相变蓄热活动地板
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相变储能材料在 建筑供暖空调领域的应用研究
相变材料( Phase Change Material,简称PCM ) 具有在相变过程中储能密度大、相变过程温度变化 小等特点, 既可以缓解能量供求双方在时间、强度和 地点上不匹配的矛盾, 起到“移峰填谷”的作用、降 低空调或供暖系统的运行维护费用, 又可以减小建筑 物内的温度波动, 提高室内舒适度。因此在建筑供暖、 空调领域具有广阔的应用前景。
3.相变材料在暖通空调领域的应用
相变材料在暖通空调领域的应用主要分为两大 类: 一类是将相变材料与建筑围护结构结合, 如墙 体、天花板、地板等, 以下简称相变墙体材料; 另一类是将相变材料应用在供暖、空调系统中, 以下简称为系统相变材料。
3.1相变墙体材料
墙体作为建筑的围护结构之一, 对室内的热环 境起着至关重要的作用, 通过墙壁的不稳定导热是增 强或削弱传热过程的主要环节。常用的建筑材料热 容比较小, 增加墙壁厚度固然可以使室内温度趋于平 稳, 但是会大大增加投资, 而相变材料在融化或凝固 过程中温度几乎不变, 同时可以吸收或释放大量的潜 热, 将相变材料与建筑材料结合形成复合相变储能建 筑材料, 这种材料兼具普通建筑材料与相变材料两者 的优点, 在一定范围内, 其热容是普通建筑材料所无 法比拟的。
相变储能技术在空调Biblioteka Baidu统中的应用
在空调系统中, 相变主要应用于蓄冷空调。蓄 冷空调的主要应用形式有冰蓄冷、水蓄冷和相变材 料蓄冷, 其中冰蓄冷和相变材料蓄冷就是利用相变 潜热进行能量的储存与释放。 2001年, 清华大学的康艳兵介绍了一个夜间通 风蓄冷的相变吊顶系统 , 将相变储能换热器安装在 房间吊顶与上层楼板之间的空间内 , 夜间通过风机 引进室外冷风 , 对相变材料蓄冷 , 同时对室内建筑 围护结构蓄冷 ; 白天空气从室内引进相变储能换热 器 , 经过相变材料冷却后送回室内 , 达到室内降温 效果。
应用于建筑供暖空调领域的相变材料应满足以 下条件: (1)相变温度接近人体的舒适温度,即20-26℃; (2) 具有足够大的相变潜热和热传导系数 , 相 变时膨胀或收缩性小 , 相变的可逆性好 , 过冷或过 热现象小。 由于在实际研制过程中, 要找到满足所有这些 条件的相变材料非常困难。因此, 往往先考虑是否 有合适的相变温度和较大的相变潜热 , 再考虑其他 因素。
陈其针和李国建通过相变储能电热地板采暖房间 的实对比分析 , 得出采用相变电热地板辐射采暖的房间 室内温度分布均匀、梯度小,热气流由下而上,人的脚部 暖和、头部温和,提高了热舒适性。系统在夜电模式下, 移峰填谷效率在53%～67%之间,通过地板送风,室内平均 温度可提高近 1 ℃ , 移峰填谷效率最高可提高到 88% 左右 （见图1）。
相变储能建筑材料的应用发展
相变储能建筑材料应用于建材的研究始于1982年, 由美国能源部太阳能公司发起。 20 世纪 90 年代以 PCM 处 理建筑材料(如石膏板、墙板与混凝土构件等)的技术发 展起来了。随后,PCM在混凝土试块、石膏墙板等建筑材 料中的研究和应用一直方兴未艾。 1999 年 , 国外又研制 成功一种新型建筑材料——固液共晶相变材料 , 在墙板 或轻型混凝土预制板中浇注这种相变材料 , 可以保持室 内温度适宜。另欧美有多家公司利用 PCM 生产销售室外 通讯接线设备和电力变压设备的专用小屋 , 可在冬夏天 均保持在适宜的工作温度。此外,含有PCM的沥青地面或 水泥路面 , 可以防止道路、桥梁、飞机跑道等在冬季深 夜结冰。
清华大学超低能耗示范楼
相变蓄热活动地板
示范楼的围护结构由玻璃幕墙、轻质保温外墙组成， 热容较小，低热惯性容易导致室内温度波动大，尤其是在冬 季，昼夜温差会超过 10℃ 。为增加建筑热惯性，以使室内 热环境更加稳定，示范楼采用了相变蓄热地板的设计方案。 如图所示，具体做法是将相变温度为 20 ～ 22℃ 的定形相 变材料放置于常规的活动地板内作为部分填充物，由此形成 的蓄热体在冬季的白天可蓄存由玻璃幕墙和窗户进入室内的 太阳辐射热，晚上材料相变向室内放出蓄存的热量，这样室 内温度波动将不超过6℃ 。 活动地板架空层高度 1.2 米，空调风道、各类水管、 电缆、综合布线等均隐藏在架空层内。保证室内干净整洁， 而且不需要吊顶，房间净空高度大，有效利用空间多。
2.相变储能技术在节能建筑中的应用
相变储能建筑材料的作用 通过向普通建筑材料中加入相变材料, 可以制 成具有较高热容的轻质建筑材料,称为相变储能建筑 材料。 利用相变储能建筑材料构筑建筑围护结构, 具 有如下作用:(1)可以降低室内温度波动,提高舒适度, 使建筑采暖或空调不用或者少用能量,提高能源利用 效率;(2)可以解决热能供给和需求失配的矛盾,使空 调或采暖系统利用夜间廉价电运行,降低空调或采暖 系统的运行费用。
3.2.系统相变材料
相变储能技术在供暖系统中的应用
(1)太阳房通常分为被动式和主动式。 ①被动式太阳房不用任何机械动力 , 将吸收的热量通过空气 自然循环向室内供暖。墙体采用相变材料 , 白天将吸收的热 量储存起来 , 晚上温度低时 , 相变材料由液态凝固成固态 , 放 出热量,可以有效地缓解室内昼夜温差大的现象。 ②主动式太阳房利用动力进行热循环供暖或供冷。包括集热 器、蓄热槽、换热器、循环泵、辅助锅炉、管道和自动控制 设备等。 (2) 对电热蓄热系统 , 电锅炉在低谷和非峰谷时段 ( 或部分非 峰谷时段 ) 制取的一次水先送到储热罐 (设有相变材料 ) 中储 存 , 待高峰时段和部分非峰谷时段来临时 , 停止电加热 , 使用 储存的一次水与二次水换热,将二次水送至负荷区供热。
1.相变储能材料及其分类
相变储能材料具有 在一定温度范围内改变其 物理状态的能力, 根据外界 环境温度升高或降低相应 地改变物理状态, 从而实现 能量的储存或释放。相变 材料根据材料组成不同可 以分为无机相变材料、有 机相变材料和高分子相变 材料。根据相变方式不同 , 可以分为固 - 固相变、固 液相变、固 - 气相变和液 气相变, 如右图所示。
相变材料( Phase Change Material,简称PCM ) 具有在相变过程中储能密度大、相变过程温度变化 小等特点, 既可以缓解能量供求双方在时间、强度和 地点上不匹配的矛盾, 起到“移峰填谷”的作用、降 低空调或供暖系统的运行维护费用, 又可以减小建筑 物内的温度波动, 提高室内舒适度。因此在建筑供暖、 空调领域具有广阔的应用前景。
3.相变材料在暖通空调领域的应用
相变材料在暖通空调领域的应用主要分为两大 类: 一类是将相变材料与建筑围护结构结合, 如墙 体、天花板、地板等, 以下简称相变墙体材料; 另一类是将相变材料应用在供暖、空调系统中, 以下简称为系统相变材料。
3.1相变墙体材料
墙体作为建筑的围护结构之一, 对室内的热环 境起着至关重要的作用, 通过墙壁的不稳定导热是增 强或削弱传热过程的主要环节。常用的建筑材料热 容比较小, 增加墙壁厚度固然可以使室内温度趋于平 稳, 但是会大大增加投资, 而相变材料在融化或凝固 过程中温度几乎不变, 同时可以吸收或释放大量的潜 热, 将相变材料与建筑材料结合形成复合相变储能建 筑材料, 这种材料兼具普通建筑材料与相变材料两者 的优点, 在一定范围内, 其热容是普通建筑材料所无 法比拟的。
相变储能技术在空调Biblioteka Baidu统中的应用
在空调系统中, 相变主要应用于蓄冷空调。蓄 冷空调的主要应用形式有冰蓄冷、水蓄冷和相变材 料蓄冷, 其中冰蓄冷和相变材料蓄冷就是利用相变 潜热进行能量的储存与释放。 2001年, 清华大学的康艳兵介绍了一个夜间通 风蓄冷的相变吊顶系统 , 将相变储能换热器安装在 房间吊顶与上层楼板之间的空间内 , 夜间通过风机 引进室外冷风 , 对相变材料蓄冷 , 同时对室内建筑 围护结构蓄冷 ; 白天空气从室内引进相变储能换热 器 , 经过相变材料冷却后送回室内 , 达到室内降温 效果。
应用于建筑供暖空调领域的相变材料应满足以 下条件: (1)相变温度接近人体的舒适温度,即20-26℃; (2) 具有足够大的相变潜热和热传导系数 , 相 变时膨胀或收缩性小 , 相变的可逆性好 , 过冷或过 热现象小。 由于在实际研制过程中, 要找到满足所有这些 条件的相变材料非常困难。因此, 往往先考虑是否 有合适的相变温度和较大的相变潜热 , 再考虑其他 因素。
陈其针和李国建通过相变储能电热地板采暖房间 的实对比分析 , 得出采用相变电热地板辐射采暖的房间 室内温度分布均匀、梯度小,热气流由下而上,人的脚部 暖和、头部温和,提高了热舒适性。系统在夜电模式下, 移峰填谷效率在53%～67%之间,通过地板送风,室内平均 温度可提高近 1 ℃ , 移峰填谷效率最高可提高到 88% 左右 （见图1）。
相变储能建筑材料的应用发展
相变储能建筑材料应用于建材的研究始于1982年, 由美国能源部太阳能公司发起。 20 世纪 90 年代以 PCM 处 理建筑材料(如石膏板、墙板与混凝土构件等)的技术发 展起来了。随后,PCM在混凝土试块、石膏墙板等建筑材 料中的研究和应用一直方兴未艾。 1999 年 , 国外又研制 成功一种新型建筑材料——固液共晶相变材料 , 在墙板 或轻型混凝土预制板中浇注这种相变材料 , 可以保持室 内温度适宜。另欧美有多家公司利用 PCM 生产销售室外 通讯接线设备和电力变压设备的专用小屋 , 可在冬夏天 均保持在适宜的工作温度。此外,含有PCM的沥青地面或 水泥路面 , 可以防止道路、桥梁、飞机跑道等在冬季深 夜结冰。
清华大学超低能耗示范楼
相变蓄热活动地板
示范楼的围护结构由玻璃幕墙、轻质保温外墙组成， 热容较小，低热惯性容易导致室内温度波动大，尤其是在冬 季，昼夜温差会超过 10℃ 。为增加建筑热惯性，以使室内 热环境更加稳定，示范楼采用了相变蓄热地板的设计方案。 如图所示，具体做法是将相变温度为 20 ～ 22℃ 的定形相 变材料放置于常规的活动地板内作为部分填充物，由此形成 的蓄热体在冬季的白天可蓄存由玻璃幕墙和窗户进入室内的 太阳辐射热，晚上材料相变向室内放出蓄存的热量，这样室 内温度波动将不超过6℃ 。 活动地板架空层高度 1.2 米，空调风道、各类水管、 电缆、综合布线等均隐藏在架空层内。保证室内干净整洁， 而且不需要吊顶，房间净空高度大，有效利用空间多。
2.相变储能技术在节能建筑中的应用
相变储能建筑材料的作用 通过向普通建筑材料中加入相变材料, 可以制 成具有较高热容的轻质建筑材料,称为相变储能建筑 材料。 利用相变储能建筑材料构筑建筑围护结构, 具 有如下作用:(1)可以降低室内温度波动,提高舒适度, 使建筑采暖或空调不用或者少用能量,提高能源利用 效率;(2)可以解决热能供给和需求失配的矛盾,使空 调或采暖系统利用夜间廉价电运行,降低空调或采暖 系统的运行费用。
3.2.系统相变材料
相变储能技术在供暖系统中的应用
(1)太阳房通常分为被动式和主动式。 ①被动式太阳房不用任何机械动力 , 将吸收的热量通过空气 自然循环向室内供暖。墙体采用相变材料 , 白天将吸收的热 量储存起来 , 晚上温度低时 , 相变材料由液态凝固成固态 , 放 出热量,可以有效地缓解室内昼夜温差大的现象。 ②主动式太阳房利用动力进行热循环供暖或供冷。包括集热 器、蓄热槽、换热器、循环泵、辅助锅炉、管道和自动控制 设备等。 (2) 对电热蓄热系统 , 电锅炉在低谷和非峰谷时段 ( 或部分非 峰谷时段 ) 制取的一次水先送到储热罐 (设有相变材料 ) 中储 存 , 待高峰时段和部分非峰谷时段来临时 , 停止电加热 , 使用 储存的一次水与二次水换热,将二次水送至负荷区供热。
1.相变储能材料及其分类
相变储能材料具有 在一定温度范围内改变其 物理状态的能力, 根据外界 环境温度升高或降低相应 地改变物理状态, 从而实现 能量的储存或释放。相变 材料根据材料组成不同可 以分为无机相变材料、有 机相变材料和高分子相变 材料。根据相变方式不同 , 可以分为固 - 固相变、固 液相变、固 - 气相变和液 气相变, 如右图所示。