150W/m2、200W/m2時的定形相變儲能地板中相變材料層上下表面的溫度、室內(nèi)空氣平均溫度和地板表面溫度。結(jié)果表明：當(dāng)電加熱功率較小時，室溫保持在較低水平，當(dāng)電加熱功率達(dá)到或超過150W/m2時，室溫約為20℃；但是電加熱功率不應(yīng)該太高，否則不僅室溫波動太大，而且相應(yīng)的耗電量也會增加。陳思婷[19]等在固定地板輻射采暖系統(tǒng)中，將電熱膜的熱值分別設(shè)置為180W、190W、200W、210W、220W，研究地板表面的平均溫度分布。結(jié)果表明：電加熱膜的功率越大，加熱效率越快，地板表面平均溫度越高；但是當(dāng)加熱功率過高時，室內(nèi)溫度也過高，造成了能源的浪費。

1.4其他因素

研究人員分析了系統(tǒng)加熱模式、間歇加熱時間和相變材料DSC測試誤差對相變儲能地板熱性能造成的影響。Li[13]設(shè)置了3種不同的供暖系統(tǒng)加熱模式，模擬結(jié)果表明：加熱模式不同，對供暖系統(tǒng)的調(diào)控溫度、節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益都有顯著影響，系統(tǒng)加熱模式的確定與優(yōu)化分析對于后續(xù)系統(tǒng)的研究有重要意義。陳思婷[19]研究了環(huán)境溫度分別為5℃、10℃、15℃時相變儲能地板的平均溫度分布，結(jié)果表明：固定的供暖系統(tǒng)和操作條件下，環(huán)境溫度越低，供暖時長越短。閆全英[21]等對相變儲能地板進(jìn)行了間歇加熱的數(shù)值模擬來研究相變材料層的蓄放熱的性能，對于1h、2h、3h的間歇加熱時長，模擬相變儲能地板連續(xù)供暖12h的情況，觀察相變儲能地板表面溫度和熱流量的變化。結(jié)果表明：隨著間隔加熱時長的增加，地板表面的平均溫度及其變化率、平均熱流量及其變化率都越來越小。Feng[23]等對相變材料的DSC測試誤差結(jié)果對相變儲能地板熱性能造成的影響進(jìn)行了分析，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果存在33％～83％的誤差。

2研究方法

2.1模擬研究

自1970年代初以來，模擬分析的方法就已應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，主要采用的模擬方法包括數(shù)學(xué)模型、TRNSYS、ANSYS和Matlab，這些模擬方法積極地推動了相變材料的節(jié)能研究和實際使用[24]。葉宏[25]等使用焓法模型對采用定形PCM的相變儲能地板建立了理論模型，通過模擬預(yù)測了相變儲能地板供暖系統(tǒng)的熱性能。模擬結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有很高的能源利用率，并且可以提高熱舒適性。張群力[17]等通過建立地板分層的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，模擬分析了地板層的物化性對相變儲能地板熱性能的影響分析。陳思婷[19]、Huang[14]等、朱婷婷[20]等采用ANSYSFluent對相變儲能地板進(jìn)行了傳熱分析，使用有限體積方法，將非線性偏微分方程從網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為線性代數(shù)方程，模擬求解了各種影響因素產(chǎn)生的影響規(guī)律。

2.2實驗研究

研究相變儲能地板熱性能最合理的方法是直接在實際建筑物中進(jìn)行實驗，并通過比較室內(nèi)熱環(huán)境、系統(tǒng)運行能耗和運行成本對其進(jìn)行評估[26]。但是實驗成本高、操作難，面對這種情況，一些研究人員在人工環(huán)境下建造出局部的地板模型或可縮放的樣板房進(jìn)行實驗，通過實驗來驗證模擬結(jié)果，使模擬結(jié)果更可信。Zhou[22]建立了模擬房間，對采用不同蓄熱材料（砂土和相變材料）和加熱管道（聚乙烯盤管和毛細(xì)管）的相變儲能地板采暖系統(tǒng)在試驗室里的性能進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明，毛細(xì)管比聚乙烯盤管在供熱低溫地板系統(tǒng)中更加理想。

3結(jié)語

目前，國內(nèi)外學(xué)者對相變儲能地板的影響因素進(jìn)行了廣泛研究，但仍需要進(jìn)行如下更深入細(xì)致的工作:(1)相變儲能地板的影響因素較多，目前文獻(xiàn)大多只改變某一單一影響因素后再進(jìn)行影響規(guī)律的研究，對于多個因素共同影響的情況無從判斷。因此，相變儲能地板各個影響因素之間的影響關(guān)系需要進(jìn)一步研究。(2)目前，實測系統(tǒng)較少，且研究周期較短。應(yīng)針對相變儲能地板建立更多的實際建筑實驗系統(tǒng)，并對其長期運行狀況進(jìn)行監(jiān)測。

作者：李容容 黃凱良 關(guān)敬軒 趙碩 單位：沈陽建筑大學(xué)