研究理想被动式相变蓄能建筑的蓄能调温特性-职称论文网

【摘要】为研究具有非线性热容特点的被动式相变蓄能建筑的蓄能调温特性,建立理想被动式蓄能建筑的热性能简化数学模型,提出自然室温分布频率､最高频率自然室温､设定自然室温保证率､相变材料利用率等反映被动式相变蓄能建筑热特性的评价指标,可比较得出被动式相变蓄能建筑与常物性蓄能建筑的热性能差异｡与被动式常物性蓄能建筑相比,相变蓄能建筑可显著提高相变温度附近的自然室温保证率｡常物性蓄能建筑的最高频率自然室温出现在平均室温附近,而相变蓄能建筑的最高频率自然室温出现在相变温度附近｡

【关键词】相变材料;蓄能;被动式建筑;热性能

O 引言

相变材料具有相变温度可调､单位体积蓄能密度较大的特点｡与常物性蓄能建筑材料相比,相变蓄能建筑材料在室温范围内具有较大的蓄热能力,对建筑室内环境具有蓄热调温效果｡关于相变蓄能建筑构件在建筑热环境中的应用效果研究,国内外开展了较多工作｡Athienitis等[1]在被动式太阳房中使用相变墙板,结果显示相变墙板房间在白天的室内温度比常规墙板房间低4℃,而在夜间相变墙板放热可持续7h以上,较大程度地改善了房间的热舒适性｡Chandra等[2]计算了相变储能墙板的厚度对室内温度的影响以及各类构件(如屋顶､南墙､北墙和西墙)的热流变化｡计算结果显示5cm的相变储能墙板的蓄热效果与23cm的混凝土墙板相当｡相变储能墙板用在南面墙体的效果最好｡Hirayama等[3]以木结构和混凝土结构分别代表轻质建筑和重质建筑,模拟分析了两种建筑在相同运行工况下的热性能差异｡结果表明:混凝土重质建筑围护结构可降低室内温度波动,提高室内热舒适度,还可向夜间转移空调负荷,利用夜间廉价电降低空调运行费用｡Ismail等[4]采用多元醇混合物制作相变材料,建造一个1.25m(长)×1.80m(宽)×1.70m(高)的坡屋顶作为实验测试房,经过2a测试,并利用一维非稳态传热模型进行数值模拟,结果表明采用相变材料后,空调负荷可减少25%~30%,可明显转移峰值空调负荷｡美国LNAL试验室用RADCOOL软件模拟相变墙板和夜间通风在商业建筑和民用建筑中的应用效果｡模拟结果表明在商业建筑中,在室外夜间温度低于18℃的气候区,将相变材料墙板和机械通风结合使用会降低空调设备的装机容量[5]｡张蒙等[6]设计了一种相变节能型墙体,将石蜡材料经过宏观封装成圆柱嵌入在框架墙体中,现场测试结果表明该墙体用于民用建筑中可降低墙体壁面热流峰值的38%,可将日间的部分负荷转移到夜间,维持相对较稳定的室内温度,减少设备的启停次数｡

国内亦有多篇文献[7-13]研究利用相变建筑构件调控室内热环境效果方面的研究｡结果表明相变建筑构件能降低室内温度波动､提高室内舒适性等｡周全等[14]研究了相变储能墙板在主动和被动式节能建筑中的热工性能,根据相变储能材料的特性,提出相对时间滞后率､节能效率以及峰温差评价指标,用于评价相变材料在建筑热环境中发挥的作用｡管勇等[15]提出三重新型日光温室三重结构相变蓄热墙体构筑方法,建立相应的传热过程模型,用于分析墙体的蓄热放热特性｡徐龙等[16]研究了复合相变材料对轻质围护结构建筑室温调节性能,结果表明:在夏季复合相变材料能有效控制轻质围护结构建筑室内空气温度的波动与上升｡

本文研究理想被动式相变蓄能建筑与常物性蓄能建筑蓄能调温性能差异｡深人认识热容非线性变化对被动式蓄能建筑热性能的影响规律｡用于指导被动式相变蓄能建筑材料的物性选取和热性能优化设计｡

1 被动式相变蓄能建筑物理描述

建筑室温受到室外环境参数､室内热扰与通风换气､围护结构性能､运行模式和设定工况等因素的影响｡建筑外围护结构和内围护结构对室内热环境的影响不同｡增大建筑内围护结构热容可降低室内温度波动性｡如果将相变材料放置于建筑内围护结构,则可在相变温度范围内显著增大建筑围护结构的蓄热能力｡对于外围护结构热容较小的轻质建筑,可忽略建筑外围护结构的热容对室内环境的影响,着重分析内围护结构热容对室内热环境的影响｡简化后的建筑热过程模型如图1所示｡图1被动式蓄能房间传热过程简化模型

为分析具有非线性比热容特点的相变蓄能建筑内围护结构比热容对被动式建筑室温的影响,分析相变蓄能建筑与常物性蓄能建筑的热性能差异,本文选取一个典型房间作为分析对象｡房间的结构参数如表1,热工参数及运行工况如表2｡表1房间结构参数表2房间热工参数及运行工况

2 被动式相变蓄能建筑热性能数学模型

2.1 数学模型

为突出建筑内围护结构热容的蓄能调温效果,本文假定:①建筑外围护结构采用轻质建筑材料,可忽略外墙体热容对室内热环境的影响,因此外墙热容取值非常小,外墙可简化为稳态传热过程;②忽略户问传热过程,内墙中间作为绝热边界条件;③假定内墙导热系数足够大,满足墙体毕沃数Bi<0.1,此时内墙的内外温度一致,对内墙可采用集总参数法分析其传热过程;④内墙内部的蓄能材料均质分布;⑤建筑为被动式采暖,不使用辅助采暖设备｡

根据以上假定,得出被动式相变蓄能建筑房间热性能简化分析模型｡

2.2 计算工况

为研究建筑内围护结构热容对室温调节能力的影响,本文选取参考建筑和太阳能建筑的南向房间作为比较对象,参考建筑南向房间的窗墙比为0.3,太阳能建筑南向房间的窗墙比为0.6,其余的计算工况均相同｡

相变蓄能房间除内墙为相变材料外,其余建筑热工参数､结构参数､气候条件和运行参数均与常物性蓄能房间相同｡相变材料的相变潜热取100MJ/m3,相变温度选取6､10､12､14､18､22､26℃作为模拟计算工况,相变温区取l℃｡

3 被动式相变蓄能建筑热性能评价指标

为了评价建筑内围护结构热容对室温调控性能的差异,定义如下指标:

1)自然室温分布频率｡利用模拟可得出采暖季节中建筑的自然室温分布情况,统计每1℃整数温度区间内自然室温出现的时间占整个采暖时间的比例,称为该房间在某一自然室温的分布频率,如式(3)所示｡

2)设定自然室温保证率｡该指标统计采暖季内大于某设定自然室温的室温累积出现频率｡该指标反映了被动式蓄能建筑在满足大于某设定室温时的采暖保证率｡如针对依靠太阳能采暖的被动蓄能建筑的室内采暖要求,可分析室内温度大于16℃时的太阳能采暖保证率｡

3)相变材料有效利用率｡该指标主要反映在整个采暖季中相变材料发生相变状态的时间比例｡即使房间内铺设了相变材料,也不能保证相变材料在整个采暖季中均处相变状态｡如果相变材料未处于相变温度状态,则说明相变材料未发挥相变蓄能调温作用｡可统计出采暖季中相变材料发生相变状态的时间占整个采暖季的时间比例,以此评价相变材料被有效利用程度｡如果相变材料选择不合理,则在整个采暖季节中相变材料处于相变状态的时间会很短,从而说明相变材料的蓄能调温效果不大｡

4 被动式常物性蓄能建筑热性能分析

4.1 常物性蓄能建筑的自然室温分布频率

常物性被动式蓄能建筑在采暖季中的自然室温频率分布如图2所示｡常物性被动式蓄能建筑的自然室温频率分布呈现沿最高频率室温向两侧递减分布的特点,其最低室温和最高室温的出现频率均较小｡当常物性蓄能建筑单位体积的热容(简称热容)分别取1､3､5､10MJ/(m3•K)时,常物性被动式蓄能建筑的最高频率室温出现的频率未超过10%｡图2自然室温频率分布

随着建筑内围护结构热容的增大,最高频率自然室温分布范围变小,且趋近分布在平均自然室温附近｡与热容小的建筑相比,大热容建筑的自然室温波动范围更小,室内温度稳定性更好｡

常物性被动式蓄能建筑的最高频率自然室温分布在平均自然室温附近｡欲提高最高频率自然室温,可通过提高得热量或降低失热量等措施提高其平均自然室温｡从图2可见,常物性被动式参考建筑的平均室温约为10℃;通过增大窗户面积增加太阳得热量后,常物性被动式太阳能建筑的平均室温可升高到约18℃｡被动式太阳能建筑的平均自然室温高于常物性被动式参考建筑的平均自然室温｡

4.2 常物性蓄能建筑的设定自然室温保证率

常物性蓄能建筑设定自然室温下的保证率如图3a所示｡可看出,随着建筑热容的增大,该建筑自然室温的分布范围变小｡增加建筑热容,可提高建筑的最低自然室温｡当常物性蓄能建筑设定自然室温低于其平均室温时,其设定自然室温保证率随建筑热容增大而增加;当设定自然室温高于其平均室温时,设定自然室温保证率随建筑热容增大而减少｡例如,设定自然室温16℃作为反映被动式建筑太阳能保证率的指标｡对于本文中的参考建筑,其平均室温约为10℃,从图3a中可看出,通过增大建筑热容并不能提高建筑自然室温大于16℃的太阳能保证率｡而太阳能建筑的平均室温约为18℃,如图3b中所示,由于太阳能建筑的平均室温大于16℃,通过增大建筑热容可提高建筑自然室温大于16℃的太阳能保证率｡

5 被动式相变蓄能建筑热性能分析

5.1 相变蓄能建筑的自然室温分布频率

被动式相变蓄能建筑的自然室温分布频率如图4所示｡被动式相变蓄能建筑的自然室温分布频率有两个主要特点:一是相变蓄能建筑可显著提高自然室温的最高频率值(例如,常物性蓄能建筑的自然室温最高频率约为10%,而相变蓄能建筑的自然室温最高频率可达约47%);二是相变蓄能建筑的最高频率自然室温出现在相变温度附近,而常物性蓄能建筑的最高频率自然室温出现在建筑的平均室温附近,且相变温度与建筑平均室温的温差越小,则最高频率自然室温的出现频率越大;相变温度偏离平均室温,最高频自然室温的出现频率呈下降趋势,(例如图4a所示,相变蓄能参考建筑的平均室温约为10℃,当相变温度死为10℃时,最高频自然室温的出现频率最大)｡相变蓄能太阳能建筑的平均室温约为18℃,当相变温度咒为18℃时,最高频自然室温的出现频率最大,相变温度与平均室温的偏差越大,最高频自然室温的出现频率就越小,如图4b所示｡

5.2 相变蓄能建筑的设定自然室温保证率

相变蓄能建筑的设定自然室温保证率如图5所示｡从图5a与图5b可看出,相变蓄能建筑可显著提高相变温度附近的自然室温保证率｡且当相变温度越趋近平均室温,相变材料对相变温度附近的自然室温保证率越大｡以相变蓄能参考建筑为例,其平均室温约为10℃,当选取相变温度咒为12℃的相变材料时,大于10℃的自然室温保证率可达68.5%,而常物性建筑热容即使达到10MJ/(m3-K)时,其大于10℃的自然室温保证率也只能达到43.6%,如图5a所示｡图5设定自然室温保证率

从图5a可知,对于平均室温约10℃的参考建筑,与热容为5MJ/(m3•K)的常物性蓄能建筑相比,当选取相变温度为12℃时,相变蓄能建筑自然室温大于10℃的太阳能保证率比常物性蓄能建筑高约25%｡从图5b可知,对于平均室温约18℃的太阳建筑,与热容为5MJ/(m3•K)的常物性蓄能建筑相比,相变温度咒选取22℃相变蓄能建筑的大于16℃的自然室温保证率高约15%｡因此,通过选择合适的相变温度,相变蓄能建筑可显著提高对某个设定自然室温的太阳能保证率｡从而可根据室温需求实现蓄能调温的效果｡如果相变温度选择不合理,相变温度与平均室温的温差过大,则无法达到很好的蓄能调温效果,例如,对于相变蓄能参考建筑,若相变温度咒选取22℃,则大于10℃的自然室温保证率只有44.6%,与常物性蓄能建筑的自然室温保证率相近,因此相变温度选择不合适会降低相变蓄能建筑的蓄能调温效果｡

5.3 相变材料有效利用率

当相变材料相变温度选取不合理时,相变材料的蓄能调温效果大幅减弱,主要原因是相变材料在采暖季中只有很短的时间处于相变蓄热放热状态,大部分时间未处于相变状态｡因此可统计得出相变材料在整个采暖季中处于相变状态的累计时间,从而得出相变材料被有效利用的时间比例｡

不同类型房间在不同相变温度工况下的相变材料有效利用率如图6所示｡从图6a中可得出,对于平均室温约10℃的参考建筑,当相变温度选取10~12℃时,相变材料有效利用率最高,可达到61.6%~68.6%｡从图6b中可得出,对于平均室温约为18℃的太阳能建筑,当相变温度选取20~22℃时,相变材料有效利用率最高,可达到60.1%｡因此相变温度与平均室温的温差越小,相变材料有效利用率越高｡图6相变材料有效利用率

6 结论

本文建立了理想被动式相变蓄能建筑热性能的数学分析模型,提出反映理想被动式相变蓄能建筑热特性的评价指标｡与常物性蓄能建筑相比,相变蓄能建筑的蓄能调温特性如下:

1)相变蓄能建筑呈现出不同的自然室温频率分布特点｡相变蓄能建筑自然室温出现的最高频率要明显大于常物性蓄能建筑自然室温出现的最高频率｡

2)常物性蓄能建筑的最高频率自然室温出现在平均室温附近,而相变蓄能建筑的最高频率自然室温出现在相变温度附近｡

3)相变蓄能建筑可显著提高相变温度附近的自然室温保证率｡相变温度与平均室温的温差越小,相变材料对相变温度附近的自然室温保证率越高,相变材料的蓄能调温效果越好｡

4)相变温度与平均室温的温差越小,相变材料利用率越高,最高频率室温的出现频率也越高｡

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