雙層相變蓄能輻射地板傳熱特性實驗研究

張舒陽，夏 燚，張小松

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雙層相變蓄能輻射地板傳熱特性實驗研究

張舒陽1，夏 燚2，張小松1

（1東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇南京 210096；2南京師范大學能源與機械工程學院，江蘇南京 210000）

本文構建了一種可用于供暖和供冷兩種工況的相變蓄能輻射地板系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含蓄冷和蓄熱兩層石蠟相變材料，相變點分別為18 ℃和34 ℃，針對該相變地板蓄冷和蓄熱層上下相對位置的變化，通過實驗研究了在供暖水溫45 ℃和供冷水溫15 ℃兩種工況下，這兩種不同結構的相變地板的傳熱特性，以及相變層對找平層、地板層等結構層的影響。結果表明，該相變地板系統(tǒng)可用于供熱和供冷兩種工況，兩種結構模式下，不同結構層在蓄能過程中溫度變化特性均相近，但釋能過程溫度變化特性區(qū)別較大。結構的變化對實驗箱體內氣溫在供暖時影響較大，而在供冷時影響不大。綜合供冷供暖兩種工況，從系統(tǒng)冷量和熱量的傳遞結果考慮，蓄熱層在上、蓄冷層在下的結構傳熱性能更優(yōu)，可緩解地板溫度過快下降帶來的熱舒適性差及結露問題。

相變材料；輻射地板；數(shù)值模擬；蓄能釋能；實驗研究

目前，我國的社會總能耗中，建筑能耗約占1/3，其中空調和采暖能耗占建筑總能耗的40%～50%。隨著人們對生活環(huán)境的舒適性以及工業(yè)生產環(huán)境合適性的要求日益提高，建筑及其暖通系統(tǒng)給我國的能源需求帶來了巨大的壓力。在眾多建筑節(jié)能措施中，蓄能技術可有效均衡負荷在時間、空間和強度上的分配比例[1-4]，被認為是一種可有效實現(xiàn)建筑節(jié)能的途徑。其中，潛熱蓄能（也稱作相變蓄能）則被認為是最有效的蓄能方式[6-15]，通過將相變材料應用于建筑圍護結構中，利用其相變時可在小幅溫度變化范圍內吸收或釋放大量的熱量[16-24]，提高建筑物的熱惰性，減緩室內熱環(huán)境的波動，進而提高采暖和空調系統(tǒng)的運行效率，達到建筑節(jié)能的目的。

地板輻射采暖系統(tǒng)作為一種舒適、健康、節(jié)能的空調末端形式，可與多種低位熱源進行結合，可在保證高效利用能源的同時提高室內熱舒適性。本研究將地板輻射系統(tǒng)和相變蓄能技術進行結合，構建高效舒適的空調系統(tǒng)，實現(xiàn)建筑節(jié)能，同時可緩解國家電網峰值壓力，實現(xiàn)電網移峰填谷，并減少用戶花費[25-29]。

我國政府在1994年出臺了“峰谷電價政策”，目前全國大部分省市均實行了峰谷電價政策。2008年國務院擴大了峰谷電價的實施范圍，以經濟手段推動電力“移峰填谷”的實現(xiàn)，并且大力提倡創(chuàng)新發(fā)展低谷用電節(jié)能產業(yè)。由于相變材料的相變過程會吸收或放出大量的熱量，因此可以將相變材料與地板輻射供暖/供冷系統(tǒng)相結合，構建相變地板輻射系統(tǒng)。一方面，相變地板輻射系統(tǒng)可以利用夜間低谷低價電進行蓄能，提高系統(tǒng)的經濟性；另一方面，相變材料的加入有效地提高了相變地板輻射系統(tǒng)的熱慣性，降低室內空氣溫度的波動，從而減少冷熱負荷，達到建筑節(jié)能的目的。目前，相變地板輻射系統(tǒng)已經逐漸引起了國內外學者的興趣，并主要對其供暖性能進行了一系列實驗研究[30-32]。

HAURIE等[30]將不同組分的相變材料應用于地板輻射供暖供冷系統(tǒng)，并通過試驗研究了不同組分相變材料的焓-溫度曲線，以及不同組分相變材料對水泥材料傳熱性能的影響。JEON等[31]將在相變材料中添加石墨烯粉體xGnP并應用于地板輻射供暖系統(tǒng)，研究了該種相變材料的熱導率和潛熱儲能，研究結果表明，添加了xGnP的相變材料可用于住宅建筑中的地板輻射供暖系統(tǒng)。ZHOU等[32]對使用不同蓄能材料（沙子和相變材料）的地板輻射供暖系統(tǒng)的性能進行了對比研究，試驗結果表明，當供暖結束后，使用相變材料的地板輻射供暖系統(tǒng)的放熱時間是使用沙子地板輻射供暖系統(tǒng)放熱時間的2倍。JIN等[33]建立了一種具有雙層相變材料的地板輻射供冷/供暖系統(tǒng)，系統(tǒng)中兩層相變材料具有不同的相變溫度，分別用于蓄冷和蓄熱，并建立了系統(tǒng)的數(shù)值模型，研究結果表明，與沒有相變材料的地板輻射供冷/供暖系統(tǒng)相比，當相變材料的相變潛熱為150 kJ/kg時，新系統(tǒng)釋放的熱量或冷量將分別多出41.1%和37.9%。

可以看出，目前對于相變蓄能地板的研究仍集中在冬季供暖工況，所使用的相變材料包括水合鹽、無機封裝相變材料、以石蠟為主體而用高密度聚乙烯作為支持載體的定形相變材料等[34-36]。

傳統(tǒng)相變蓄能式地板輻射采暖系統(tǒng)僅能在冬季進行工作，其余時間均停機，增加維護費用同時還因建筑另需其它制冷設備滿足供冷需求，增加了暖通系統(tǒng)建造成本。為了實現(xiàn)冷熱一體化，本文構建了一種雙層相變蓄能輻射地板空調末端系統(tǒng)，該系統(tǒng)的相變層由蓄冷層和蓄熱層構成，可在供冷和供暖兩種工況下工作。本文通過實驗對兩種工況下的傳熱特性進行了研究，探索了兩個相變層的最優(yōu)組合方案。

1 相變輻射地板系統(tǒng)構建

雙層相變蓄能式地板輻射供冷/供暖末端系統(tǒng)的地板結構從上到下分別為地板層、找平層、蓄熱相變材料層、蓄冷相變材料層、反射膜、保溫層以及樓板層，如圖1所示。將蓄熱層毛細管網鋪設在蓄熱相變材料層中，并將蓄冷層毛細管網鋪設在蓄冷相變材料層中，蓄熱層毛細管網和蓄冷層毛細管網分別浸潤在蓄熱相變材料和蓄冷相變材料中。反射膜使用鋁箔或其它高反射率材料，起到反射以及阻隔輻射熱量的作用，并且減小相變材料層與保溫層之間的換熱。保溫層中為導熱率低、密度小的保溫材料，以減少相變材料層與樓板層之間的熱量 交換。

系統(tǒng)中地板各層的熱物理性質見表1。

表1 地板各結構層熱物理性質

由于固-固相變材料目前的發(fā)展并不完善，因此本系統(tǒng)試驗中選用固-液相變材料。又因為固-液相變材料中的無機相變材料可能存在過冷或相分離現(xiàn)象，因此本系統(tǒng)試驗中選用固-液相變材料中的有機脂肪酸類相變材料，均由北京某相變材料生產商供應，蓄熱相變材料型號為MG35，蓄冷相變材料型號為MG19，其主要物性參數(shù)見表2。

表2 相變蓄能材料的物性參數(shù)

2 實驗方案

為了研究該地板相變層在蓄熱過程與放熱過程的性能，了解相變層對其它結構層的影響，獲得系統(tǒng)蓄熱和放熱的特性，并探索兩個相變層的最優(yōu)組合方案，本文搭建了一套兩間小尺寸的模擬測試箱體并建立實驗實測系統(tǒng)測量了不同層的溫度在冬夏兩種工況下，蓄能和釋能過程中隨時間的變化情況。其中，系統(tǒng)A蓄冷相變層在上、系統(tǒng)B蓄熱相變層在上，其余結構層均相同。

試驗系統(tǒng)中在蓄熱層內部、蓄冷層內部、蓄熱層上部玻璃板底面（替代測試蓄熱層上表面溫度）、蓄冷層上部玻璃板底面（替代測試蓄冷層上表面溫度）、混凝土上表面、地板表面分別設置了2個熱電偶進行溫度監(jiān)測?？紤]到供水溫度及流量調節(jié)的便利性，系統(tǒng)試驗中采用恒溫水浴取代熱泵機組為雙層相變蓄能輻射供冷暖空調系統(tǒng)提供運行所需的冷水和熱水，試驗的測試系統(tǒng)流程如圖2所示。冬季供暖工況試驗系統(tǒng)流程如下：打開閥門2、3，關閉閥門1、4，開啟恒溫水浴，將恒溫水浴水溫調節(jié)至設計工況溫度，開始試驗。夏季制冷工況試驗系統(tǒng)流程如下：打開閥門1、4，關閉閥門2、3，開啟恒溫水浴，將恒溫水浴水溫調節(jié)至設計工況溫度，開始試驗。

具體實驗步驟如下：①調節(jié)試驗箱體的溫度及濕度工況，供暖時將箱內溫度維持在8 ℃左右，供冷時則為30 ℃左右；②將恒溫水浴的出水流量調節(jié)至0.12 m3/h，供暖水溫設定為45 ℃，供冷時為15 ℃；③打開水泵開始蓄能，蓄能過程中通過數(shù)據(jù)采集儀自動測量各溫度，時間步長為10 min，持續(xù)時間8 h；④關閉水泵和恒溫水浴，開始釋能，放熱過程中通過數(shù)據(jù)采集儀自動測量兩個箱體中系統(tǒng)各層的溫度，測量間隔為10 min，持續(xù)時間16 h。

3 實驗結果

3.1 供暖工況

3.1.1 各結構層溫度變化

如圖3所示為不同結構的地板在蓄熱過程中，各層溫度隨時間的變化，隨著蓄熱的不斷進行，各層溫度出現(xiàn)不同程度的增長。如圖3(a)，對于試驗箱體A，由于其蓄冷層在蓄熱層和找平層之間，因此其蓄冷層在受到蓄熱層加熱的同時還會向找平層釋放熱量；而B中的蓄冷層位于蓄熱層和保溫層中間，受熱時不需要對外釋放熱量。因此試驗箱體B中系統(tǒng)蓄冷層的溫度在相同供水溫度的作用下會高于A中蓄冷層的溫度。雖然A中蓄冷層的溫度更低，但A、B兩者相差并不大，在8 h蓄熱時間結束后也只相差2 ℃左右。類似地，蓄熱過程中[圖3(b)]，由于A的蓄熱層只需向蓄冷層釋放熱量；而B中蓄熱層還會向找平層放熱，從而造成了其溫度略低于試驗箱體A的蓄熱層。

在系統(tǒng)的整個蓄熱過程中，由于B的找平層直接受蓄熱層的加熱，其溫度則從7.5 ℃升高到 28.5 ℃，而由于蓄冷層熱慣性作用，A中找平層溫度上升出現(xiàn)延遲，溫度變化則為7.5～13 ℃。類似地，A、B兩系統(tǒng)中的地板層溫升與找平層中規(guī)律一致，溫度變化分別為7.5～12.5 ℃和7.5～24.5 ℃。

放熱過程各層溫度變化則如圖4所示，放熱過程中試驗箱體A中的蓄冷層溫度要高于B，兩者均存在峰值，且A中蓄冷層溫度峰值比B遲出現(xiàn)約 2 h。A中蓄熱層的熱量全部被用來加熱蓄冷層，而B中蓄熱層的熱量同時用于加熱找平層和蓄冷層，因此B的蓄熱層溫降快，且其蓄冷層溫度在放熱過程中會低于A的蓄冷層。

由于蓄冷相變材料層熱慣性的作用，試驗箱體A中找平層在釋熱過程中溫度仍保持上升直至18 h左右，而B的蓄熱層雖不斷放出熱量，但仍小于找平層傳給地板層的熱量，使得找平層溫度不斷下降。地板層的熱量主要源于找平層，因此A、B兩地板層溫度變化趨勢與找平層基本一致。

總的來說，對于該雙層相變蓄能輻射地板系統(tǒng)，蓄熱過程中，蓄冷層與蓄熱層的相對位置對相變層的溫度影響并不是很明顯，而對找平層和地板層影響較大；放熱過程中，兩種結構溫度變化范圍差異均較大，且因熱惰性，找平層和地板層溫度變化趨勢不同。供暖模式下，A中地板層溫升較快，將會導致室內溫度快速升高并可能引起用戶的不舒適。雖然B中地板層溫升較少，但可以通過提高供水溫度，達到更好、更穩(wěn)定、更舒適的供熱效果。

3.1.2 相變地板對空間的影響

圖5(a)所示為供水溫度45 ℃下試驗箱體A和試驗箱體B的蓄熱過程中空間溫度隨雙層相變蓄能輻射供冷暖空調系統(tǒng)運行的變化。從圖中可以看出，系統(tǒng)蓄熱過程中兩個箱體的空間溫度均隨著系統(tǒng)的運行而升高，且試驗箱體B的空間溫度的升高速率高于A。經過8 h蓄熱，A的空間溫度由7 ℃升至13 ℃；而B的空間溫度則由7 ℃升至19 ℃。如圖5(b)所示，在系統(tǒng)的放熱過程中，試驗箱體A和B的空間溫度均不斷降低，且B的溫度降低速率較快。在整個放熱過程中，試驗箱體B的空間溫度從19.5 ℃降低到了13.5 ℃，而試驗箱體A的空間溫度則從13.5 ℃降低到了12.5 ℃。

盡管從溫度變化速率來看，試驗箱體A空間溫度的穩(wěn)定性遠高于B，但其空間溫度始終不超過 14 ℃，不能較好地滿足用戶的熱舒適性需求。這是由于系統(tǒng)B中蓄熱層在蓄冷層上方，與A相比少了蓄冷層所帶來的熱阻，從而提高了與箱體空氣間的傳熱效果。

而在放熱階段，一方面，由于試驗箱體B的空間溫度初始值較高，因此B向外散熱更快；另一方面，試驗箱體A在蓄熱層與箱體空間之間多了一層蓄冷層，因此A的蓄熱層與箱體空間之間的傳熱會延遲很多，從而導致了在放熱過程初始階段，蓄熱層與箱體空間之間仍存在著較大的溫差，進而延長了蓄熱層對箱體空間的加熱時間。

因此從整個蓄熱放熱過程來看，B系統(tǒng)具有更好的蓄熱效率和放熱特性，能保證室內溫度處于相對較高水平。

3.2 供冷工況

3.2.1 各結構層溫度變化

供冷工況下，蓄冷過程中各層溫度隨時間的變化如圖6所示，各層溫度出現(xiàn)不同程度下降。其中，由于試驗箱體A的蓄熱層位于蓄冷層和保溫層之間，且蓄熱層具有較大蓄熱能力，因此A的溫降速度更快。兩個箱體的蓄冷層在冷水的循環(huán)作用下不斷降溫，表現(xiàn)出了較為一致的溫度變化特性，蓄冷結束時均降至與循環(huán)冷水相近的溫度。

在系統(tǒng)的整個蓄冷過程中，試驗箱體B的找平層溫度變化僅約1 ℃，對比可發(fā)現(xiàn)蓄熱層位的位置大大延遲了找平層的溫降。類似地，地板層的冷量均來源于找平層，其溫度變化與找平層一致。

在系統(tǒng)蓄冷過程中，蓄冷層與蓄熱層以及找平層的溫差大，但找平層與地板層之間的溫度差異卻很小。為了提高系統(tǒng)傳遞冷量的能力，需要降低蓄冷相變材料層與找平層之間的傳熱熱阻。

圖6 不同結構的地板在蓄冷過程中各層溫度隨時間 的變化

釋冷過程中各層溫度隨時間的變化如圖7所示。B中蓄熱相變材料層溫度穩(wěn)定在21～22 ℃，幾乎沒有變化，而A中蓄熱層溫度則是先降低后升高。在整個釋冷過程中，B的蓄熱層一邊受到蓄冷層的冷卻，一邊受到找平層的加熱，在穩(wěn)定傳熱的情況下，溫度幾乎不變。

釋冷過程與蓄冷過程相似，由于地板層的冷量均來源于找平層，兩者溫度變化規(guī)律一致。A中找平層和地板層溫度均先降后升，釋冷結束時與開始時的溫度相差不到0.5 ℃，B的找平層和地板層溫度則逐漸下降。

在試驗箱體A系統(tǒng)釋冷的后階段，當蓄冷層不斷將冷量傳遞到找平層中，使得蓄冷層的溫度高于蓄熱層后，儲存在蓄熱層中的冷量便開始不斷的釋放到蓄冷層中，使得A在系統(tǒng)蓄冷階段儲存的總冷量多于試驗箱體B。

3.2.2 相變地板對空間的影響

如圖8(a)所示，系統(tǒng)蓄冷過程中兩箱體的空間溫度均隨著系統(tǒng)的運行而降低，且試驗箱體A的空間溫度的降低速率較快。經過8 h蓄冷，試驗箱體A的空間溫度由29 ℃降低到25 ℃；而B的空間溫度則由28.5 ℃降低到26 ℃。由此說明，雖然試驗箱體B中蓄冷層和空氣之間的傳熱與試驗箱體A相比多了蓄熱層的熱阻，但兩者相差不大。如圖8(b)所示，釋冷過程中，試驗箱體A和B的溫度均有所波動，但都穩(wěn)定在24～26 ℃內，其中B的空間溫度略高于A，兩者之間的溫差在系統(tǒng)釋冷的終了階段幾乎可以忽略不計。雖然試驗箱體B中蓄冷層與箱體空氣之間的換熱多了蓄熱層的熱阻，但A、B試驗箱體空間溫度均可以滿足用戶的用冷需求。

4 結 論

本文針對兩種結構的相變地板在供暖和供冷工況下工作時，蓄能和釋能特性進行了研究，為系統(tǒng)的實際應用建立了試驗基礎，主要結論如下。

（1）通過雙層蓄能材料的使用，該相變地板系統(tǒng)可用于供熱和供冷兩種工況。

（2）兩種結構模式下，不同結構層在蓄能過程中溫度變化特性均相近，由于熱阻不同，使得釋能過程溫度變化特性出現(xiàn)較大區(qū)別。

（3）兩個試驗箱體的系統(tǒng)雖然結構有所不同，但蓄冷層的蓄冷能力是很相近的。對比兩種結構在供暖和供冷兩種工況下試驗箱體空間溫度的變化程度，結構的變化對供暖影響較大，而對供冷影響 不大；

（4）綜合供冷供暖兩種工況，從系統(tǒng)冷量和熱量的傳遞結果考慮，蓄熱層在上、蓄冷層在下的結構傳熱性能更優(yōu)，并可緩解地板溫度下降過快帶來的熱舒適性差及結露問題。

符 號 說 明

下角標 cold——蓄冷相變層 thermal——蓄熱相變層 leveling——找平層 floor——地板層

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An experimental study on a radiant floor system with double-layered phase change materials

1,2,1

(1School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, China;2Institute of Energy and Mechanical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210000, Jiangsu, China)

This paper reports a newly proposed phase change material based radiant floor system. The system consists of two phase change material layers with one for cold storage for space cooling and the other for heat storage for space heating. The phase change temperatures of the two materials are respectively 18 ℃ and 34 ℃. Two designs of the floor systems, A and B, were studied. The Design A had the cold storage layer placed on top of the heat storage layer; whereas the Design B placed the heat storage material on top of the cold. An experimental system was used to compare the two designs, which used a flow of water (120 L/h flowrate) with inlet temperatures of 45 ℃ and 15 ℃ for heating and cooling respectively. The results showed that the designs had a great influence on the indoor air temperature under the heating operations but exerted very little influence on the indoor air temperature under the cooling operations. This implied that the Design B had a better heat transfer performance than the Design A.

phase change material; floor radiant; numerical simulation; energy storage and release; experimental study

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0075

TU 83

A

2095-4239（2017）04-730-09

2017-05-25；

2017-06-20。

國家自然科學基金項目（2020619）。

張舒陽（1992—），女，博士研究生，研究方向為新型空調系統(tǒng)，E-mail：zhangsy.seu@gmail.com；

張小松，教授，研究方向為新型制冷技術、高效空調系統(tǒng)與熱泵技術、建筑節(jié)能，E-mail：rache@163.com。