套管式相变蓄能墙体的蓄释能特性研究

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主动式相变蓄能墙体可实现用电量削峰填谷、建筑节能和提升室内热舒适性而备受关注。为解决现有相变蓄能墙体中相变材料泄露、封装成本高和供冷暖一体化难以实现等问题,本文提出一种套管式供冷暖一体化相变蓄能墙体,模拟研究相变材料物性、相变层布置方式、套管结构参数等因素对其蓄释能特性的影响,同时制作出套管式供冷暖一体化相变蓄能墙体试验模型,在气候室试验研究其蓄释能特性。主要工作及成果如下:(1)选用空气源热泵和太阳能集热器为冷热源设备,设计了主动式相变蓄能墙体辐射末端,构建了其物理和数学模型,模拟研究了相变蓄能墙体供冷、供暖工况下的蓄释能特性,考察了相变材料物性参数对墙面温度、热流和蓄释能速率的影响。结果表明:相变温度对相变墙体的墙面热流有重要影响,模拟条件下夏季和冬季工况的相变材料最佳相变峰值温度分别为15℃和30℃。增大相变材料相变潜热有利于降低相变墙体墙面温度波动,提高热舒适性,亦有利于降低相变材料层厚度而薄化相变墙体。提高相变材料导热系数可显著提高相变墙体的蓄能速率及墙面热流,相变墙体传热性也越好。(2)设计了套管式供冷暖一体化相变蓄能墙体,模拟研究了相变层布置方式、相变材料用量和套管结构参数对相变墙体蓄释能特性的影响。结果表明:蓄冷与蓄热层间隔布置的综合性能最优;相变层厚度决定了墙体潜热量,同时影响墙体传热性能,每根套管填充1.04 m~3相变材料时能较好满足设计需求;套管内管管径、外管管径和套管间距都对相变墙体热性能有显著影响,内管管径20 mm、外管管径46 mm和套管间距5 mm为套管最优结构参数;套管中添加少量翅片对墙体传热性能改善有限,添加大量翅片则会减少相变材料填充量。(3)模拟研究了不同室温下相变蓄能系统的优化运行方案,发现夏季26℃、冬季20℃的室内设计温度下,夏季和冬季平均供水温度分别取15℃和35℃,蓄能和释能时间分别取8 h和16 h为最佳运行方案。此运行方案下夏季墙面平均温度为20.5℃,平均热流为45.9 W/m~2,无结露风险;冬季墙面平均温度为26.8℃,平均热流为57.2 W/m~2,较好满足实际应用需求。(4)制备出膨胀石墨-石蜡复合相变材料,基于模拟优选的套管结构构建了套管式相变蓄能墙体试验模型,并在气候室内试验考察了其夏季工况下的蓄释能特性。结果表明:墙面热流受室温波动影响显著,墙面温度受室温波动影响相对较小,相变层温度则基本不受影响;墙面热流分布较均匀,均值达40.8 W/m~2,墙面无结露风险;经对比,相变层温度和墙面温度的模拟值与实验值具有较好的相关性,平均误差分别为9.5%和6.2%。
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