相變儲能地板在建筑節能的應用

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摘要：相變儲能地板能夠儲存和釋放大量的潛熱，削減供熱系統的負荷峰值，起到建筑節能的作用。相變儲能地板的傳熱過程復雜，其熱性能受到許多因素的影響?；诟黝愇墨I資料進行研究，從相變儲能地板的熱性能角度出發，對其影響因素的種類、影響規律及研究方法進行了分類匯總，闡述了模擬研究和實驗研究兩種研究方法的特點。

關鍵詞：相變儲能地板；模擬研究；實驗研究

隨著我國經濟建設的飛速發展，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2.88億噸標準煤增至9.99億噸標準煤。在日益嚴峻的能源危機形勢下，相變儲能技術作為一種高效節能技術，越來越受到人們的關注[2-4]。相變材料可以在狹窄的溫度范圍內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點[5-6]。在墻壁、屋頂、地板等建筑圍護結構中，添加相變材料后，不僅可以使室外熱量通過圍護結構進入房間時發生時間上的延遲，從而調節室內空氣溫度，改善室內舒適度[7-9]，還可以有效地儲存能量，減少能耗節約能源[10]。相變儲能地板將相變材料與供暖地板結構相結合，其傳熱過程復雜，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構、地板中材料的物化性、熱源和周圍環境。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熱環境、地板溫度、地板熱流密度等體現。文章從相變儲能地板的熱性能角度出發，對相變儲能地板熱性能的影響因素和研究方法進行了分類匯總，分析了各影響因素的影響規律，闡述了模擬研究和實驗研究的特點，為相變儲能地板的優化及其系統的運行調控提供了參考。

1相變儲能地板熱性能的影響因素

1.1地板幾何結構

相變儲能地板結構主要包括地板裝飾層、儲熱層（或叫填充層、相變材料層）、絕熱層和基礎層。研究人員通過改變各層厚度來改變地板幾何結構，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環境的影響。研究結果表明：相變材料層厚度大于20mm時，室內溫度受相變材料層厚度的影響不明顯。因此，在實際應用中，在其文章所述的條件下，相變材料層的厚度應接近但不大于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勢。Li[13]等將新型FSPCM板材應用于建筑圍護結構（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值結果。結果顯示：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。Huang[14]等通過已被驗證的數學模型分析了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。結果發現：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、相變潛熱和導熱系數。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行模擬研究，結果表明：相變材料的熔點低時，系統每日耗電量高，大多數相變材料達到了相變溫度，能夠充分利用相變材料的儲熱能力。除此之外，還研究了相變區間分別為2℃、5℃、10℃時對相變儲能地板熱性能的影響，研究發現相變區間越小，加熱效果越好。張群力[17]等將相變材料的相變溫度、相變潛熱和導熱系數對相變儲能地板的熱性能影響進行了研究，分析了當相變溫度分別為30℃、35℃、40℃時，相變儲能地板的熱性能。結果表明：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，地板的加熱穩定性提高，儲能率略有降低。當導熱系數分別為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。結果表明：隨著相變材料的導熱系數的增大，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]等分析了導熱系數分別為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束后上下表面溫差的影響。研究結果表明，溫差隨著導熱系數的增大而減小。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間、相變潛熱對供暖系統的影響。通過觀察相變區間為0.5℃、1℃、2℃、3℃、4℃時地板表面平均溫度分布結果，可以得到：對于相同的熱量，相變區間越小，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果發現，在固定的運行條件下，相變潛熱越小，供暖系統越容易達到過熱狀態。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空氣平均溫度的影響，結果表明：相變溫度均差3K時，當儲能結束后相變材料進入放熱時，方腔的溫差為1.1K。試驗對比了導熱系數分別為0.202W/(m·K)、1.212W/(m·K)、1.74W/(m·K)時方腔的溫度，結果表明：選擇相變材料的導熱系數應盡可能大，以避免方腔內溫升過慢，進而影響供暖效果?？傊嘧儾牧系南嘧儨囟葘ο嘧儍δ艿匕宓膬δ苈?、熱流密度和室內空氣溫度都有很大的影響，相變溫度的選取應該根據供暖參數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，供暖系統的供暖效果越好；相變材料的導熱系數越高，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、比熱和導熱系數不同的瓷磚、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，結果表明：木地板的效果沒有瓷磚或金屬好，因為前者的導熱系數低于后兩者。Huang[14]等研究表明：裝飾材料的導熱系數越低，越有利于調節地板表面溫度。陳思婷[19]研究了當建筑圍護結構的導熱系數分別為1.78W/(m·K)、2.78W/(m·K)、3.78W/(m·K)時房間的熱舒適性，結果表明：供暖系統的導熱系數越小，房間的熱舒適性越高，但系統過熱的可能性越大。

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，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管和毛細管的相變儲能地板熱性能進行了比較。地板在鋪設時，PE管的管徑和管間距明顯大于毛細管，結果表明：采用毛細管作為加熱管道，房間的豎向溫度分布更均勻，達到室內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、室內空氣平均溫度和地板表面溫度。結果表明：當電加熱功率較小時，室溫保持在較低水平，當電加熱功率達到或超過150W/m2時，室溫約為20℃；但是電加熱功率不應該太高，否則不僅室溫波動太大，而且相應的耗電量也會增加。陳思婷[19]等在固定地板輻射采暖系統中，將電熱膜的熱值分別設置為180W、190W、200W、210W、220W，研究地板表面的平均溫度分布。結果表明：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；但是當加熱功率過高時，室內溫度也過高，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]設置了3種不同的供暖系統加熱模式，模擬結果表明：加熱模式不同，對供暖系統的調控溫度、節能效果和經濟效益都有顯著影響，系統加熱模式的確定與優化分析對于后續系統的研究有重要意義。陳思婷[19]研究了環境溫度分別為5℃、10℃、15℃時相變儲能地板的平均溫度分布，結果表明：固定的供暖系統和操作條件下，環境溫度越低，供暖時長越短。閆全英[21]等對相變儲能地板進行了間歇加熱的數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測試誤差結果對相變儲能地板熱性能造成的影響進行了分析，經過實驗發現測試結果存在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用于建筑領域，主要采用的模擬方法包括數學模型、TRNSYS、ANSYS和Matlab，這些模擬方法積極地推動了相變材料的節能研究和實際使用[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，通過模擬預測了相變儲能地板供暖系統的熱性能。模擬結果表明：該系統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態傳熱模型，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絡轉換為線性代數方程，模擬求解了各種影響因素產生的影響規律。

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行實驗，并通過比較室內熱環境、系統運行能耗和運行成本對其進行評估[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境下建造出局部的地板模型或可縮放的樣板房進行實驗，通過實驗來驗證模擬結果，使模擬結果更可信。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（聚乙烯盤管和毛細管）的相變儲能地板采暖系統在試驗室里的性能進行了實驗研究。結果表明，毛細管比聚乙烯盤管在供熱低溫地板系統中更加理想。

3結語

目前，國內外學者對相變儲能地板的影響因素進行了廣泛研究，但仍需要進行如下更深入細致的工作:(1)相變儲能地板的影響因素較多，目前文獻大多只改變某一單一影響因素后再進行影響規律的研究，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系需要進一步研究。(2)目前，實測系統較少，且研究周期較短。應針對相變儲能地板建立更多的實際建筑實驗系統，并對其長期運行狀況進行監測。

作者：李容容 黃凱良 關敬軒 趙碩 單位：沈陽建筑大學