工業(yè)設(shè)計論文輻射電加熱相變蓄熱地板采暖模型及其熱性能模擬

1、輻射電加熱相變蓄熱地板采暖模型及其熱性能模擬 文摘為了清除電采暖引起的電網(wǎng)峰谷差井降低采暖運(yùn)行費(fèi)用，本文提出了1種帶有相變材料潛熱貯能板的地板電采暖系統(tǒng)，并建立了此系統(tǒng)熱性能的地板和房間模型，對給定的電加熱相變蓄熱地板采暖房間，用數(shù)值模擬了室內(nèi)空氣溫度和地面溫度的變化，藉此分析了我國4個不同氣候地區(qū)（北京、上海、大連、哈爾濱）冬季該系統(tǒng)的效果，結(jié)果證明此采暖方式在使房間熱負(fù)荷較小的建筑和氣候條件下，基本能滿足人的熱舒適性有較好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞相變材料 蓄熱 電采暖 地板采暖長期以來，我國北方城市冬季采暖以燃煤為主，造成了市區(qū)嚴(yán)重污染。1些城市開始實(shí)行以天然氣、電力等清潔能源代替燃煤礦的環(huán)保政

2、策，促進(jìn)了電采暖的。但電采暖加大了電網(wǎng)的峰負(fù)荷，結(jié)合蓄熱才是其正確的應(yīng)用途徑。北京市2002年能源和環(huán)境國際座談會上，北京市長致辭：”為了改善大氣環(huán)境質(zhì)量，體現(xiàn)城市文明，提高城市效力，承辦好2008年奧運(yùn)會，市政府已下決心改變北京以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，建立市場化的優(yōu)質(zhì)能源供應(yīng)體系，從而實(shí)現(xiàn)和的可持續(xù)發(fā)展。電力在能源結(jié)構(gòu)中的比例將由現(xiàn)在的29%增長到42%”。北京市能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整目標(biāo)是：”2008年優(yōu)質(zhì)能源在終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比重達(dá)到80%以上”，計劃40億千瓦時用于電采暖替代煤，合理確定峰谷電價，鼓勵蓄能式電暖氣采暖。表1為2001年北京市電采暖試點(diǎn)用戶的電價。北京市電采暖試點(diǎn)用戶電價 表1

3、 用電時間7：0023：0023：007：00電價（元/kwh）0.3930.2電加熱相變蓄熱地板采暖即可充分利用電輸送方便的優(yōu)點(diǎn)，又避開了集中供暖系統(tǒng)的建造和管道維護(hù)等麻煩。地板采暖是1種很舒適的采暖方式，不僅滿足人體”足暖頭寒”的需要，而且人體以上區(qū)域溫度較低，使采暖能耗較小，接近理想的采暖方式，見圖1。 （a）對流散熱采暖（b）理想采暖方式（c）地板輻射采暖圖1 不同采暖方式溫度分布示意圖國外對蓄熱式地板采暖有了1些和應(yīng)用。西班牙的mbarrio對放在恒溫環(huán)境中的小室做了蓄熱地板電采暖的實(shí)驗(yàn)，用以比較npg相變材料和混凝土的蓄熱性能3。加拿大的a.k.athienitis研究了用混凝土蓄

4、熱的地板采暖系統(tǒng)在不同室外溫度下的使用效果4。g.bakos在被動式太陽房中應(yīng)用了蓄熱電采暖地板5。迄今為止，還沒有對相變蓄地板電采暖在不同氣候下使用效果的研究。本文描述了1種帶有相變材料潛熱同能板的地板電采暖系統(tǒng)，建立了分析此系統(tǒng)熱性能的理論模型，通過數(shù)值模擬，分析了我國不同氣候地區(qū)冬季該系統(tǒng)的應(yīng)用效果，藉此評價了此采暖方式在我國不同氣候地區(qū)應(yīng)用的可行性。1 描述圖2為應(yīng)用電加熱相變蓄熱地板采暖的房間示意圖，房間面積為4m(w) 6m(l)，高3m，墻壁為粘土磚，外墻厚370mm，內(nèi)墻厚240mm，雙層玻璃鋼窗2m2m，傳熱系數(shù)3.01w/(km2)，換氣次數(shù)1h-1，室內(nèi)設(shè)備、人員、燈光負(fù)

5、荷為15w/m2，內(nèi)墻與上下樓板按絕熱處理。 圖2 電加熱相變蓄熱地板采暖房間示意圖地板采暖系統(tǒng)自下而上由保溫材料層、電加熱層、相變材料層和覆蓋層組成，圖3為基橫截面示意圖。假設(shè)所用相變材料的相變溫度為30，在晚上23：00至7：00蓄存電熱，地板覆蓋層厚2.5cm，地板和墻體材料的熱物性參數(shù)見表2。地板和墻體材料物性參數(shù) 表2 名稱（kg/m3）cp(kj/(kg)hm(kj/kg)k(w/m)pcm層12501.02000.500粘土磚18000.88-0.810地板覆蓋層9601.0-0.152 數(shù)學(xué)模型（1）地板傳熱模型為突出物理本質(zhì)，合理簡化總是以便于，假設(shè)：傳熱只沿地板厚度方向；除

6、相變區(qū)等效比熱外，物性均為常數(shù)；忽略相變材料融化時的對流和凝固時的過冷效應(yīng)及相變過程中顯熱；保溫層沒有漏熱損失；不考慮電加熱層的熱容和熱阻。此問題為雙層板壁（覆蓋層和相變層）的1維相變傳熱，用焓法求解，整個區(qū)域可用統(tǒng)1形式的控制方程來表示： （1）其中，焓h=cpt, 、cp和k對不同材料取相應(yīng)的物理特性參數(shù)。邊界條件為： （2） （3）初始條件為： （4）其中，qr為覆蓋層上表面受到的輻射能量，w/m2；qpower為相變層下表面電加熱功率，w/m2，停止加熱時，qpower為0；h為上表面與室內(nèi)空氣自然對流換熱系數(shù)，w/（m2），令tfloor為室內(nèi)地面溫度，tin為室內(nèi)空氣溫度，則h按下

7、式計算6。 圖3 相變蓄熱電加熱地板橫截面示意圖（2）房間傳熱模型假設(shè)墻內(nèi)部導(dǎo)熱只沿墻的厚度方向，表面?zhèn)鳠釥顩r見圖4，同樣墻按1維導(dǎo)熱方程計算，表面為對流邊界條件。根據(jù)實(shí)際情況，hin按自然對流、hout按風(fēng)速5m/s受迫于對流由下式計算6。 房間內(nèi)空氣的熱平衡方程為： （5）其中，cp,a為空氣的比熱容，j/（kg）；v為空氣的密度，kg/m3；vg為房間容積，m3；qw,k為房間維護(hù)結(jié)構(gòu)各內(nèi)表面和室內(nèi)空氣的對流換熱熱流，w；qs，c為房間內(nèi)人員和設(shè)備的對流散熱速率，w；ql 空氣滲透或通風(fēng)造成的熱量傳遞，w。方程（1）（5）離散后用gauss-seidel超松弛迭代法求解，并對地板和墻的網(wǎng)

8、格劃分進(jìn)行了校驗(yàn)，保證得到收斂解。計算過程中注意了消除初始誤差的影響。 圖4 墻表面?zhèn)鳠釥顩r示意圖3 模型計算與使用效果分析分別在北京、上海、大連和哈爾濱氣候條件下計算上述房間模型的室內(nèi)氣溫和室內(nèi)地面溫度，分析評價其在不同地區(qū)的使用效果。各地室外氣象數(shù)據(jù)由軟件medpha v1.0生成，按不同的外墻厚度根據(jù)7估算上述房間冬季供暖設(shè)計熱負(fù)荷，以確定相變材料的用量和厚度。室內(nèi)氣溫和室內(nèi)地面溫度的計算結(jié)果見圖5所示?？梢?，北京、上海、大連的冬季室內(nèi)溫度保持在1625之間，基本滿足人的舒適性要求；地面溫度不超過29，根據(jù)1些國家對地板采暖地面最高溫度的限制（美國29，法國21，英國24，德國298），

9、是可以接受的。哈爾濱冬季室外溫度很低，房間的熱負(fù)荷大，因此室內(nèi)溫度偏低。 圖5 不同氣候條件下電加熱相變蓄熱地板采暖系統(tǒng)的使用效果室內(nèi)地面溫度；室內(nèi)氣溫；室外氣溫4 結(jié)論本文模擬計算了1個電加熱相變蓄熱地板采暖房間在4個不同氣候地區(qū)的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，在使得房間熱負(fù)荷較小的建筑和氣候條件下，使用相變材料蓄熱的地板電采暖方式基本能夠滿足人的熱舒適要求，有較好的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)1 鄭淑會，本市部分地區(qū)將試行電采暖，電價實(shí)行優(yōu)惠n，北京青年報，2001.11.4（第3版）2 鄧有源，趙繼豪，低溫?zé)崴匕遢椛洳膳c節(jié)能技術(shù)j，新型建筑材料，1997：37383 barrio m, font j. lo

10、pez k o, et al. floor radiant system with heat storage by a solid-solid phase transition material j. solar energy materials and solar cells, 1992,27:127-133.4 athienitis a k, chen t y. experimental and theoretical investigation of floor heating with thermal storage j. ashrae trans, 1993,99(1):1049-1057.5 bakos g. nergy management method for auxiliary energy saving in a passive-solar-heated residence using low-cost off-peak electr