建筑供暖空調研究論文

導語：建筑供暖空調研究論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

提要

以1997年召開的第7屆國際儲能會議文獻為基礎，綜述了近年來國際上有關應用研究成果和動態，指出了近期該領域中一些值得研究的問題。

關鍵詞：蓄熱相變化學反應應用研究

Abstract

Basedontheliteratureofthe7thInternationalConferenceonThermalEnergyStorage,Reviewstheresearchprogressandtrendsoflatentheatstorageandchemicalreactioninheating,ventilationandairconditioning,andputsforwardsomeproblemsneededtobesolvedinthenearfuture.

Keywords：thermalstorage，phasechange，chemicalreaction，appliedresearch

1引言

近年來相變及化學反應儲能研究的一個熱點是其在建筑領域（包括建筑空調和供暖）的應用。這一方面是由于建筑行業在世界各國都是舉足輕重的行業，其技術進步將產生明顯的經濟效益和社會效益，另一方面是由于人們對環保和節能的日益重視以及晝夜電價分計制產生的經濟驅動。1997年日本召開的第7屆國際儲能會議論文集中的很大一部分文章集中在此領域，國際能源機構即InternationalEnergyAgency(IEA)下屬項目組ECES(Energyconservationthroughenergystorage)討論確定的1998年啟動歷時3年的Annex10（主題是"相變和化學反應儲熱"）也將相變和化學反應儲熱在建筑中的應用列為最主要的研究方向，其參加國家為加拿大、芬蘭、德國、日本、波蘭、瑞典、瑞士、英國和土耳其[2]。

相變和化學反應儲熱在建筑空調和供暖領域的應用研究主要分為3個方面：相變建筑圍護結構、供暖儲熱系統和空調蓄冷系統，由于空調蓄冷系統方面的研究內容很多且自成體系，其研究情況已屢見報道，故在此只介紹相變和化學反應儲熱在前兩方面的應用研究情況。就筆者所知，我國在此領域內的研究剛剛走步，且離實際應用還有相當距離。考慮到該領域的研究面較廣，涉及建筑、暖通空調、材料和工程熱物理等學科，需要引起我國上述領域研究者的足夠關注，才能取得一些實質性成果，并使之真正具有工程應用價值。因此，本文將近年來發達國家在該領域的部分研究工作和研究動態作一簡介，以期對我國該領域的研究有所幫助。

2研究綜述

2．1化學反應儲熱在供暖和空調領域中的應用[3]

德國Fisher博士研究了利用沸石儲熱系統調節熱網峰谷負荷的供暖系統。其原理見圖1。該系統運行模式及其與建筑及供暖系統的連接方式見圖2。

圖1沸石儲熱系統工作原理圖

圖2沸石儲能系統運行模式及其與建筑及供暖系統的連接

這一系統已在實際建筑中應用，建筑供暖面積為1625m2，熱負荷（環境溫度-16℃時）為96kW，熱源為熱網供熱系統，采用7000kg沸石，加熱功率為130kW，充熱溫度為130～180℃，儲熱密度為180kWh/m3，系統COP約為1。

2．2相變建筑圍護結構對微生物熱性能的影響

2．2．1蓄熱建筑結構對熱舒適和空調能耗的影響[4]

以往在濕熱的環境中人們往往只重視強化通風而忽略圍護結構貯能對室內環境的改善作用，所以在建筑物中較多使用輕質結構（lightweightstructure）。H·Hirayama等人利用模擬方法研究了建筑物圍護結構熱容對房間熱性能的影響。

他們以木結構和混凝土結構分別作為輕質結構和重質結構的代表，模擬分析了空調和供暖系統不同運行模式下采用兩種結構的建筑的熱特性。空調和供暖系統的運行模式為：①空調或供暖系統江作，滲新風；②空調或供暖系統每天6：00～24：00間歇運行；③空調或供暖系統每天24h連續運行，以保證室內恒定的舒適溫度。圖3給出了能上能下3種情況下室溫曲線。

圖33種情況下重質圍護結構和輕質圍護結構建筑內的室溫曲線

注：室溫為合成溫度（resultanttemperature)或運行溫度(operativetemperature)

研究結果表明，重質圍護結構有以下優點：可降低室內溫度波動，提高舒適度，使建筑供暖或空調不用或少用能；可以減小所需空氣處理設備（加熱及制冷）的容量，同時可使空調或系統利用夜間廉價電運行，降低空調或供暖系統的運行費用。空調供暖系統的運行策略對重質結構的使用效果有較大影響，此外房間的體積與表面積比、濕度控制及通風情況對使用效果也有一定的影響。

重質建筑構件的使用效果受以下因素影響：建筑構件的熱容及其放置位置，建筑朝向，建筑保溫材料的性能和放置位置，通風情況，氣象條件，空調或供暖系統的使用。

2．2．2吸收太陽輻射熱的相變蓄熱地板[5]

為降低冬季室溫的變化幅度，減小供暖能耗，提高建筑物的舒適度，S.Hokoi等人討論了在地板內安裝吸收太陽輻高壓的相變蓄熱板的使用效果。該工作建立了分析采用相變地板的房間熱性能的物理模型，研究了影響房間溫度、房間平均溫度的因素，分析了墻體和相變材料的儲、傳熱過程，同時提出了確定所用相變材料最佳相變溫度的準則。

圖4為模擬研究考慮的房間情況，圖5為日射和外溫條件，圖6為采用相變地板和普通地板的房間地板和室內溫度示意圖。

模擬研究分析了無蓄熱系統和相變材料熔點分別為11℃，13℃，15℃時房間溫度和地板溫度的逐時變化規律，并分析了通過墻、窗和地板等建筑構件以及通風和輻射等不同傳熱方式的逐時熱流量。分析結果表明：①選擇具有合適相變溫度的相變材料很重要：相變溫度太高，蓄熱效果不明顯，即白天地板和室溫太高，夜間則太低；相變溫度太低則相反；②房間的平均溫度與地板中是否有相變材料無關，與相變材料的相變溫度也無關。模擬分析中，將地板溫度視為常數（等于最佳相變溫度），則可由定地板溫度求得房間溫度，這樣做大大簡化了分析，造成的誤差卻很小（±0.1℃）。

圖4房間示意圖圖5日射和外溫條件

圖6地板和室內溫度示意圖

1室溫(含相變材料，熔點13℃)2地板溫度(含相變材料熔點13℃)

3室溫(不含相變材料)4地板溫度(不含相變材料)

2．2．3特朗勃墻（TrombeWall）結合夜間電加熱的蓄熱系統[6]

J·Onishi等人研究了被動式太陽房特朗勃墻（TrombeWall）結合夜間電加熱的蓄熱系統的熱性能，用CFD模擬了以下4種工況的效果：①電加熱器置于特朗勃墻內；②電加熱器置于特朗勃墻室內側；③電加熱器置于地板表面；④與工況①相同，但加熱溫度為40℃。工況①～③的電加熱功率為1kW。模擬分析表明，相變蓄能墻不僅能夠有效利用太陽能，而且能貯存夜間電加熱器加入的熱量供次日白天使用；加熱器置于墻內比放在墻表面效果要好；工況④效果比工況①略差。

2．3相變儲熱與供暖空調相結合的系統

2．3．1工程相變儲能系統與吊頂送風結合[7]

利用吊頂送風，無需安裝送風管道，省時省力。若不采用保溫吊頂，還可節省建材。結合相變儲能，吊頂送風的使用效果會更佳。T.Miura等人利用吊頂送風進行了研究，送風方式有以下4種：①吊頂送風；②準備間用吊頂送風，白天則通過管道向室內送風；③管道送風，吊頂回風；④管道送風，門或墻上百葉回風。空調系統及運行設定溫度有3種：①不用相變儲能系統，8：00～18：00開空調，空調運行溫度設定值為26℃；②用相變儲能系統，白天（8：00～18：00）降溫，夜間（18：00～0：00）蓄冷，空調運行溫度設定值為26℃；③與②相同，但空調運行溫度設定值為變量：8：00～18：00為25℃，10：00～13：00為25.5℃，13：00～18：00為26℃。對比研究表明，采用上變儲能系統的吊頂送風方式比較經濟，室內平均輻射溫度低于采用其它3種空調系統及送風方式的相應溫度；利用吊頂送風可以減小室溫和平均輻射溫度差，有利于空調系統的控制；將空調運行和平均輻射擊溫度差，有利于空調系統的控制；將空調運行溫度從一常數改為變量，可以保證熱負荷在一天內保持均勻，避免出現峰值負荷。

2．3．2利用樓板蓄熱的吊頂空調系統

為了減少白天空調電耗，利用建筑結構蓄熱是一條有效的途徑。典型的方法是在樓板中安裝冷、熱水管（或電加熱器）。M.Udagawa等人[8]研究了夏季此類系統的使用效果，夜間（23：00～次日7：00），利用空調系統使樓板降溫，冷卻后的樓板可降低次日午時熱負荷。他們對以下4種情況進行了研究：①空調系統僅在白天運行；②24h運行，設定室溫為22℃（18：00～次日8：00）；③吊頂送冷風，設定吊頂溫度為16℃，供冷時間為23：00～次日7：00；④在樓板中裝冷水管，冷水溫度為7℃，供冷時間為23：00～次日7：00。研究結果顯示：方式③對于降低白天冷負荷最為有效，雖然總負荷與方式②相近，但由于方式③僅用夜間用電，所以比方式②節省運行費。方式①全部用白天高價，室內溫度也較高；方式④雖然耗能最少，但總耗能量卻最大。

Ryu等人[9]比較了一種天花板、地板蓄熱系統與傳統空調運行模式的使用效果。系統結構如圖7所示。夜間電價低谷時，通向房間的送風閥關閉，空氣在天花板空間內循環流動，冷卻天花板和地板。白天，送風閥打開，將冷風送到房間。

圖7利用樓板蓄熱的空調系統

實驗研究了①夜間蓄冷10h（22：00～次日8：00）、②早晨蓄冷3h（5：00～8：00）和③只在辦公時間開空調系統3種模式下房間溫度和地板溫度以及人體熱反應預測值PMV逐時變化情況。結果表明，模型①導致清晨室內溫度降至22.5℃，房間溫度太低；模式②在辦公開始時間房間溫度驟然降低，但PMV保持在±0.3℃范圍內，最穩定；模式②比模式③省電22%。

此外，通過模擬程序PSSP模擬分析了以下7種工況下的室內溫度和電耗情況：①認間不蓄冷；②蓄冷10h，出口空氣溫度16℃；③蓄冷10h，出口空氣溫度12℃；④蓄冷10h，出口空氣溫度8℃；⑤蓄冷5h，出口空氣溫度16℃；⑥蓄冷5h，出口空氣溫度12℃；⑦蓄冷5h，出口空氣溫度8℃。結果表明：10h蓄冷會導致房間溫度過低；5h蓄冷時房間舒適程度相對較高；工況⑤的PMV保持在±0.5內；與傳統空調系統相比，工況⑤和工況⑦的能耗分別降低45%和75%，工況⑤，⑥，⑦的運行費用分別降低27%，37%和47%。

M.Yamaguchi等人[10]討論了帶有相變蓄熱的房間地板的加熱系統，由于在日本夜間電價僅為白天的1/3，因此準備間使用熱泵作為熱源，并結合相變蓄熱地板是比較經濟的運行模式。研究的房間條件如下：房間面積40m2，高2.4m，無窗，總傳熱系數K=1.94W/(m2/℃)，房間熱損失1.79kW，室外空氣溫度為-3℃，室溫為23℃。地板由上往下依次為相變材料層、水管和隔熱材料，面積26m2。相變材料：Na2SO4·10H2O，熔點為32℃，凝固點為30℃，貯熱密度43.0Wh/kg，總蓄熱量28.5kW。采用水-水熱泵，夜間運行8h。壓縮機功率為2kW，供、回水溫度分別為43℃和37℃，流量為15L/min。熱泵系統、輸配管路和地板的連接如圖8所示。

圖8熱泵系統、輸配管路和地板的連接圖

圖9顯示了實驗結果。結果表明房間溫度可保持在20℃左右。

圖9實驗結果示意圖(1月27日17:00至1月28日13:00)

2．3．3樓板儲熱系統的模糊預測控制[11]

相變蓄熱地板，由于其控制簡單安全，可望得到廣泛應用。在相變蓄熱地板，由于其控制簡單安全，可望得到廣泛應用。在相變蓄熱地板的系統控制中，對次日所需熱能的預測是很必要的。R.Mizuno等人研究了預測方法，以確定夜間應將蓄熱材料加熱至多高的溫度。他們建立了到達最高控制溫度所需時間的預測公式，為保證最高設定溫度不致過高或過低，他們用模糊推理法建立了所需熱能的預測法，即如果邏輯前提（氣候條件、環境溫度和室內平均溫度差以及兩天熱負荷之差）變化，就要改變設定的最高溫度，文獻[11]列出了28種模糊控制結果。

3近期值得研究的一些問題

通過文獻綜述并結合自身的科研實踐，我們認為以以下問題值得進一步研究：

·開發適合在建筑隊應用的相變材料；

·建立分析相變建筑構件的物理模型，并使之與國際流行建筑熱環境模擬軟件匹配，在建筑熱過程模擬程序中添加考慮相變儲能建筑結構的模塊，使相變建筑構件使用效果的計算具有通用性和可比性；

·研究相變儲能構件的使用條件（包括氣象條件）及其設計方法；

·開展與模擬研究對應的實驗研究，以驗證/修正模擬研究結果。

筆者受知識、水平和視角的局限，以上綜述和所提問題難免偏頗，誠望得到批評指正。參考文獻

1張寅平，胡漢平，孔祥冬，等。相變貯能--理論和應用。合肥：中國科學技術大學出版社，1996。

2FredrikSetterwall.Phasechangematerialsandchemicalreactionsforthermalenergystorage-Aproposalforfuturework.國際能源機構內部報告。

3SFischer.Thermochemicalenergystoragewithzeolite13X.ProcofWorkshopIEAAnnex10,Sept,1997,Stockholm,Sweden.

4YHirayama,SJollyandWJBatty.InvestigationofthermalenergystoragewithinbuildingmassinnorthernJapanthroughdynamicbuildingandbuildingservicessimulation.Procof7thInterConfonThermalEnergyStorage,June,1997,Sapporo,Japan:355-360.

5SHokoi,TKuroki.Useofphasechangematerialtocontrolindoorthermalenviroment.Procof7thInterConfonThermalEnergyStorage,June,1997,Sapporo,Japan:337-342.

6TOnishi,HSoeda,MMizuno.Numericalsimulationofdistributedheatstoragesysteminaresidentialroomwithamassivewall.Procof7thInterConfonThermalEnergyStorage,June,1997,Sapporo,Japan:343-348.

7TMiura,puteranalysisofthecoolingloadinanofficebuildingthroughappliedthermalstoragebyairsupplythroughtheceilingplenum.Procof7thInterConfonThermalEnergyStorage,June,1997,Sapporo,Japan:181-186.

8MUdagawa,NMaki,HRoh,etal.Studyontheheatstoragetypeofair-conditioningsystemusingfloorslabthermalmassforofficebuilding,Procof7thInterConfonThermalEnergyStorage,June,1997,Sapporo,Japan:175-180.

9YRyu,etal.Astudyonenvironmentalcharacteristicsoftheair-conditioningsystemwithfloorthermalstorage.Procof7thInterConfonThermalEnergyStorage,June,1997,Sapporo,Japan:361-366..

10MYamaguchi,SSayama,etal.Heatstoragewithphasechangematerialforhousefloorheating.Procof7thInterConfonThermalEnergyStorage,June,1997,Sapporo,Japan:349-353.

11RMizuno,YAsana,HTakamura.Astudyonthefuzzypredictioncondtrolofthefloorheatingsystemconstructedoflatent/sensibleheatstoragematerialsusingoff-peakelecturicityequippedinanagedfacility.Procof7thInterConfonThermalEnergyStorage,June,1997,Sapporo,Japan:163-168.