相变储能地板在建筑节能的应用

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摘要：相变储能地板能够储存和释放大量的潜热，削减供热系统的负荷峰值，起到建筑节能的作用。相变储能地板的传热过程复杂，其热性能受到许多因素的影响。基于各类文献资料进行研究，从相变储能地板的热性能角度出发，对其影响因素的种类、影响规律及研究方法进行了分类汇总，阐述了模拟研究和实验研究两种研究方法的特点。

关键词：相变储能地板；模拟研究；实验研究

随着我国经济建设的飞速发展，建筑能耗总量不断增长，2000年至2016年期间，年平均增长率为7.37％[1]，从2.88亿吨标准煤增至9.99亿吨标准煤。在日益严峻的能源危机形势下，相变储能技术作为一种高效节能技术，越来越受到人们的关注[2-4]。相变材料可以在狭窄的温度范围内提供大量的潜热存储，具有储热密度大、效率高、在近似恒定的温度下吸热和散热的优点[5-6]。在墙壁、屋顶、地板等建筑围护结构中，添加相变材料后，不仅可以使室外热量通过围护结构进入房间时发生时间上的延迟，从而调节室内空气温度，改善室内舒适度[7-9]，还可以有效地储存能量，减少能耗节约能源[10]。相变储能地板将相变材料与供暖地板结构相结合，其传热过程复杂，由传热、对流、辐射、储热等过程组成，因此影响相变储能地板热性能的因素较多，其中主要包括地板几何结构、地板中材料的物化性、热源和周围环境。对影响相变储能地板热性能影响因素的研究，主要通过模拟研究和实验研究两种方法，相变储能地板的热性能主要通过室内热环境、地板温度、地板热流密度等体现。文章从相变储能地板的热性能角度出发，对相变储能地板热性能的影响因素和研究方法进行了分类汇总，分析了各影响因素的影响规律，阐述了模拟研究和实验研究的特点，为相变储能地板的优化及其系统的运行调控提供了参考。

1相变储能地板热性能的影响因素

1.1地板几何结构

相变储能地板结构主要包括地板装饰层、储热层（或叫填充层、相变材料层）、绝热层和基础层。研究人员通过改变各层厚度来改变地板几何结构，研究各层不同厚度对相变储能地板热性能的影响。Xu[11]等通过利用已被验证的相变储能地板热性能分析模型，分析了相变材料层厚度对室内环境的影响。研究结果表明：相变材料层厚度大于20mm时，室内温度受相变材料层厚度的影响不明显。因此，在实际应用中，在其文章所述的条件下，相变材料层的厚度应接近但不大于20mm。杨华[12]等建立了电加热相变储能地板的物理模型，研究了相变材料层厚度对相变储能地板热性能。研究结果表明：随着相变材料层厚度的增大，相变储能地板储热时间大大延长，不利于有效利用峰谷电之间的价差和节约能源，而且增加了投资成本。因此，相变材料层厚度的选择不仅要考虑投资成本，还要充分考虑使用峰谷电是相变材料的优势。Li[13]等将新型FSPCM板材应用于建筑围护结构（特别是地板）中，针对3种不同的加热模式，在不同的相变材料层厚度条件下模拟得到了平均室温、地板平均温度、地板平均热流量的数值结果。结果显示：对于3种不同的加热方式，相变材料层厚度的大小也不相同，但都在200mm之内。Huang[14]等通过已被验证的数学模型分析了40mm、45mm、50mm、55mm、60mm的相变材料层厚度对相变储能地板热性的影响。结果发现：随着相变材料厚度的增加，相变储能地板的有效储能比略有下降。

1.2材料的物化性

1.2.1相变材料的物化性相变材料的物化性包括相变材料的相变温度、相变潜热和导热系数。叶宏等[16]将熔点为28.2℃、36.6℃、40.2℃、50.6℃的石蜡作为相变储能地板的相变材料进行模拟研究，结果表明：相变材料的熔点低时，系统每日耗电量高，大多数相变材料达到了相变温度，能够充分利用相变材料的储热能力。除此之外，还研究了相变区间分别为2℃、5℃、10℃时对相变储能地板热性能的影响，研究发现相变区间越小，加热效果越好。张群力[17]等将相变材料的相变温度、相变潜热和导热系数对相变储能地板的热性能影响进行了研究，分析了当相变温度分别为30℃、35℃、40℃时，相变储能地板的热性能。结果表明：相变材料的相变温度为35℃时，相变储能地板具有最大的储能比。当相变潜热分别为75kJ/kg、100kJ/kg、150kJ/kg、200kJ/kg时相变储能地板表面的平均热流密度。结果表明：随着相变潜热的增加，相变材料层上表面的平均热流密度的波动减小，地板的加热稳定性提高，储能率略有降低。当导热系数分别为0.2W/(m·K)、0.5W/(m·K)、0.8W/(m·K)、1.0W/(m·K)、1.5W/(m·K)时对相变储能地板平均热流密度的影响。结果表明：随着相变材料的导热系数的增大，相变储能地板表面的平均热流密度显著增加，但相变春泥更地板的储能率略有减少。Cheng[18]等分析了导热系数分别为0.15W/(m·K)、0.3W/(m·K)、0.5W/(m·K)、1.0W/(m·K)、1.5W/(m·K)、2.0W/(m·K）对相变储能地板在储能过程结束后上下表面温差的影响。研究结果表明，温差随着导热系数的增大而减小。陈思婷[19]针对地板表面的平均温度分布，讨论了相变材料的相变区间、相变潜热对供暖系统的影响。通过观察相变区间为0.5℃、1℃、2℃、3℃、4℃时地板表面平均温度分布结果，可以得到：对于相同的热量，相变区间越小，相变材料的储热时间约短，并且向地板表面和房间提供的热量越多。通过观察相变潜热为110kJ/kg、130kJ/kg、150kJ/kg、170kJ/kg、190kJ/kg时地板表面的平均温度分布结果发现，在固定的运行条件下，相变潜热越小，供暖系统越容易达到过热状态。朱婷婷[20]等对比了相变材料的相变温度分别为295.3K、298.3K、301.3K、304.3K、307.3K、310.3K、313.3K、316.3K、319.3K的相变储能地板对方腔内空气平均温度的影响，结果表明：相变温度均差3K时，当储能结束后相变材料进入放热时，方腔的温差为1.1K。试验对比了导热系数分别为0.202W/(m·K)、1.212W/(m·K)、1.74W/(m·K)时方腔的温度，结果表明：选择相变材料的导热系数应尽可能大，以避免方腔内温升过慢，进而影响供暖效果。总之，相变材料的相变温度对相变储能地板的储能率、热流密度和室内空气温度都有很大的影响，相变温度的选取应该根据供暖参数以及相变材料的安装位置综合考虑；相变材料的相变潜热越大，供暖系统的供暖效果越好；相变材料的导热系数越高，相变储能地板表面的平均热流密度越大，供暖效果越显著。1.2.2其他材料的物化性Xu[11]选择厚度相同，但是密度、比热和导热系数不同的瓷砖、地板和金属3种地面装饰材料分别研究相变储能地板的热性能，结果表明：木地板的效果没有瓷砖或金属好，因为前者的导热系数低于后两者。Huang[14]等研究表明：装饰材料的导热系数越低，越有利于调节地板表面温度。陈思婷[19]研究了当建筑围护结构的导热系数分别为1.78W/(m·K)、2.78W/(m·K)、3.78W/(m·K)时房间的热舒适性，结果表明：供暖系统的导热系数越小，房间的热舒适性越高，但系统过热的可能性越大。

1.3热源因素

1.3.1热水型相变储能地板闫全英[21]等在地暖实验室中建立了一个实验系统，通过实验测试了相变储能地板在不同的供回水平均温度和温差下的热性能。结果表明：在加热阶段，地板表面温度和地板表面的热流量密度随着供回水平均温度的升高而升高。Huang等[14]模拟分析了供水温度为35℃、37℃、40℃时相变储能地板表面温度变化。结果表明：供水温度和相变材料的相变温度差距太小，则不利于相变储能地板的蓄热。Zhou[22]等通过实验和模拟对供热管道分别采用PE管和毛细管的相变储能地板热性能进行了比较。地板在铺设时，PE管的管径和管间距明显大于毛细管，结果表明：采用毛细管作为加热管道，房间的竖向温度分布更均匀，达到室内舒适温度所需的储能时间更短。1.3.2电加热型相变储能地板叶宏[16]等分别给出了电加热功率为100W/m2、150W/m2、200W/m2时的定形相变储能地板中相变材料层上下表面的温度、室内空气平均温度和地板表面温度。结果表明：当电加热功率较小时，室温保持在较低水平，当电加热功率达到或超过150W/m2时，室温约为20℃；但是电加热功率不应该太高，否则不仅室温波动太大，而且相应的耗电量也会增加。陈思婷[19]等在固定地板辐射采暖系统中，将电热膜的热值分别设置为180W、190W、200W、210W、220W，研究地板表面的平均温度分布。结果表明：电加热膜的功率越大，加热效率越快，地板表面平均温度越高；但是当加热功率过高时，室内温度也过高，造成了能源的浪费。

1.4其他因素

研究人员分析了系统加热模式、间歇加热时间和相变材料DSC测试误差对相变储能地板热性能造成的影响。Li[13]设置了3种不同的供暖系统加热模式，模拟结果表明：加热模式不同，对供暖系统的调控温度、节能效果和经济效益都有显著影响，系统加热模式的确定与优化分析对于后续系统的研究有重要意义。陈思婷[19]研究了环境温度分别为5℃、10℃、15℃时相变储能地板的平均温度分布，结果表明：固定的供暖系统和操作条件下，环境温度越低，供暖时长越短。闫全英[21]等对相变储能地板进行了间歇加热的数值模拟来研究相变材料层的蓄放热的性能，对于1h、2h、3h的间歇加热时长，模拟相变储能地板连续供暖12h的情况，观察相变储能地板表面温度和热流量的变化。结果表明：随着间隔加热时长的增加，地板表面的平均温度及其变化率、平均热流量及其变化率都越来越小。Feng[23]等对相变材料的DSC测试误差结果对相变储能地板热性能造成的影响进行了分析，经过实验发现测试结果存在33％～83％的误差。

2研究方法

2.1模拟研究

自1970年代初以来，模拟分析的方法就已应用于建筑领域，主要采用的模拟方法包括数学模型、TRNSYS、ANSYS和Matlab，这些模拟方法积极地推动了相变材料的节能研究和实际使用[24]。叶宏[25]等使用焓法模型对采用定形PCM的相变储能地板建立了理论模型，通过模拟预测了相变储能地板供暖系统的热性能。模拟结果表明：该系统具有很高的能源利用率，并且可以提高热舒适性。张群力[17]等通过建立地板分层的二维非稳态传热模型，模拟分析了地板层的物化性对相变储能地板热性能的影响分析。陈思婷[19]、Huang[14]等、朱婷婷[20]等采用ANSYSFluent对相变储能地板进行了传热分析，使用有限体积方法，将非线性偏微分方程从网络转换为线性代数方程，模拟求解了各种影响因素产生的影响规律。

2.2实验研究

研究相变储能地板热性能最合理的方法是直接在实际建筑物中进行实验，并通过比较室内热环境、系统运行能耗和运行成本对其进行评估[26]。但是实验成本高、操作难，面对这种情况，一些研究人员在人工环境下建造出局部的地板模型或可缩放的样板房进行实验，通过实验来验证模拟结果，使模拟结果更可信。Zhou[22]建立了模拟房间，对采用不同蓄热材料（砂土和相变材料）和加热管道（聚乙烯盘管和毛细管）的相变储能地板采暖系统在试验室里的性能进行了实验研究。结果表明，毛细管比聚乙烯盘管在供热低温地板系统中更加理想。

3结语

目前，国内外学者对相变储能地板的影响因素进行了广泛研究，但仍需要进行如下更深入细致的工作:(1)相变储能地板的影响因素较多，目前文献大多只改变某一单一影响因素后再进行影响规律的研究，对于多个因素共同影响的情况无从判断。因此，相变储能地板各个影响因素之间的影响关系需要进一步研究。(2)目前，实测系统较少，且研究周期较短。应针对相变储能地板建立更多的实际建筑实验系统，并对其长期运行状况进行监测。

作者：李容容 黄凯良 关敬轩 赵硕 单位：沈阳建筑大学