基于相变蓄能原理的太阳能耦合相变蓄能墙板热性能研究

来源:用户上传      作者:杨华，龙浩，孔祥飞，李晗

　　摘要 提出了一种新的相变材料蓄热墙板（PCMSW）与太阳能加热耦合的方式。通过结合TRNSYS的瞬态传热模型，利用FORTRAN语言编译了新模块Type269以与TRNSYS耦合，并结合实验数据研究了PCMSW的热性能。以位于天津的典型办公楼为研究对象，以室内温度为评价指标，结合舒适度，讨论并分析热水流量、熔化温度、PCMSW厚度对室内温度的影响，结合不适度对建筑物热环境进行分析研究。结果表明，增加热水流量、降低PCMSW的熔化温度和厚度可以提高室内温度，随着相变厚度的增加，室内温度和太阳辐射之间的峰值滞后变大。PCMSW能够平衡太阳能供需不匹配，增加太阳能和清洁加热应用的能力。
　　关 键 词 太阳能;相变材料;储热系统;供暖;TRNSYS模拟;可再生能源利用
　　中图分类号 TU833 文献标志码 A
　　Research on thermal performance of solar coupling phase change energy storage wall panel based on phase change
　　energy storage principle
　　YANG Hua，LONG Hao，KONG Xiangfei，LI Han
　　（School of Energy and Environmental Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）
　　Abstract This study proposes a new way that phase change material thermal storage wallboard （PCMSW） coupled with solar heating. By combining the transient heat transfer model of TRNSYS， a new module Type269 was compiled with FORTRAN language to couple with TRNSYS， and the thermal performance of PCMSW was studied with experimental data. A typical office building in Tianjin was taken as a research object. The indoor temperature and comfort level were treated as the evaluation criterion to analyze the effects of hot water flow， melting temperature and PCMSW thickness on indoor temperature. It is analyzed in combination with discomfort. The results show that increasing the hot water flow rate and decreasing the melting temperature and thickness of the PCMSW can improve the indoor temperature. As the thickness of the phase change grows， the peak hysteresis between the indoor temperature and the solar radiation enlarges. PCMSW can balance the mismatch between the supply and demand of solar energy and increase the capacity of solar energy and clean heating applications.
　　Key words solar energy; phase change material; thermal energy storage; heating supply; TRNSYS simulation; renewable energy utilization
　　0 引言
　　化石燃料的燃以及二氧化碳大量排放导致的全球变暖问题促使科学家大力研究可再生能源技术，开发高效的能源储备方案。建筑行业是世界能源消耗的主要行业之一，占全球能源消费的40%左右，二氧化碳排放量占全球的30%以上[1]。建筑物能耗在我国社会总能耗所占的比例大约20%～25%[2]。为了缓解能源短缺的压力，在现有技术中，相变材料（PCM）作为一种用于热能储存的材料被广泛研究。
　　当环境温度高于或低于相变点时，PCM可以从室内环境吸收或释放热量，因此可以将PCM与建筑物结合。邢靖晨等[3]将电加热与脂肪酸相变蓄能地板采暖相结合建立数学模型，进行模拟分析，发现相变材料的热性能对于相变地板节能性和供热效果有着巨大的影响。Kong等[4]在天津夏季环境下将相变材料与建筑内外墙结合，表明相对于没有相变材料的房间具有更好的热性能参数，这是由于相变材料较低的热导率减少了传递到室内的热量，同时相变材料在发生相变的过程中存在着能量的储存和释放。赵康[5]在建筑围护结构和空调系统设备中的合理集成PCM，可以减少夏季和冬季环境条件下的额外能量消耗。
　　中国的供暖主要来自煤炭燃烧，占空气污染的40%[6]。太阳能作为主要的可再生能源拥有巨大的清洁供暖潜力。李亭等[7]在TRNSYS瞬态模拟软件中建立太阳能复合式供热系统。通过对太阳能集热器面积以及蓄热桶容积大小进行模拟分析，发现当蓄热桶体积与集热器面积之比为75 L/m2时能效比最佳。Lu等[8]在TRNSYS中建立新的相变蓄能地板与太阳能热水相结合，通过实验结果以及模拟分析证实了相变模块的准确性。相比于普通地板，相变地板能节约5.78%的热量，对室内温度影响半径在2～3 ℃之间。通过适当的设计和控制，有效利用太阳能热能储存已被证明有望降低与空间调节相关的峰值需求和能源成本。一些研究证明，当太阳能生产和建筑能源需求不同时，使用基于PCM的潜在能量存储系统是建筑物能量不匹配的解决方案之一[9-10]。

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