电加热相变材料蓄热地板采暖的热性能模拟

浅析新型相变储能地板采暖系统的设计一、前言目前，我国建筑能耗高达了总能耗的12%，其中建筑中的空调、电视等能耗高达40%，所以节能减排不管是从经济效益上还是环境保护上都有着重要的意义。

地板的相变储能系统的设计可以很好的将电能转换为热能，而且电耗的强度仅仅是之前的25%，因此这种采暖系统设计的意义对于环保节能来说是一个很大的突破。

二、相变储能材料的应用所谓相变储能材料（简称PCM）是一种特殊的功能性材料，其能在等温或近似等温的情况下发生相变（多数为固液相变或气液相变），同时伴随有较大能量（一般称为相变潜热）吸收或释放。

相变储能地板采暖系统主要是利用相变材料这一特性，在其本身发生相变的过程中，可以通过吸收环境的热量，并在需要的时间内向环境释放热量，来达到供暖房间的温度，把相变的材料跟地暖面层的结构相结合，制成相变储能的地板采暖，通过相变的原理来增加地板之间的热流波幅度，从而提高地板的温度，以达到节能和舒适的目的。

相变地板能转移和利用夜间电能蓄存热量，相变温度在30-40摄氏度变化时，相变材料地板的蓄能要比普通地板的蓄能比大19.6%-24.2%。

三、相变储能地板采暖地面结构及工作原理1.相变储能采暖地板结构目前市面上所应用的地板辐射供暖系统主要是低温热水和电热电缆的低温地板辐射供暖。

而相变储能地板采暖是通过相变储能的材料，这种材料采用的是一种相变温度為30℃的水合盐的储热装模块材料，这个材料是通过固态和液态相变变化进行能量的储存和释放，当需要储存能量的时候材料是为液态的，为了防止PCM融化的时候泄漏会对下面的楼板进行腐蚀，因此要对其进行密封。

敷设时，加热盘管直接放在保温层上面，封装好的PCM在填充的时候放在加热盘管的周围，盘管上面则是地面的保护层，加热的时候，热量输送到地板内的相变材料进行储能，在需要的时候再释放热量，为室内供暖。

2. 地源热泵低温热水蓄能地板辐射采暖工作原理：利用夜间廉价电由地源热泵系统从地下土壤取热，经电力压缩机对循环工质做功，从而对辐射地板系统提供40～50℃的低温热水，进入地面盘管加热相变材料，使其产生相变，以潜热形式储存热量，白天释放给供暖房间。

第34卷第10期2013年10月太阳能学报ACTA ENEＲGIAE SOLAＲIS SINICAVol.34，No．10Oct．，2013收稿日期：2011-09-23基金项目：建筑安全与环境国家重点实验室开放课题基金（BSBE2010-01）；河北省自然科学基金（E2008001231）通讯作者：周国兵（1970—），男，博士、副教授，主要从事太阳能热储存与建筑节能方面的研究。

zhougb@ncepu．edu．cn文章编号：0254-0096（2013）10-1802-08相变材料蓄能式毛细管网地板辐射采暖实验研究何静，周国兵，冯知正，杨来顺（华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206）摘要：将毛细管网、PE 地暖管分别与沙子及相变材料结合应用于低温地板辐射采暖系统，通过实验研究4种不同组合形式下的供暖效果和蓄放热特性。

结果表明：白天达到相同实验房间温度所需的充热时间，沙子-毛细管网组合是沙子-PE 管的40%，相变材料-毛细管网组合则是相变材料-PE 管的44%。

进一步考察夜间停止热水循环后，利用4种组合形式的蓄热对房间的供暖效果，发现相变材料作为填充层的持续放热时间是沙子时的2倍。

对于相变材料-毛细管网组合，较大热水流量（1．40m 3/h ）时地板蓄热量是小流量（0．81m 3/h ）时的1．4倍，且大流量情形在放热过程维持舒适房间温度的时间是小流量时的1．14倍。

实验结果为相变材料蓄能与毛细管网结合用于太阳能低温热水采暖，降低常规地板采暖能耗提供了依据。

关键词：相变材料；毛细管网；辐射采暖；蓄热地板；实验研究中图分类号：TU111．4+5文献标识码：A0引言近年来，由于可充分利用太阳能等自然能源，相变材料潜热蓄能与地板辐射采暖结合受到广泛重视。

Zhang Yinping 等［1，2］分析了相变材料布置在建筑不同部位对房间温度的影响，考察了相变材料应用在节能建筑和地板辐射采暖上的可行性。

地采暖地板蓄热性能模型构建与验证刘存根;周世玉;葛浙东;杜光月;周玉成【摘要】[目的]提出一种基于密闭绝热检测室的地采暖地板蓄热性能检测方法,以实现地采暖地板蓄热性能的检测.[方法]首先,介绍密闭绝热检测室的结构以及地采暖地板蓄热性能检测方法.然后,构建检测室物理模型,根据流体力学定律建立三维非稳态传热的质量守恒方程、动量方程和能量守恒方程,并给出模型的边界条件和计算初值,将材种为白桦、水曲柳、西南桦和柞木的地采暖地板样本分别放置在检测室底部中心托举网上,作为内部热源,根据设定的数值模拟参数,通过流体力学计算软件FLUENT对所建立的地采暖地板蓄热规律方程进行迭代求解,对检测室内温度分布随时间变化的过程进行分析.最后,以第1 000步(步长为10s)采样时刻为例,以平均相对误差和相关系数为评价依据,将检测室温度分布计算结果与地采暖地板蓄热性能分析仪的实测数据进行对比,从而评判所构架模型与检测仪器的一致性.[结果]相对误差均小于1.5％,相关系数均大于0.98.不同样本所对应的温度平衡时间计算值均小于实测值,不同样本所对应的平衡温度计算值也均小于实测值.[结论]所构建的模型和检测仪器能够准确反映不同材种地采暖地板样本对检测室内温度场变化规律的影响,并可实现不同材种地采暖地板蓄热性能的检测.【期刊名称】《林业科学》【年(卷),期】2018(054)010【总页数】7页(P125-131)【关键词】地采暖地板;蓄热;FVM;FLUENT;温度分布【作者】刘存根;周世玉;葛浙东;杜光月;周玉成【作者单位】山东建筑大学信息与电气工程学院济南250101;山东建筑大学热能工程学院济南250101;山东建筑大学信息与电气工程学院济南250101;山东建筑大学信息与电气工程学院济南250101;山东建筑大学信息与电气工程学院济南250101【正文语种】中文【中图分类】S784我国是世界上人造板及其制品的生产大国和消费大国，其中地采暖地板是我国出口创汇的重要组成部分之一。

第 1 页筑龙网w w w. s i n o a e c. c o m 《相变蓄能系统热性能分析模型和方法》资料编号：W Z T U 8 3 1 -3 1 3 4 -2 0 0 0 1 0相变蓄能系统热性能分析模型和方法张寅平 康艳兵 江亿 朱颖心 粟燕[摘要]：针对不同类型的相变储能系统和不同特性的相变材料，建立了相应的热性能分析模型，它们对相变储能系统的设计和性能优化具有指导意义[中图分类号]：WZTU8311．引言近年来，相变贮能在太阳能利用、区域供热和供冷、建筑节能系统、空调蓄冷和一些余热回收系统中的应用日趋广泛[1-4]。

相变贮能系统应用中，系统性能设计和结构优化是关键的问题，它的解决一方面依赖于实验，一方面（也许是更大程度上）依赖于模拟分析。

而模拟分析的基础是建立考虑蓄能系统特点第 2 页筑龙网 w w w.s i n o a e c.c o m 《相变蓄能系统热性能分析模型和方法》 资料编号：W Z T U 831-3134-200010的理论模型。

相变蓄热系统形式虽很多，但一般说来，有一共同特征，即它由相变单元体重复构筑而成，这些单元体有球体、圆管、矩形体甚至无规则体。

图1为一些常见结构蓄能系统的示意图。

就相变材料而言，在相变过程中其性能有所不同：相变材料融化过程中固液态密度差可忽略或不能忽略，相变温度为一点或一区间。

我们的研究表明：对由相变单元体重复构筑而成的相变蓄热系统存在通用的热性能分析模型，对不同性能的相变材料，可以藉通用模型方便地分析系统的凝固和融化过程，实现系统的性能仿真。

下面对此作一简单介绍。

2．通用理论模型由任意形状的相变单元体重复构筑而成的相变蓄热系统如图2所示。

充冷时，温度低于相变凝固点的冷流体流过相变单元体，使单元体内相变材料不断凝固，将冷量以潜热的形式储存于其中；放冷时，堆积床内通过温度高于相变材料融点的热流体，使单元体内相变材料不断融化，将所蓄冷量放出。

迄今为止，我国黄河以北集中供暖区供暖仍为燃煤为主。

由于燃煤采暖使城市污染严重，一些城市倾向于石油、天然气等低污染能源。

2001年实施的《北京市能源调整规划》要" ...*相变蓄热电加热地板的优点与应用可行性分析文摘：介绍了相变蓄热电加热地板供暖的优点，模拟计算了它在一些地区的应用效果，分析了该技术的应用可知地性，并与其他供暖方式进行了经济性比较。

关键词：相变蓄热；电采暖系统；可行性；经济性分析；地板城市环保和峰谷电价分计政策的实行促进了相变蓄热电加热地板供暖的发展本文分析了其独特的优点、技术可行性与经济性。

分析表明：在黄河以北地区，它可作为一种采暖新形式，在黄河以南无集中的供暖地区，也是冬季采暖的一种新方式。

1相变蓄热地板简介迄今为止，我国黄河以北集中供暖区供暖仍为燃煤为主。

由于燃煤采暖使城市污染严重，一些城市倾向于石油、天然气等低污染能源。

2001 年实施的《北京市能源调整规划》要" 减少并严格控制燃煤总量，将目前以原煤为主的污染型能源结构逐步转变为以天然气、电力等优质能源为主的清洁型能源结构" 。

我国油气储量低，存在油气短缺、价格上涨的隐患[1] 。

因此，电采暖受到人们重视。

黄河以南一般不采用集中供暖，但随着人们生活水平的提高，分户采暖的比例日益增高，其中很大部分为电采暖。

电采暖的使用形式一般可分为：对流式电暖气，如各类暖风机；辐射式电暖气，如石英管电暖气；对流辐射式电暖气，如电热油汀；电锅炉和小型集中供暖系统结合。

虽然电采暖有采暖区污染小、使用方便、美观灵活等优点，也有一些缺点：其一是运行费用较高。

电采暖结合蓄热者是正确的应用途径，且蓄热宜采用分布式，这样，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。

其二是加大了电网峰谷差。

在空调系统中，这点已受到国家有关部门的高度重视，1998 年底国务院发文"要加大推行峰谷、丰枯电介的力度，鼓励用户采用节电技术措施，鼓励用户多用低谷电，加快推广蓄蓄冷空调等消峰填谷的技术措施"[2] 。

矩形腔相变蓄热装置蓄热性能的数值模拟及优化矩形腔相变蓄热装置是一种重要的蓄热技术，能够有效地提高太阳能热利用的效率。

本文以该装置为对象，通过数值模拟分析其蓄热性能，并进行优化设计。

一、装置原理矩形腔相变蓄热装置是一种利用相变材料（例如蜡）储存和释放热能的技术。

该装置由一个矩形腔体、放置在腔体内的相变材料和三组加热管组成。

当太阳能辐射照射到该装置的表面时，加热管对相变材料进行加热，使其从固态转变为液态，并吸收大量热能。

当外界温度下降时，相变材料从液态转变为固态，释放储存的热能，用于供暖或其他用途。

二、数值模拟本文采用太阳能热利用软件TRNSYS对该装置进行数值模拟，进行蓄热性能分析，并对装置进行优化设计。

1. 模拟参数本文设定了以下模拟参数：装置高度（H）：2.5m；装置宽度（L）：1.5m；装置厚度（d）：0.02m；相变材料：蜡（熔点58℃，凝固点55℃）；相变材料体积：0.01m^3；加热管功率：1000W；太阳辐射强度：800W/m^2；环境温度：20℃。

2. 模拟结果模拟结果表明，在装置初期，相变材料经过短暂的加热就开始融化，并迅速吸收大量的热能。

随着加热时间的延长，相变材料融化程度逐渐增加，并在达到熔点时发生相变。

相变材料的温度随时间的增加而增加，当相变完成后，温度基本保持不变。

当外界温度下降时，相变材料开始凝固，并释放储存的热能，使温度保持在一个较高的水平。

通过对模拟结果的分析表明，该装置的蓄热性能较为优秀，可以高效地收集和储存太阳能热能，同时可以将蓄热效率最大化。

三、优化设计根据数值模拟结果，可以对矩形腔相变蓄热装置进行优化设计，以进一步提高装置的性能。

1. 优化相变材料相变材料的性质和性能是决定矩形腔相变蓄热装置效率的关键因素之一。

本文通过对比试验不同相变材料的性能，发现蜡是一种较为适合该装置的相变材料。

但是，蜡的熔点较低，难以应对极端气候带来的挑战。

因此，对相变材料进行优化，寻求更适合不同气候条件的相变材料，是进一步提高装置效率的关键。