劉馨潞,李隆鍵,崔文智,馮 雅,李維平

(1.重慶大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院;低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044;2.中國(guó)建筑西南建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,成都 610041)

相變蓄熱是利用相變材料在發(fā)生相變時(shí)所產(chǎn)生的較大能量的吸收或釋放而進(jìn)行的能量存儲(chǔ)方式[1]。相變材料作為蓄熱介質(zhì),能減小房間晝夜溫差,增加室內(nèi)熱舒適性。國(guó)內(nèi)外相變蓄熱系統(tǒng)的相關(guān)研究中[2-5],多將相變材料敷設(shè)于地板下構(gòu)成地板采暖系統(tǒng),主要有結(jié)合太陽(yáng)能空氣集熱器和利用電加熱2種類型,但無(wú)論采用哪種系統(tǒng),通常要在相變層上再鋪設(shè)8～14 cm厚的普通地板和保溫層,導(dǎo)致相變層到室內(nèi)空氣的傳熱過(guò)程熱阻較大,需夜間通風(fēng)將儲(chǔ)存的熱量送入室內(nèi)。目前,關(guān)于相變蓄熱墻的研究,多采用封裝有相變材料的塑料管,通過(guò)鐵架橫向固定,利用管外的熱空氣,加熱相變材料并蓄熱[6]。將熱空氣通過(guò)固定在相變蓄熱板內(nèi)的管道與相變材料換熱,并將相變蓄熱板置于墻體內(nèi)側(cè)形成相變蓄熱墻,與恒定功率的電加熱器和風(fēng)機(jī)共同組成熱風(fēng)式相變蓄熱采暖系統(tǒng)。蓄熱系統(tǒng)能明顯減小相變板與室內(nèi)空氣之間的傳熱熱阻,白天將熱能儲(chǔ)存在管外相變材料中,夜間通過(guò)自然散熱將蓄熱板儲(chǔ)存熱量釋放出來(lái)用于采暖,減少了夜間通風(fēng)能耗。該系統(tǒng)可采用太陽(yáng)能空氣集熱器加熱,結(jié)合被動(dòng)式太陽(yáng)房,應(yīng)用于晝夜溫差大、太陽(yáng)輻射強(qiáng)的寒冷地區(qū)(如西北、青藏高原地區(qū)),降低采暖能耗。筆者從實(shí)驗(yàn)和模擬兩方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了研究,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試熱風(fēng)式相變蓄熱系統(tǒng)采暖效果,建立了熱風(fēng)式相變蓄熱建筑熱特性仿真模型,通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,為熱風(fēng)式相變蓄熱建筑的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

為研究熱風(fēng)蓄熱的采暖效果,建造了尺寸和圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造均相同的兩間房進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。房間地點(diǎn)在重慶,一間裝有相變蓄熱系統(tǒng),另一間為無(wú)相變蓄熱系統(tǒng)的普通房間。房間長(zhǎng)、寬、高尺寸分別為1.5 m×1.5 m×1.7 m,東北墻安裝有夾心塑鋼門(0.6 m×1.5 m),房屋主體結(jié)構(gòu)采用190 m空心磚,水泥砂漿層厚度為10 mm,屋頂采用夾心彩鋼板,保溫層厚5 mm。

實(shí)驗(yàn)采用的相變材料為癸酸(CA),密度850 kg/m3,相變溫度27.9～31.2℃,熔化潛熱142.7 J/g,凝固潛熱145.1 J/g,液相比熱2.08 kJ(/kg·℃),液相和固相導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.14 W/m·℃、0.19 W/m·℃。

熱風(fēng)式相變蓄熱板平鋪于實(shí)驗(yàn)房間西南墻內(nèi)側(cè),共3塊,單塊相變蓄熱板的外觀尺寸為500 mm×1 500 mm×10 mm,采用1 mm厚不銹鋼板焊接而成,如圖1所示。相變蓄熱板的頂部設(shè)有灌注口和排氣孔,底部設(shè)有排液口,內(nèi)部灌注有28.6 kg的相變材料,灌注相變材料時(shí),相變蓄熱板內(nèi)部多余的空氣,可由蓄熱板頂部的排氣孔排出。在相變蓄熱板水平方向的中心位置,布置有3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),如圖1所示,A點(diǎn)、C點(diǎn)分別距頂部和底部10 mm,B點(diǎn)距頂部700 mm。此外,相變蓄熱板內(nèi)部平均布置有10根長(zhǎng)度為1 600 mm的進(jìn)風(fēng)銅管,銅管的外徑為8.5 mm,內(nèi)徑為8 mm,銅管的間距為50 mm,在銅管兩端布置有不銹鋼集流管,熱風(fēng)沿圖中箭頭方向在管內(nèi)流動(dòng),3塊相變蓄熱板的不銹鋼集流管串聯(lián)連接。圖2為采暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖,包括相變蓄熱板的實(shí)物圖和實(shí)驗(yàn)房間的外觀。

圖1 相變蓄熱板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the heat storage plate

圖2 采暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖Fig.2 Picture of the experiment locale

實(shí)驗(yàn)采用額定功率600 W的電加熱器模擬太陽(yáng)能空氣集熱器加熱空氣。使用離心式風(fēng)機(jī)向相變蓄熱板送風(fēng),風(fēng)量為240 m3/h。圖3是該相變蓄熱系統(tǒng)的原理圖,以及房間內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)的布置圖。相變蓄熱系統(tǒng)由電加熱器、風(fēng)機(jī)、相變蓄熱板以及測(cè)量裝置組成。在白天的時(shí)候,空氣經(jīng)電加熱器加熱,通過(guò)離心風(fēng)機(jī)抽送至實(shí)驗(yàn)房間的相變蓄熱板中,加熱相變材料至發(fā)生相變,達(dá)到蓄熱的目的。在夜晚的時(shí)候,關(guān)閉加熱裝置和風(fēng)機(jī),相變材料中吸收的熱量則釋放出來(lái),對(duì)房間內(nèi)進(jìn)行供暖。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間為11月16日—11月30日,共計(jì)14天。實(shí)驗(yàn)期間早上9:00開(kāi)始對(duì)相變蓄熱板進(jìn)行蓄熱,傍晚18:00停止蓄熱,同時(shí)一直關(guān)閉房門,室內(nèi)外只依靠圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了相變蓄熱房間和普通房間的室內(nèi)平均溫度、相變蓄熱板一側(cè)內(nèi)墻表面的溫度變化,另外,在沒(méi)有相變蓄熱板的墻體兩側(cè)也布置有熱電偶,以測(cè)量房間內(nèi)外的溫度變化,如圖3所示。根據(jù)相變蓄熱板空氣進(jìn)出口溫度(IN,OU),可以獲知相變蓄熱板的蓄熱量。使用溫濕度自記儀和太陽(yáng)能輻射測(cè)試系統(tǒng)記錄室外氣象參數(shù)。

圖3 熱風(fēng)式相變蓄熱系統(tǒng)原理及測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Layout of the point for temperature measurement

2 系統(tǒng)模型

基于軟件TRNSYS中的建筑模塊,利用FORTRAN語(yǔ)言自定義編寫的熱風(fēng)式相變蓄熱墻體傳熱模型,可模擬得到相變蓄熱建筑的動(dòng)態(tài)熱特性[7-10]。

相變傳熱過(guò)程與一般傳熱過(guò)程不同,存在兩相共混區(qū),考慮到求解相變傳熱過(guò)程的復(fù)雜程度,文中采用等效熱容法,可將相變材料的潛熱熱容視為當(dāng)量比熱容,將相變傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為單相的非線性導(dǎo)熱過(guò)程,在這個(gè)過(guò)程中溫度場(chǎng)是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。采用階梯比熱容函數(shù)計(jì)算當(dāng)量比熱容[11],表達(dá)式為

其中,Cf為當(dāng)量比熱容;Cs、Cl分別為相變材料在固態(tài)和液態(tài)時(shí)的比熱大小,kJ/(kg·℃);L表示相變材料的潛熱量,J/g;Ts、Tl為DSC法所測(cè)得的相變起始和結(jié)束的溫度值,℃。

熱風(fēng)通過(guò)銅管向相變材料的傳熱過(guò)程,可以處理為換熱模型中的內(nèi)熱源項(xiàng)[12-13],通過(guò)相變蓄熱板的傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程,以便與TRNSYS軟件的其他部件連接。以1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元即1根銅管的傳熱面積為研究對(duì)象,內(nèi)熱源Sg表達(dá)式為

其中,Rw、Ri、Rv為空氣與銅管間對(duì)流換熱熱阻、銅管導(dǎo)熱熱阻和銅管與相變材料間導(dǎo)熱熱阻,m2·℃/W;Tf為管內(nèi)空氣進(jìn)出口平均溫度,℃;Tv為相變材料平均溫度,℃。

引入“焓-多孔度”模型[14],用液相率f表示相變材料中液相所占的比例,可用來(lái)描述潛熱釋放量的大小。因此,其控制方程為

其中,fl為液相率;ρf為隨液相率變化的密度大小,ρs、ρl分別為固液、液相的密度,kg/m3;λf為隨液相率變化的導(dǎo)熱系數(shù),λs、λl分別為固液、液相的導(dǎo)熱系數(shù),W/m·℃。

圖4為TRNSYS軟件中搭建的相變蓄熱系統(tǒng)運(yùn)行原理圖,所用到TRNSYS的模塊有:天氣信息模塊(Type109)、啟停控制模塊(Type14)、焓濕圖模塊(Type33)、相變蓄熱模塊(Type205)、建筑模塊(Type56)、數(shù)據(jù)輸出模塊(Type65)、太空溫度計(jì)算模塊(Type69)、輻射處理模塊(Type16)。計(jì)算時(shí),將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的室外干球溫度、水平面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、空氣進(jìn)口溫度導(dǎo)入建立的TRNSYS模型中進(jìn)行計(jì)算。設(shè)置啟?？刂颇K(Type14)的輸入信號(hào)1為白天,0為夜間,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。保持蓄熱板管內(nèi)白天空氣的進(jìn)口溫度,夜間沒(méi)有空氣進(jìn)入。在蓄熱模塊中編寫程序,使相變墻體達(dá)到白天蓄熱,夜間放熱的效果。

圖4 相變蓄熱系統(tǒng)運(yùn)行原理圖Fig.4 Schematic of the operation of the heat storage system

3 結(jié)果討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5給出了相變蓄熱板進(jìn)出口空氣溫度的實(shí)驗(yàn)值。實(shí)驗(yàn)中,相變蓄熱系統(tǒng)中的熱風(fēng)流量為26 m3/h,由于室外環(huán)境溫度的變化,以及進(jìn)風(fēng)量的波動(dòng),熱風(fēng)進(jìn)入相變蓄熱板的最高溫度為65～69℃,流出相變蓄熱板的最高溫度為23～25℃,熱風(fēng)的進(jìn)出口溫差為40℃。可以得知,相變蓄熱板吸收的熱量為378～397 W,蓄熱系統(tǒng)的熱損失為35%。

圖5 相變板內(nèi)銅管進(jìn)出口空氣溫度Fig.5 Temperature of air inside the copper tube

圖6給出了裝有相變蓄熱系統(tǒng)的房間與普通房間室內(nèi)平均溫度對(duì)比。可以看出,相變房間白天峰值溫度在20℃,夜間峰谷溫度高于15℃。在安裝有相變蓄熱系統(tǒng)的房間中,溫度變化較大,普通房間中的溫度波動(dòng)較小,2個(gè)房間平均溫度相差3～5℃,最高達(dá)5.5℃。驗(yàn)證了相變蓄熱板可以有效調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度,提高夜間的房間溫度。

圖6 相變房間與普通房間室內(nèi)溫度對(duì)比Fig.6 Compariosn of room temperature

3.2 模擬結(jié)果分析

圖7顯示了布置在管路中間的相變蓄熱板內(nèi)部相變材料的溫度變化?？梢钥闯?相變材料沿高度方向的溫度變化非常明顯。底部相變材料無(wú)法達(dá)到相變溫度,沒(méi)有發(fā)生相變。而靠近空氣入口的頂部相變材料在所有白天都達(dá)到了相變溫度?？梢园l(fā)現(xiàn),在白天的時(shí)候,相變材料模擬得到的平均溫度介于A點(diǎn)、B點(diǎn)溫度之間,這是由于熱風(fēng)的溫度沿流動(dòng)方向呈非線性變化,在靠近熱風(fēng)入口處的A點(diǎn)、B點(diǎn),空氣溫度高,換熱溫差較大,與相變材料的換熱量大,熱風(fēng)的溫度在流動(dòng)換熱過(guò)程中快速下降,靠近出口附近的空氣溫度較低,換熱量較小。夜間放熱時(shí),模擬的起始溫度較高,會(huì)導(dǎo)致模擬的放熱量大于實(shí)際放熱量,造成模擬溫度低于B點(diǎn),略高于C點(diǎn)。

圖7 蓄熱板內(nèi)相變材料溫度Fig.7 Temperature of phase change material

圖8給出了安裝有相變蓄熱板的墻體內(nèi)外側(cè)的平均溫度的實(shí)測(cè)值和模擬值,可以看出,安裝有相變蓄熱板的墻體內(nèi)側(cè)溫度與相變材料的溫度吻合較好,晝夜溫差11～14℃。該墻體外側(cè)的溫度測(cè)量值與模擬所得的溫度變化規(guī)律較為一致,但在中午太陽(yáng)直射的時(shí)間段里,測(cè)試溫度偶爾會(huì)比模擬溫度高出5～6℃,這是由于模擬中太陽(yáng)輻射的計(jì)算方式與實(shí)驗(yàn)中太陽(yáng)輻射的測(cè)量方式不同導(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)只把單一水平面上接受到的太陽(yáng)輻射作為模擬的太陽(yáng)輻射,房間西南墻受到的實(shí)際太陽(yáng)輻射是西北、東北墻所受到的太陽(yáng)輻射的2倍,在11:00—13:00輻射較強(qiáng)的測(cè)試時(shí)間里,模擬所設(shè)定的西南墻接收的輻射值較小,造成模擬得到的外墻溫度較小。

圖8 相變蓄熱墻內(nèi)外側(cè)溫度實(shí)測(cè)值和模擬值Fig.8 Comparison of the measured and simulated temperature

圖9對(duì)比了安裝有相變蓄熱系統(tǒng)的房間、普通房間內(nèi)部平均溫度的實(shí)測(cè)值和模擬值?？梢园l(fā)現(xiàn),模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,安裝有相變蓄熱系統(tǒng)的房間模擬溫度略高于實(shí)驗(yàn)溫度。結(jié)果表明,模擬所設(shè)定的房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)可靠準(zhǔn)確。

圖9 2個(gè)房間室內(nèi)溫度實(shí)測(cè)值與模擬值Fig.9 The measured and simulated temperature inside two rooms

3.3 一致性分析

為進(jìn)一步檢驗(yàn)相變蓄熱房間模型,采用標(biāo)準(zhǔn)差 平均差值(Bland-Altman)方法進(jìn)行一致性分析[15]。該方法是根據(jù)模擬值與實(shí)測(cè)值的差值來(lái)進(jìn)行估計(jì)的,以均數(shù)d作為衡量標(biāo)準(zhǔn),d的大小可用差值的標(biāo)準(zhǔn)差Sd來(lái)表示,其中,選用d±1.96Sd作為95%的一致性界限,如果大部分的差值結(jié)果位于該區(qū)間內(nèi),說(shuō)明結(jié)果的一致性較好,可用模擬值代替實(shí)驗(yàn)值。普通房間與相變房間所有測(cè)點(diǎn)的模擬值與實(shí)測(cè)值的分析如表1所示。

表1 各溫度測(cè)點(diǎn)模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果的一致性分析Table 1 Agreement analysis of the measured and simulated temperature

由表1可知,除了相變墻體內(nèi)外側(cè)溫度模擬值與實(shí)測(cè)值一致性相差較大外,其余各測(cè)點(diǎn)模擬值與實(shí)測(cè)值的一致性都較好?？勺C明建立的換熱模型,能較好模擬出熱風(fēng)式相變蓄熱房間的換熱特性。

4 應(yīng)用分析

為了更好說(shuō)明蓄熱房間采暖效果,實(shí)驗(yàn)?zāi)M最冷的1月份的相變房間和普通房間室內(nèi)溫度變化。由于文中所驗(yàn)證的熱風(fēng)式相變蓄熱建筑模型未采用任何保溫措施,外墻傳熱系數(shù)為1.835 W/(m2·K),遠(yuǎn)高于重慶市《居住建筑節(jié)能65%(綠色建筑)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的0.8 W/(m2·K)限值,不利于抵御環(huán)境變化對(duì)室內(nèi)舒適度的不良影響,用已驗(yàn)證的模型對(duì)本相變蓄熱房間增加保溫層后室內(nèi)空氣溫度進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。為減少相變房間溫度波動(dòng)對(duì)普通房間的影響,模擬中設(shè)定普通房間和相變房間為無(wú)關(guān)聯(lián)房間,在房間原有墻體內(nèi)側(cè)與外側(cè)分別增加20 mm和30 mm厚無(wú)機(jī)保溫砂漿,相變蓄熱板布置于墻體內(nèi)側(cè),覆蓋有保溫砂漿起保溫作用,計(jì)算出傳熱系數(shù)為0.794 W/(m2·k),達(dá)到節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。模擬時(shí)間從1月18日至2月1日,共計(jì)14天,模擬設(shè)置的蓄熱板內(nèi)空氣進(jìn)口溫度與11月模擬時(shí)相同,室外氣象參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。

圖10是在最冷的1月份室外條件下,有無(wú)外墻保溫的相變房間和普通房間室內(nèi)空氣溫度變化模擬值?？梢钥闯?未采用相變蓄熱的普通房間,有無(wú)外墻保溫時(shí)溫差較小。使用相變蓄熱采暖系統(tǒng)的2個(gè)房間室內(nèi)空氣平均溫度的差值為5～6℃,比未采用相變蓄熱的普通房間溫度高8～9℃,說(shuō)明相變蓄熱系統(tǒng)在有外墻保溫時(shí)采暖效果明顯提升。有保溫層的房間夜間室內(nèi)溫度最低為15.4℃,平均為17.8℃,基本滿足夜間采暖舒適性要求,但晝夜溫差變化不大,說(shuō)明相變蓄熱板白天得熱是造成較大晝夜溫差的原因。

圖10 實(shí)驗(yàn)房間有無(wú)保溫層室內(nèi)空氣溫度模擬值Fig.10 Simulated temperature of room with and without insulation

5 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種將封裝相變材料的不銹鋼板置于墻體內(nèi)側(cè)的熱風(fēng)式相變蓄熱采暖系統(tǒng),通過(guò)可行性實(shí)驗(yàn)和建立的TRNSYS相變蓄熱建筑模型結(jié)果分析,得出以下結(jié)論:

1)與普通房間相比,熱風(fēng)式相變蓄熱采暖系統(tǒng)可使室內(nèi)平均溫度提高4～5℃,夜間室內(nèi)最低溫度為15℃,提高3℃,增加了房間的熱舒適性;

2)基于TRNSYS軟件,利用FORTRAN自定義函數(shù),建立了熱風(fēng)式相變蓄熱建筑模型,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性,為太陽(yáng)能相變蓄熱建筑設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供指導(dǎo);

3)模擬結(jié)果顯示,當(dāng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí),熱風(fēng)式相變蓄熱系統(tǒng)在最冷月時(shí),增加保溫材料后相變房間室內(nèi)溫度平均提高5～7℃,比普通房間室內(nèi)溫度高8～9℃,夜間最低溫度達(dá)到15℃,基本滿足夜間采暖舒適性要求。