相变蓄能式地板辐射系统设计及蓄能房间的热性能研究

摘要

如何降低逐年增大的建筑能耗是我国乃至世界近年来共同关注的热点问题之一。末端设备作为空调系统的重要组成部分，其形式直接影响空调系统的舒适性和节能性，目前辐射地板作为新型末端设备，以其舒适性和节能性等方面的优异表现得到了广泛使用。相变材料具有高蓄能性，将相变材料应用到空调系统中，是一种有效的建筑节能和负荷调节手段。基于以上背景，本文在地板辐射供冷暖的研究基础上提出了相变蓄能式地板辐射系统，并设计了双层毛细管相变蓄能地板末端，采用数值模拟与实验测试相结合的方法着重研究相变地板辐射的热性能及应用效果，具体研究内容及结论如下:
　　(1)本文首先通过对无相变材料的混凝土地板毛细管辐射供冷暖进行理论研究，并运用CFD模拟软件Fluent分别对冬夏不同工况进行模拟。冬季工况下，当毛细管供水温度分别为34℃时，地板表面温度可达27.3℃，稳定后地板表面的热流密度约为80W/m2;夏季工况下，当供水温度为18℃时，地板表面达到稳定时的温度为21℃，稳定后地板表面的热流密度约为34W/m2。停止供水后，由于混凝土的蓄热能力有限，利用混凝土的蓄冷供给室内冷量，大约只能满足约2个小时，供热时大约能维持4个小时左右的舒适度。地表热流和温度均受供水与否影响较大。
　　(2)在地板辐射供冷暖的研究基础上，针对目前电力负荷峰谷差较大的现状，通过合理的设计与研究，提出双层毛细管相变蓄能地板冷热一体化末端和应用系统。对该末端的设计进行了介绍，阐述了其特点和优势，并对该结构进行了理论分析，建立了双层相变地板传热数学模型，为后续的模拟研究提供理论基础。该设计一方面利用夜间低谷价电，通过相变材料蓄能，使得冷热负荷从白天波峰转移到夜间;另一方面利用相变材料的高蓄能性来降低地板表面温度的波动，提高室内热舒适性。
　　(3)对提出的新型双层毛细管相变蓄能地板末端的蓄放热过程进行模拟研究。系统存在最优的供暖相变温度和供冷相变温度。该最优温度可满足恰好8小时蓄能结束，且在放能的10小时内地表温度满足要求。针对本文的末端结构，最优的供暖相变温度和供冷相变温度分别为34℃和17℃，相应的供水温度可取41℃和15℃;且和无相变材料的地板辐射供冷暖相比，该双层相变地板末端蓄放能过程中地表温度和热流密度波动都很小，充分体现了其蓄能性和调温能力。
　　(4)搭建相变蓄能地板对比实验台。对充入有机相变材料的双层相变地板与混凝土地板进行冬季工况下的蓄放热测试，获得蓄能房间温度、地表热流密度以及在蓄放热过程中地板各层的温度变化情况。通过三组对比性实验可以得出，在放热的前5个小时，相变蓄能房间的温度依然能保持缓慢上升的趋势，5小时后温度下降的也很缓慢，室内温度保持在16℃左右;而无相变材料的房间，室温在停止供水后迅速下降，最低温度达到11.8℃。且在整个放热过程的10h内，双层相变地板表面平均热流密度约为58W/m2，混凝土地板约为33.5W/m2，而蓄热过程中，双层相变地板放热量小于混凝土地板，可见双层相变地板具有更好的蓄能和调温能力，在蓄热过程中，能量尽量蓄存在地板层中，而在放热过程中热量再缓慢的释放。并且通过对前阶段理论模拟结果的分析以及对第Ⅲ组实验值的抽取校核，得出Fluent模拟值与实验值有很好的吻合。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．1．1 能耗现状与建筑耗能

1．1．2 我国电网负荷峰谷差与蓄能技术

1．1．3 建筑节能与采暖／制冷方式优化

1．2 相变地板蓄能技术国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 本课题研究内容

第二章 毛细管地板辐射系统传热规律的研究

2．1 引言

2．2 毛细管地板辐射系统传热过程及其系统组成

2．2．1 毛细管地板辐射的传热过程

2．2．2 毛细管地板辐射系统的组成

2．3 毛细管地板辐射系统的特点

2．3．1 优点

2．3．2 缺点

2．4 毛细管地板辐射系统地板层传热规律模拟研究

2．4．1 毛细管地板传热的末端结构

2．4．2 毛细管地板传热数学模型的建立及假设

2．4．3 边界条件

2．4．4 模型求解

2．5 CFD模拟软件Fluent的介绍

2．5．1 Fluent软件概述

2．5．2 Fluent软件模拟计算的步骤

2．5．3 模拟对象前处理及模拟条件

2．6 冬季工况数值模拟结果

2．6．1 供热过程，地板表面温度上升情况

2．6．2 供热过程，地板各层温度分布

2．6．3 停止供热，地板表面温度衰减情况

2．6．4 蓄放热过程，地板表面热流密度分析

2．7 夏季工况数值模拟结果

2．7．1 供冷过程，地板表面温度降低情况

2．7．2 供冷过程，地板各层温度分布

2．7．3 停止供冷，地板表面温度回升情况

2．7．4 蓄放冷过程，地板表面热流密度分析

2．8 本章小结

第三章 双层毛细管相变蓄能地板辐射系统的设计及理论研究

3．1 引言

3．2 双层毛细管相变地板蓄能系统的提出

3．2．1 本领域目前存在的问题

3．2．2 双层相变蓄能地板末端结构的组成

3．2．3 本设计的工作原理和工作流程

3．2．4 本设计的关键技术及创新点

3．2．5 本设计的优势所在

3．3 双层相变蓄能地板传热的理论研究

3．3．1 数学模型的建立及假设

3．3．2 控制方程

3．3．3 定解条件

3．4 相变问题的求解方法

3．5 Fluent中Solidification／Melting模型介绍

3．6 本章小结

第四章 双层毛细管相变蓄能地板蓄放热规律模拟研究

4．1 引言

4．2 几何模型的建立

4．3 计算条件

4．4 冬季工况数值模拟结果

4．4．1 双层相变地板蓄热过程模拟

4．4．2 双层相变地板放热过程模拟

4．4．3 有(无)相变材料，一个蓄放热周期内对比分析

4．5 夏季工况数值模拟结果

4．5．1 双层相变地板蓄冷过程模拟

4．5．2 双层相变地板释冷过程模拟

4．5．3 有(无)相变材料，一个蓄放冷周期内对比分析

4．6 本章小结

第五章 相变蓄能地板实验系统设计及房间热性能的实验研究

5．1 引言

5．2 实验用相变材料的选取

5．2．1．相变材料的分类简介

5．2．2 相变材料在建筑节能中的应用

5．2．3 相变材料选取

5．3 相变蓄能房间热性能实验研究的基本思想

5．4 实验系统的设计与构建

5．4．1 实验地点

5．4．2 实验箱体的设计

5．4．3 地板层的构建与铺设过程

5．4．4 热水循环系统的设计

5．4．5 测量系统的设计

5．4．6 测点的具体布置

5．5 误差分析

5．5．1 实验箱体误差分析

5．5．2 实验仪表标定和校准

5．6 冬季工况实验方案和实验结果分析

5．6．1 第Ⅰ组实验——蓄能房间热性能实验

5．6．2 第Ⅱ组实验——A、B实验箱内空间及地板层热性能对比实验

5．6．3 第Ⅲ组实验——模拟值与实验值对比实验

5．7 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 研究总结

6．2 后续研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研与奖励