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略論填充相變材料建筑結構層蓄能的研究
類別:行業資訊|建材產品|相變材料  日期:2010-12-9  來源:  點擊率:63732  打印 關閉

 

    摘要: 分析了相變材料在建筑蓄能中的作用,對一種填充相變材料的建筑地面結構層蓄能過程進行了數值模擬研究,探討了蓄能地面結構層內相變材料模塊位置對結構層溫度分布、蓄放熱時間、供熱工況以及相變材料利用率等因素的影響,得出在本模擬條件下滿足所需功能蓄能采暖地板結構優化設計的方案. 將模擬方案與實測結果進行對比后發現,兩者的吻合程度較高.
  關鍵詞: 相變材料; 蓄能; 采暖地板; 數值模擬
  近年來,利用相變材料(p hase change material ,PCM) 的建筑蓄能已成為建筑節能研究中令人關注的問題,如圍護中應用高密度儲熱材料建成生態住房、將相變溫度適宜的相變材料封裝成一定規格的模塊置于建筑圍護結構(墻體、地板或頂棚) 中蓄能等 . 本文主要研究填充相變材料的建筑結構蓄能性,并以蓄能地面為例,對其蓄、放熱過程進行數值模擬,探討在滿足供熱要求的前提下,相變材料模塊位置對蓄能地面結構層內熱性能的影響.
  1  填充相變材料的建筑結構層蓄能過程模擬
  1. 1  相變材料在建筑蓄能中的作用相變儲能是指相變材料在相變過程中吸收或釋放能量. 相變過程是一個近似等溫并伴有大量能量吸收或釋放的過程,這一相變潛熱蓄熱或蓄冷特性構成了相變儲能材料能被廣泛應用的理論基礎. 在太陽能利用、峰谷電供熱、工業余熱和廢熱回收、建筑采暖和空調節能等領域,相變材料有著廣闊的應用前景.
  用于建筑供熱和空調方面的相變儲能材料有很多,石蠟、水合鹽類是100 ℃以下儲能用相變材料的最佳候選材料[3 ] . 篩選相變儲能材料時應滿足:相變溫度合適、相變潛熱較高、密度較大、比熱容較大和熱導率較大等熱力學要求;化學穩定性好、對容器材料無腐蝕性、不燃燒、不爆炸、無毒、對環境無污染等化學性質的要求;容易獲得、價格便宜、制備方便的經濟性方面要求.
  1. 2  建筑蓄能地面結構及其模型建立鑒于近年來國內外對相變蓄能墻體和地面的應用研究關注較多[4 ] ,本文基于一種實際工程中應用的建筑蓄能采暖地面結構,建立起理論計算模型,并利用CFD 數值模擬來探討蓄能地面的儲、放熱過程及PCM 模塊位置對地面采暖的影響規律. 該蓄能采暖地面結構見圖1 ,其最下層為苯板絕熱層,中間層為內置封裝相變材料蓄能模塊的混凝土埋管層,PCM 則被封裝成圓臺狀形式的模塊,布置于加熱管周圍,最上面覆蓋裝飾層.
  為分析方便,設研究對象中進行的是二維穩態傳熱過程. 取相鄰兩熱管之間的地面結構為一模擬單元,單元內放置2 個封裝的PCM 模塊,并假設:
  (1) 相變材料固、液兩相比熱容、導熱系數、密度均為常數,不隨溫度發生變化; (2) 忽略封裝材料PVC/PE 的性質及厚度對傳熱的影響; (3) 加熱管壁溫恒定; (4) 由于對稱,加熱管中心面為絕熱,保溫層下界面及地板表面上界面均為空氣溫度Tf 和表面傳熱系數h 已知的第三類邊界條件. 應用Fluent 自帶的前處理軟件Gambit 進行建模和網格劃分. 模型生成網格如圖2 所示,網格總數為12 192 個. 所選相變材料為一種相變溫度適于地板采暖的水合鹽類相變材料TH291. 3  蓄能地面的數值模擬通過大量模擬,得出了蓄能地面結構層內的熱性能規律. 現以管間距160 mm 模型的模擬云圖(見圖3) 為例,來探討地面結構層在蓄、放熱過程中的溫度變化情況.
  由圖3 可見,在蓄熱過程初期,靠近熱管附近的混凝土先開始溫升, PCM 模塊從外圍開始發生相變,液相區域逐漸向模塊內部發展,這期間混凝土層內溫升明顯大于PCM 模塊內部溫升;隨著加熱時間的延長,PCM 模塊內的溫升范圍明顯擴大,并超過了外圍混凝土,此階段PCM 模塊內部溫升速度快于外圍混凝土,直到PCM 模塊全部完成從固相到液相的轉化,蓄熱過程結束.
  放熱過程也有類似的規律. 在放熱初期, PCM模塊內在遠離加熱管側出現凝固現象,地面結構層內降溫不明顯;隨著放熱時間的推移, PCM 模塊內的凝固區域加大,地面結構層溫度下降,且混凝土中的降溫速率要快于PCM 模塊,直到PCM 模塊內全部變成固相,放熱過程結束,此時地板表面的溫度基本穩定在某一值(22 ℃) 附近.上述蓄、放熱過程中地面結構層內的溫度變化規律表明,加熱/ 放熱前半期,混凝土中的升溫/ 降溫速率快于相變材料,這時相變材料起到了抑制熱量傳輸、平緩地板表面溫度變化的作用;后半期相變材料內升溫/ 降溫速率快于混凝土,此時相變材料具有促進熱量傳遞、拉動溫度變化的功效.
  2  PCM 模塊放置位置對蓄能的影響蓄能地板中填充PCM 模塊的數量及其放置的位置取決于地面結構(加熱管間距) 、蓄放熱時間的要求、供熱工況以及相變材料的利用率等諸多因素.
  為實現最佳效果,主要考慮: (1) 蓄能地板采暖要符合《地面輻射供暖技術規程》(J GJ 412 —2004) 的規定; (2) 依據不同熱源,滿足所需的蓄、放熱時間:蓄能地板采暖可采用太陽能和利用夜間低谷電的供能方式,因此蓄熱時間一般為6~8 h ,放熱時間為16h 左右; (3) 加熱期間,蓄能模塊內的相變材料全部完成相變反應,使蓄能材料充分發揮作用; (4) 地面熱量的分配以及地板表面溫度的均勻程度,通常地板表面溫差應盡量維持在2 ℃以內.
  對PCM 模塊處于不同位置時的蓄能地板效果進行模擬,結果見表3. 其中的S 為放置于加熱管兩邊的PCM 模塊底邊距離之半. 不同的PCM 模塊位置對應著不同的S 值;加熱管間距不同, PCM 模塊放置的方式也不同. 由表3 可見,對于同一管間距,S 值越大(即PCM 模塊距加熱管越遠) ,則地面平均溫度越高、地面溫差(即溫度不均勻性) 越小,并且熔化(相變) 時間也越長. 由此可見, PCM 模塊不一定是在加熱管之間均勻布置為最佳,而是應依據蓄、放熱時間、地面溫度均勻性等要求來選取適宜的S值,合理變化PCM 模塊在兩加熱管之間的位置,以便最大限度地發揮其蓄能作用. 根據大量數值模擬計算結果綜合分析后,確定出在本模擬條件下,兩加熱管之間放置2 個PCM 模塊比較合適,并建議采用160~220 mm 管間距的蓄能地面結構. 實測結果與模擬結果的對比對某工程應用中實施的蓄能采暖地板進行了實地測試. 該蓄能采暖地板結構及所用材料與本研究相同,其中的苯板絕熱層厚度為20 mm ;瓷磚裝飾層厚度為10 mm ;混凝土層厚度為35 mm ,其內布置管間距為160 mm ,直徑為20 mm 的熱水管,相鄰加熱管之間放置2 排上、下底直徑分別為40 , 65采用相變材料的蓄能采暖地面有明顯的溫度調節現象:蓄熱過程中,實測地面平均溫度上升比較平緩,模擬結果則出現較快溫升后趨于平緩的地面溫度曲線,且模擬值普遍高于實測值,平均相對誤差約為7. 8 %;放熱過程中實測地板表面平均溫度維持在21. 5 ℃左右,模擬的地板表面平均溫度則在短時間內降至23 ℃附近,并在隨后的10多個小時內保持在23 ℃以上,且該過程中的模擬值也均高于實測值,平均相對誤差約為9. 1 %. 產生誤差的原因可能主要與模擬時為簡化計算而對模型進行的假設有關,如忽略封裝材料PVC/ PE 的性質及厚度對傳熱的影響、實際三維地板結構采用二維模型等等.
  4  結語1. 蓄能建筑結構層中的蓄、放熱特性因填充相變材料而發生變化. 由于相變材料的潛熱遠高于混凝土的顯熱,它在蓄熱/ 放熱的前期,對結構層內部溫度變化速率起到抑制作用,在后期則起到促進作用,因此建筑結構層內填充的相變材料具有轉移熱量、平抑溫度變化速率及調節建筑表面溫度的功效,理論模擬和實測結果均表明了這一點.
  2. 填充PCM 模塊數量(相變材料比例) 及模塊位置( S 值) 決定了蓄能地面結構層的溫度分布、蓄放熱時間、供熱工況以及相變材料的利用率等. 在本模擬條件下,蓄能地面結構層中兩加熱管之間放置2 個PCM 模塊比較適宜,且PCM 模塊不一定以均勻布置為最佳,模塊位置距加熱管越遠(即S 值越大) ,在相同的條件下,相變材料全部完成相變的時間越長,此時地板表面溫度的均勻性越好.
  參考文獻:
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