电加热相变材料蓄热地板采暖的热性能模拟

北京 56
131 0 25 1 20
上海 42
101 0 35 90
大连 60 141 0 25 12 0
图 5 不同地区电加热相变蓄热地板 采暖系统的使用效果
F ig1 5 T he effect of PCM electric floor heating system in different climates
表 3 各个地区房间设计热负荷和相变层厚度
T able 3 T he designing heating load and P CM thickness of the room in differ ent regions
设计热负荷/ W# m-2 P CM 层厚度/ mm 地板覆盖层厚度/ mm 加热器功率/ W# m-2
( 8)
房间内空气的热平衡方程为:
E c p,
a Qa
V
R
dta dS
=
Q W, K + Q S, C + Q L ( 9)
其中, cp, a ) ) ) 空气的比热容, J/ ( kg# e ) ; Qa ) ) ) 空 气 的 密 度, kg / m3; V R ) ) ) 房 间 容 积, m3; Q W, K ) ) ) 房间维护结构各内表面和室内空气的对
地板采暖系统自下而上由保温材料层、电加热 层、相变材料层和覆盖层组成, 图 3 为其横截面示 意图。假设所用相变材料的相变温度为 30 e , 在 晚上 23: 00 至晨 7: 00 蓄存电热, 地板和墙体材料 的热物性参数见表 2。
2 数学模型
211 地板传热模型 为突出物理本质, 合理简化问题以便于计算,
太阳 能学报
24 卷
国外对蓄热式地板采暖有了一些研究和应用。 西班牙的 M1Barrio 对放在恒温环境中的小室做了 蓄热地板电采暖的实验, 用以比较 NP G 相变材料 和混凝土的蓄热性能[ 3] 。加拿大的 A1K1A thienit is 研究了用混凝土蓄热的地板采暖系统在不同室外温 度下的使用效果[ 4] 。G1Bakos 在被动式太阳房中应 用了蓄热电采暖 地板[ 5] 。迄今为止, 还没有对 相 变蓄热地板电采暖在实际气候下使用效果的研究。
$ H m/ kJ#kg- 1 20 0
13 00
01 8 8
)
10 0
11 3 8
)
96 0
11 0
)
k / W / ( m# e ) - 1 01 500 01 582 01 047 01 15
图 2 电加热相变蓄热地板采暖房间示意图 F ig12 Schematic of the room w ith PCM electr ic floo r heating
图 1 不同采暖方式温 度分布示意图 F ig1 1 Distribution of indoor temper ature under different heating modes
收稿日期: 2002- 09-11 基金项目: 国家重点基础研究专项经费资助( 2001CB409600)
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m2; q power ) ) ) 相变层下表面电加热功率, W/ m2,
停止加热时, qpower 为 0; h ) ) ) 上表面与室内空气 的自然对 流换热 系数, W/ ( m2 # e ) , 令 t floor ) ) ) 室内地面温度, t in ) ) ) 室内空气温度, 则 h 按下 式计算[ 6] 。
[ 2] 邓有源, 赵继 豪. 低温热 水地板 辐射 采暖与 节能 技 术[ J] . 新型建筑材料, 1997: 37 ) 38.
[ 3] Barr io M , F ont J, L opez D O , et al. F loor radiant system w ith heat stor ag e by a solid-solid phase transition material[ J] . Solar Energy M ater ials and Solar Cells, 1992, 27: 127 ) 133.
但需进一步探索简单可行、操作容易的控制方 法使系统更加节能和舒适。
4结论
本文模拟计算了一个电加热相变蓄热地板采暖 房间在几个地区的应用效果。结果表明, 在使得房 间热负荷不大的建筑和气候条件下, 使用相变材料 蓄热的地板电采暖方式基本能够满足人的热舒适要 求, 有较好的应用前景。
[ 参考文献]
[ 1] 郑淑华. 本市 部分地区 将试 行电采 暖, 电价 实行 优 惠[ N ] . 北京青年报, 2001. 11. 4( 第 3 版) .
北京市 2002 年能源和环境国际座谈会上, 北 京市长致辞: / 为了改善大气环境质量, 体现城市 现代文明, 提高城市竞争力, 承办好 2008 年奥运 会, 市政府已 下决心改变北京 以煤为主的能 源结 构, 建立市场化的优质能源供应体系, 从而实现社 会和经济的可持续发展。电力在能源结构中的比例 将由现在的 29% 增长到 42% 0。北京市能源结构的 调整目标是: / 2008 年优质能源在终端能源消费结
第 24 卷 第 5 期 2003 年 10 月
太阳能学报
ACTA ENER GIA E S OLAR IS SIN ICA
文章编号: 0254- 0096 ( 2003) 05- 0633- 05
Vol1 24, No1 5 O ct . , 2003
电加热相变材料蓄热地板采暖的热性能模拟
林坤平, 张寅平
5期
林坤平等: 电加热相变材料蓄热地板采暖的热性能模拟
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制方程来表示:
Q99HS =
k
92 t 9x2
( 1)
图 3 相变蓄热电加热地板横截面示意图 F ig1 3 Schematic of cross section of the PCM
electric floo r heating system
作如下假设:
名称 PCM 层 重 砂浆空心砖 聚乙烯板 地板覆盖层
表 2 地板和墙体材 料物性参数
T able 2 T he physical proper ties of the floor and wall materials
Q/ kg#m- 3 12 50
cp/ kJ# ( kg# e ) - 1 110( l , s )
( 清华大学建筑技术科学系, 北京 100084)
摘 要: 为消除电采暖引起的电网峰谷差并降低采暖运行费 用, 该文 提出了一种带有相变材料潜热贮能板的 地板电采
暖系统, 并建立了分析此系统热性能的地板和房间 理论模型, 对给定的电加热相变蓄热地板采暖房间, 模拟 了室内空
气温度和地面温度的变化, 藉此分析了我国几个气候地区冬 季该系统的应用效果, 结果证明此采暖方式在使 房间热负
流散热速率, W; Q S, C ) ) ) 房间内人员和设备的对 流散热速率, W; Q L ) ) ) 空气渗透或通风造成的 换热速率, W。
图 4 墙表面传热状况示意图 Fig1 4 Schematic o f heat t ransfer on wall surface
3 模拟计算与使用效果分析
( 1) 传热只沿地板厚度方向; ( 2) 除相变区等效比热外, 物性均为常数; ( 3) 忽略相变材料融化时的自然对流和凝固时 的过冷效应及相变过程中显热影响;
( 4) 保温层没有漏热损失; ( 5) 不考虑电加热层的热容和热阻。 此问题为双层板壁( 覆盖层和相变层) 的一维相 变传热, 用焓法求解, 整个区域可用统一形式的控
荷不大的建筑和气候条件下, 基本能满足人的热舒 适性要求, 有较好的应用前景。
关键词: 相变材料; 蓄热; 电采暖; 地板采暖
中图分类号: T K 512+ 1 4
文献标识码: A
0引言
长期以来, 我国北方 城市冬季采 暖以燃煤 为 主, 造成了市区严重污染。一些城市开始实行以天 然气、电力等清洁能源代替燃煤的环保政策, 促进 了电采暖的发展。但电采暖加大了电网峰负荷, 结 合蓄热才是其正确的应用途径。
用电时间 电价/ á #( kWh) - 1
7: 00- 23: 00 01 3 93
23: 00- 7: 00 01 2
电加热相变蓄热地板采暖既可充分利用电输送 方便的优点, 又避开了集中供暖系统的建造和管道 维护等麻烦。地板采暖是一种很舒适的采暖方式, 不仅满足人体 / 足暖头寒0 的需要, 而且人体以上 区域温度较低, 使采暖能耗较小, 接近理想的采暖 方式[ 2] , 见图 1。
4
h = 215 @ t floor-t in
212 房间传热模型 假设墙内部导热只沿墙的厚度方向, 表面传热
状况见图 4, 可得墙的一维导热方程:
Qb c p, b
9t 9S
=Βιβλιοθήκη Baidu
kb
9 t2 92y
( 5)
边界条件为:
qout + hout ( t out- t ) y = 0
=
-k b
9t 9y
y= 0
[ 4] Athienitis A K, Chen T Y. Exper imental and theoret-i cal investigation of floor heating w ith thermal storage [ J] . A SHRAE T rans, 1993, 99( 1) : 1049 ) 1057.
其中, 焓 H = cp @ t , Q、cp 和 k 对不同材料取相 应的物理特性参数。
边界条件为:
qr + h ( t in-t )
x= L = 1
k
9t 9x
x= L1
( 2)
qpower =
-k
9t 9x
x= 0
( 3)
初始条件为:
t ( x , S)
= t init
( 4)
S= 0
其中, qr ) ) ) 覆盖层上表面受到 的辐射通量, W/
可见, 北京、上海、大连的冬季大部分时间室 内温度在 16~ 25 e 之间, 而且室内温度昼夜变化
6 36
太阳 能学报
24 卷
在 4 e 之内, 基本满足人的舒适性要求; 地面温度
不超过 29 e , 据一些国家对地板采暖地面 最高温
度的限制 ( 美 国 29 e , 法国 21 e , 英国 24 e , 德 国 29 e [ 8] ) , 是可以接受的。
分别在北京、上海和大连气候条件下计算上述 房间模型的室内气温和室内地面温度, 分析评价其 在不同地区的使用效果。各地室外气象数据由软件 Medpha V110 生成, 按不同的外 墙厚度根 据文献 [ 7] 估算上述房间冬季供暖设计热负荷, 以确定相 变材料的用量和厚度, 见表 3。室内气温和室内地 面温度的计算结果见图 5 所示。
构中所占比重达到 80% 以上0, 计划 40 亿千瓦时 用于电采暖替代煤, 并将合理确定峰谷电价, 鼓励 蓄能式电暖气采暖。表 1 为 2001 年北京市电采暖 试点用户的电价[ 1] 。
表 1 北京市电采暖试点用户电价
T able 1 Electricity price of experimental unit in Beijing
( 6)
其中,
q in + h in( t in-t ) y = L
=
kb
9t 9y
y= L2
( 7)
qin 与 q out ) ) ) 分别为墙内、外侧辐射通量,
W/ m2; t in和 t out ) ) ) 分别为室内、外气温, e ; hin 与 hout ) ) ) 分 别为墙 与室内、外空 气对 流换 热系 数, W/ ( m2 # e ) , 令 t 1 ) ) ) 内 墙 表 面 温 度;
本文描述了一种带有相变材料潜热贮能板的地 板电采暖系统, 建立了分析此系统热性能的理论模 型, 通过数值模拟, 分析了我国不同气候地区冬季 该系统的应用效果, 藉此评价了此采暖方式在我国 不同气候地区应用的可行性。
1 问题描述
图 2 为应用电加热相变蓄热地板采暖的房间示
意图, 房间面积为 4m( W ) @ 6m( L ) , 高 3m, 一 面外墙由 240m m 厚重砂浆空心砖与 20mm 厚聚乙 烯板外保温构成, 内墙为 240mm 厚的重砂浆空心 砖, 双层玻璃钢窗 2m @ 2m, 传热系数 3101W/ ( K #m2) , 换气次数 1h- 1, 室内设备、人员、灯光负 荷为 15W/ m2, 内墙与上下楼板按绝热处理。
t 2 ) ) ) 外墙表 面温度, 根据 实际情况, hin 按自然
对流、 hout 按 风 速 v = 4m / s 受 迫 对 流由 下 式 计 算[ 6] 。
4
h in = 2 @ t 1-t in; hout = 215 + 412v
初始条件为: t ( y , S) | S= 0 = t init