光热+市电相变蓄热地板供暖在建筑中的设计及应用.pdf
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1、能源研究与管理2023,15(2)能源研究与管理2023,15(2)开发与应用引言太阳能+相变材料蓄热储能,是采暖领域革命性的发展。白天光照充足时可利用太阳光进行光热供暖,可做到零能耗,同时降低采暖成本;夜间可以采用市政谷电进行低成本的电采暖,比传统电采收稿日期:2022-12-01基金项目:吉林建筑科技学院科研基金“建筑相变蓄能技术在供暖系统中的应用研究”(校科字2021007PTKJ号);吉林省数字经济与高质量发展研究计划“数字经济时代吉林省农村清洁供暖发展研究”(SZJJ2023YB130)第一作者:陈颖(1992),女,讲师,硕士,主要从事建筑节能领域研究工作。E-mail:*通信作者
2、院裴浩斐(1993),男,工程师,硕士,主要从事建筑节能领域研究工作。E-mail:引用格式:陈颖,裴浩斐,陶进,等.光热+市电相变蓄热地板供暖在建筑中的设计及应用J.能源研究与管理,2023,15(2):118-126.摘要:太阳能光热的充分利用是发挥可再生能源价值的有效途径。通过对建筑中太阳能光热和市电耦合的相变蓄能地板的供暖情况进行实验分析。结果表明:同时加热5 h,普通房间较相变房间室温温升较快,但冷却相同时间发现相变房间的温度更高;相变房间的垂直温差更小,温差最大仅为1.05益,平均垂直温差为0.32益,平均垂直温差远小于人体所能感知的温度变化最小值。总体而言相变房间升温过程相对缓慢
3、,保温效果更好,能延长保温时间,房间热舒适性也相对更加良好。关键词:相变蓄热;光热;耦合;垂直温差中图分类号:TK51文献标志码:B文章编号:20967705(2023)02011809CHEN Ying1,PEI Haofei2,*,TAO Jin1,WU Chenbiao1(1.Jilin University of Architecture and Technology,Changchun 130114,China;2.Changchun Real Estate Registration Center,Changchun 130022,China)The full utilization
4、 of solar energy is an effective way to bring the value of renewable energy into full play.Theheating condition of phase change energy storage floor coupled with solar heat and electricity is analyzed experimentally.Theresults show that the room temperature of the ordinary room rises faster than tha
5、t of the room with phase change aftersimultaneous heating for 5 h,but the room temperature of the room with phase change is higher during the same cooling time.The vertical temperature difference in the phase change room is smaller,with the maximum temperature difference of 1.05益and the average vert
6、ical temperature difference of 0.32益,which is far less than the minimum temperature change perceivedby human body.In general,the temperature rise process of phase change room is relatively slow,the insulation effect is better,the insulation time can be extended,and the thermal comfort of the room is
7、 relatively better.phase change heat storage;photoheat;coupling;vertical temperature differenceDOI:10.16056/j.2096-7705.2023.02.018光热+市电相变蓄热地板供暖在建筑中的设计及应用陈颖1,裴浩斐2,*,陶进1,吴晨彪1(1.吉林建筑科技学院,长春130114;2.长春市不动产登记中心,长春130022)118窑窑能源研究与管理2023,15(2)能源研究与管理2023,15(2)开发与应用暖减少了供暖费用,具有明显的经济效益;而且地板采用的相变材料进行蓄热储能,并与近
8、零能耗建筑物相结合,可发挥建筑物本身对光热的蓄存功能,能进一步减少热量流失,减少能源消耗1。太阳能+地板蓄热储能技术对减少传统能源消耗,减少雾霾提高环境质量,推动双碳目标的达成极为重要,具有重要的环境效益。在国外,太阳能的研究利用有着悠久的历史。自1992年来,美国便宣布开展“太阳能百万屋顶计划”,大力开发利用太阳能,并相继颁布了 国家能源法案 美国清洁能源与安全法案 等政策法案,为太阳能等可再生能源未来的发展打下基础2。据统计,在充分光伏光热系统的条件下,建筑能耗可有效降低95%以上。光伏系统与建筑的结合方式一般分为2种:1)对现有的建筑用光伏光热系统进行改造,使其成为以太阳能供电供热的建筑
9、;2)将光伏组件作为建材,在建筑物的建造之初就将光伏组件融入到建筑物之中,也可称为光伏组件与建筑的一体化集成设计3。此外,当建筑光伏发电量可以满足自身要求时,多余的电能可以送至电网,并用于供给其他负载,这类建筑又称作“产能建筑”4。光热系统在严寒地区建筑中主要有2种应用形式:1)太阳能热水器;2)太阳能供热系统。目前与建筑结构相结合的太阳能热水器系统仍处于研发阶段5。近几年,太阳能热水采暖系统逐渐受到重视,相关科研机构相继搭建了一系列太阳能热水采暖系统并分析其在严寒地区采暖系统中的适应性。任洪国等6根据寒地农宅建筑特点和气候特征,设计了一种太阳能集热、蓄能及光电集成系统,实测结果表明该建筑能够
10、充分利用可再生能源。申振宇等7设计了一套利用太阳能和空气能的采暖热水系统,模拟结果表明该建筑的年运行费用相比于传统燃煤锅炉降低约46%,且实现年碳减排4 810 kg。可以得出,太阳能光热是目前建筑领域较为成熟的可再生能源利用技术,也是未来近零能耗建筑发展的必备系统之一。但是太阳能本身存在一定的间歇性和不确定性,这将对传统的建筑用能模式产生较大的影响,并且需要设置相应的储能装置以匹配系统产能和建筑用能。相变材料可以降低室内空气温度的波动,减少峰值冷热负荷,是实现降低建筑能耗,增强建筑蓄热调节的有效方式8。当前针对相变蓄能地板换热性能的研究主要集中在提高相变材料导热性能和与建筑结构的有效结合,及
11、以热水或电为热源的相变蓄能地板蓄放热特性上。LAIA H等9对应用于相变蓄能地板的不同相变材料性能进行了研究。实验测试了不同组分相变材料的焓-温度曲线,并分析了其对水泥材料传热性能的影响。得出虽然在水泥材料中增加相变材料会降低整体材料的耐火性,但仍可以广泛用于相变地板中。KARIM等10提出了混凝土与定型相变材料相结合的相变蓄能地板结构,结果显示该新型结构具有更大的热惰性,更加适合于办公等轻质建筑。徐岩等11对近零能耗建筑采用石蜡作为相变材料对系统储能及供暖进行了结构设计。得知相变材料用于供暖,可以建立低碳、经济的供暖系统,减少冬季供暖对燃煤的依赖,为实现低碳经济、进一步建立可持续发展的绿色供
12、暖环境,奠定良好基础。由于建筑供给热能短时间的变化不会对室内热环境产生较大的影响,因此一些学者开始将建筑蓄能技术和建筑产能系统相结合,充分利用其蓄能的消纳能力。ZHOU等12搭建了由光伏光热一体化系统提供热源的相变通风蓄能墙体系统,测试结果表明光伏系统的产电效率提高了约2.9%。NAVARRO等13搭建了结合太阳能热水系统和相变蓄能通风地板的模型建筑,实测结果表明全天的太阳能辐射热可以完全被地板内的相变材料所吸收。CHEN等14搭建了由太阳能光伏提供发热能源的地板蓄能式建筑,实测结果表明地板可以在不影响使用者热舒适的前提下有效储存光伏能源。陈颖等15对低能耗建筑中太阳能光伏结合市电与相变蓄热技
13、术耦合供热进行研究,结果表明:光伏耦合相变蓄热末端的供暖系统要比单一电供暖系统节省成本20%左右。综上所述,太阳能的利用和相变蓄能地板的设计可为建筑供暖提供较大的支持,具有极大的应用潜力。但是针对建筑中太阳能光热和市电耦合的相变蓄能地板的研究相对较少,需要对其的适用性进行深入分析。因此,本文将搭建光热相变实验室,通过对比监测普通房间和相变房间的初始温度,房间的加热时间,房间内各个温度测点的温度,房间的冷却时间来研究2个房间的蓄放热规律,分析相变蓄能地板与普通地板在蓄热性和热环境调控方面的差异,不同运行模式对房间供暖性能的影响。1光热相变蓄热供暖系统设计光热相变供暖实验室共有2个独立的房间,1个
14、房间的地板铺设有相变蓄能材料,另1个房间则为普通地板。2个房间的地面均敷设了太阳能热水119窑窑能源研究与管理2023,15(2)能源研究与管理2023,15(2)顶棚的中间位置布置1个热电偶,并将地板分成9个区域,每个区域布置1个热电偶,详情如图2、图3所示。太阳能光热加热的热水通过分集水器,将太阳能热水平均分配到2个房间进行供暖,并保证供水的流量和温度均相等,而后进行太阳能热水供暖的条件下,对有无相变末端地板房间的蓄放热规律以及对室内的影响的实验。实验房间地板的地热盘管在通入太阳能热水后,开始向房间进行散热,装有相变末端地板的房间相变材料会吸收一部分的热量进行储能,而普通房间因为没有相变材
15、料,因此地暖盘管的热量直接供给室内采暖。在供暖前期,末端房间不需要供暖时,相变储蓄地板持续放出热量,对房间进行加热。当太阳能辐射量不能满足末端房间供暖所需负荷时,开始对地板进行热水供暖加热。热水供暖时,开启太阳能光热室外循环泵,将热量储存至蓄热水箱中,开启室内循环泵,蓄热水箱中的水直接参与室内供暖。当太阳能光热的热水不能满足末端房间供暖所需负荷或夜间补充加热时,再使用市电给蓄热水箱进行电加热,使蓄热水箱的热水提高温度,从而提升末端房间供暖的温度,利用夜间低谷电蓄热具有良好的运行经济性。流程图如图4所示。2光热相变蓄热供暖系统运行模式光热相变蓄热供暖系统分为两种运行模式。模式一为相同初末温度,比
16、较降温延续时间。对实验室的2个房间(相变房间和普通房间)的地热盘管通入相同温度的太阳能热水,每隔15 min记录每个房间的9个地面热电偶的温度数值和6个空间热电偶的温度数值,同时记录2个房间的室温;并记录好供回水的水温,以及地热盘管的供水流量。使2个房间的温度达到26益并保持一致后,停止供暖,让房间温度自然冷却,并记录2个房间最终温度降低到20益的时间。模式2为相同起始温度和加热时间,比较降温延续时间。在2个房间的室温冷却到相同温度后,地暖盘管内通入太阳能热水,加热5 h后停止供水,盘管和加热电缆2种辐射热源系统。即可进行地板辐射热水供暖,也可进行无水直热地板辐射电供暖。供暖系统原理如图1所示
17、。实验室内设有多组温度测点,在每一面墙体和图 1光热+市电相变蓄能供暖系统原理图Fig.1Schematic diagram of photothermal+mains phase change energy storage heating system图 2 空间温度测点分布Fig.2 Distribution of space temperature measurement points顶棚南外墙地面石膏板内墙石膏板图 3地板温度测点分布Fig.3Distribution of floor temperature measuring points开发与应用120窑窑能源研究与管理2023,
18、15(2)能源研究与管理2023,15(2)记录停止供暖时刻房间的室温,等待房间温度的自然冷却到20益,从地热盘管通入太阳能热水到冷却结束期间,每隔15 min记录2个房间各个热电偶测点的温度情况和室温,分析温度波动变化情况。3运行结果分析3.1室温分析模式一为太阳能热水加热5 h后停止供暖。2个房间的初始温度为19益,并同时在早上6:50开始太阳能热水供暖,供热5 h后,在11:50停止太阳能热水供暖。供水温度为54益,回水温度为50益,供水流量为1.5 L/min。从图5(a)看出,普通房间的温度上升得更快;在供热结束时,普通房间的室温达到了24.92益,相变房间室温为24.53益。2个房
19、间温差为0.39益。由于相变材料在蓄热的过程需要吸收一部分的热量,因此相变房间的温度上升的比普通房间慢。同时,房间温度的升高存在一定的滞后性,在停止供暖之后的1 h里,2个房间的室温仍在缓慢上升,相变房间的温度在12:50达到最高,达到了25.89益;普通房间温度在12:50达到最高,达到了25.05益,温度差为0.84益。2个房间都同时在11:50停止供暖并开始自然冷却,相变房间的室温在第2天早上5:50降到最低,温度为23.23益;普通房间的温度也在早上5:50降到最低,温度为21.7益。温度差为1.53益。借助学校超低能耗建筑的优良保温性能,2个房间冷却的过程都延续到了第2天,并且房间温
20、度也都符合人体舒适性要求,但相比之下,相变房间的舒适性更好,相变材料的蓄热量比普通地板的蓄热量更大,能为房间释放出更多热量以满足房间的供暖需求。模式二为太阳能热水加热到室温26益后停止供暖。2个房间的初始温度为21益,并同时在15:30开始太阳能热水供暖,将2个房间的室温都加热到26益后停止供暖。供水温度为54益,回水温度为50益,供水流量为3.5 L/min。从图5(b)可以看出,普通房间温度比相变房间的温度先达到26益;普通房间供暖结束的时刻为18:30,相变房间供热结束的时刻为19:15,加热时间相差了45 min。相变房间的室温达到了26.11益,普通房间的室温达到了26.13益。相变
21、房间的温度在20:30达到最高,达到了26.4益;普通房间的温度在19:45达到最高,达到图 4光热+市电相变蓄热地板供暖系统流程图Fig.4Flow chart of photovoltaic+mains phase change regenerative floor heating system开发与应用121窑窑能源研究与管理2023,15(2)能源研究与管理2023,15(2)了26.41益。2个房间都在停止供暖后开始自然冷却,相变房间在第2天早上6:00的室温为25.24益;普通房间在早上6:00的温度为23.59益。温度相差1.65益。普通房间比相变房间先达到26益的室温;从26益
22、冷却到相同的温度,相变房间的保温性能更好;相变房间的温度波动更小,舒适性更高。3.2地板温度分析模式一为太阳能热水加热相同时间,其地板温度曲线图如图6所示,2个房间的地板相对应温度测点的初始温度均保持相同,并同时在早上6:50开始太阳能热水供暖,供热5 h后,在12:05停止太阳能热水供暖。供水温度为54益,回水温度为50益,供水流量为1.5 L/min。从所记录的地板温度来看,普通房间的地板温度上升得更快;在供热结束时,普通房间地板温度最高达到了27.12益,最低为24.24益,平均温度为25.56益,相变房间地板温度最高达到了24.89益,最低为23.12益,平均温度为23.99益,由于相
23、变材料在蓄热的过程需要吸收一部分的热量,因此相变房间的地板温度上升的比普通房间慢,且温度也没有普通房间高。平均温差为1.57益。但是装有相变蓄热地板房间的地板温度的升高存在一定的滞后性,在停止供暖之后的1 h里,装有相变蓄热地板房间的地板温度仍在缓慢上升,在13:35时房间平均温度达到最高,最高温度达到了24.83益,最低为23.11益,地板的平均温度达到了24.15益;普通房间温度则在停止供暖后缓慢冷却。2个房间都同时在12:05停止供暖并开始自然冷却,相变房间的地板温度在第二天的早上5:50的平均温度为22.46益;普通房间的地板在早上5:50的温度为21.95益。2个房间的地板温度差为0
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