建筑供暖空調(diào)研究論文

1、建筑供暖空調(diào)研究論文提要 以1997年召開(kāi)的第7屆國(guó)際儲(chǔ)能會(huì)議文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，綜述了近年來(lái)國(guó)際上有關(guān)應(yīng)用研究成果和動(dòng)態(tài)，指出了近期該領(lǐng)域中一些值得研究的問(wèn)題。 關(guān)鍵詞：蓄熱相變化學(xué)反應(yīng)應(yīng)用研究 Abstract Basedontheliteratureofthe7thInternationalConferenceonThermalEnergyStorage,Reviewstheresearchprogressandtrendsoflatentheatstorageandchemicalreactioninheating,ventilationandairconditioning,andputsfo

2、rwardsomeproblemsneededtobesolvedinthenearfuture. Keywords：thermalstorage，phasechange，chemicalreaction，appliedresearch 1引言 近年來(lái)相變及化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能研究的一個(gè)熱點(diǎn)是其在建筑領(lǐng)域（包括建筑空調(diào)和供暖）的應(yīng)用。這一方面是由于建筑行業(yè)在世界各國(guó)都是舉足輕重的行業(yè)，其技術(shù)進(jìn)步將產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，另一方面是由于人們對(duì)環(huán)保和節(jié)能的日益重視以及晝夜電價(jià)分計(jì)制產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)。1997年日本召開(kāi)的第7屆國(guó)際儲(chǔ)能會(huì)議論文集中的很大一部分文章集中在此領(lǐng)域，國(guó)際能源機(jī)構(gòu)即Interna

3、tionalEnergyAgency(IEA)下屬項(xiàng)目組ECES(Energyconservationthroughenergystorage)討論確定的1998年啟動(dòng)歷時(shí)3年的Annex10（主題是”相變和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱”）也將相變和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱在建筑中的應(yīng)用列為最主要的研究方向，其參加國(guó)家為加拿大、芬蘭、德國(guó)、日本、波蘭、瑞典、瑞士、英國(guó)和土耳其2。 相變和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱在建筑空調(diào)和供暖領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要分為3個(gè)方面：相變建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、供暖儲(chǔ)熱系統(tǒng)和空調(diào)蓄冷系統(tǒng)，由于空調(diào)蓄冷系統(tǒng)方面的研究?jī)?nèi)容很多且自成體系，其研究情況已屢見(jiàn)報(bào)道，故在此只介紹相變和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱在前兩方面的應(yīng)用研究情況。就筆者所

4、知，我國(guó)在此領(lǐng)域內(nèi)的研究剛剛走步，且離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)距離?？紤]到該領(lǐng)域的研究面較廣，涉及建筑、暖通空調(diào)、材料和工程熱物理等學(xué)科，需要引起我國(guó)上述領(lǐng)域研究者的足夠關(guān)注，才能取得一些實(shí)質(zhì)性成果，并使之真正具有工程應(yīng)用價(jià)值。因此，本文將近年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家在該領(lǐng)域的部分研究工作和研究動(dòng)態(tài)作一簡(jiǎn)介，以期對(duì)我國(guó)該領(lǐng)域的研究有所幫助。 2研究綜述 21化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱在供暖和空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用3 德國(guó)Fisher博士研究了利用沸石儲(chǔ)熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)熱網(wǎng)峰谷負(fù)荷的供暖系統(tǒng)。其原理見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)運(yùn)行模式及其與建筑及供暖系統(tǒng)的連接方式見(jiàn)圖2。 圖1沸石儲(chǔ)熱系統(tǒng)工作原理圖 圖2沸石儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行模式及其與建筑及供暖系統(tǒng)的連接 這一

5、系統(tǒng)已在實(shí)際建筑中應(yīng)用，建筑供暖面積為1625m2，熱負(fù)荷（環(huán)境溫度-16時(shí)）為96kW，熱源為熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)，采用7000kg沸石，加熱功率為130kW，充熱溫度為130180，儲(chǔ)熱密度為180kWh/m3，系統(tǒng)COP約為1。 22相變建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)微生物熱性能的影響 221蓄熱建筑結(jié)構(gòu)對(duì)熱舒適和空調(diào)能耗的影響4 以往在濕熱的環(huán)境中人們往往只重視強(qiáng)化通風(fēng)而忽略圍護(hù)結(jié)構(gòu)貯能對(duì)室內(nèi)環(huán)境的改善作用，所以在建筑物中較多使用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)（lightweightstructure）。HHirayama等人利用模擬方法研究了建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱容對(duì)房間熱性能的影響。 他們以木結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)分別作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和重質(zhì)結(jié)

6、構(gòu)的代表，模擬分析了空調(diào)和供暖系統(tǒng)不同運(yùn)行模式下采用兩種結(jié)構(gòu)的建筑的熱特性?？照{(diào)和供暖系統(tǒng)的運(yùn)行模式為：空調(diào)或供暖系統(tǒng)江作，滲新風(fēng)；空調(diào)或供暖系統(tǒng)每天6：0024：00間歇運(yùn)行；空調(diào)或供暖系統(tǒng)每天24h連續(xù)運(yùn)行，以保證室內(nèi)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(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑內(nèi)的室溫曲線 注：室溫為合成溫度（resultanttemperature)或運(yùn)行溫度(operativetemperature) 研究結(jié)果表明，重質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：可降低室內(nèi)溫度波動(dòng)，提高舒適度，使建筑供暖或空調(diào)不用或少用能；可以減小所需空氣處理設(shè)備（加熱及制冷）的容量，

7、同時(shí)可使空調(diào)或系統(tǒng)利用夜間廉價(jià)電運(yùn)行，降低空調(diào)或供暖系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。空調(diào)供暖系統(tǒng)的運(yùn)行策略對(duì)重質(zhì)結(jié)構(gòu)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(fēng)情況對(duì)使用效果也有一定的影響。 重質(zhì)建筑構(gòu)件的使用效果受以下因素影響：建筑構(gòu)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(fēng)情況，氣象條件，空調(diào)或供暖系統(tǒng)的使用。 222吸收太陽(yáng)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(nèi)安裝吸收太陽(yáng)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

8、的因素，分析了墻體和相變材料的儲(chǔ)、傳熱過(guò)程，同時(shí)提出了確定所用相變材料最佳相變溫度的準(zhǔn)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(nèi)溫度示意圖。 模擬研究分析了無(wú)蓄熱系統(tǒng)和相變材料熔點(diǎn)分別為11，13，15時(shí)房間溫度和地板溫度的逐時(shí)變化規(guī)律，并分析了通過(guò)墻、窗和地板等建筑構(gòu)件以及通風(fēng)和輻射等不同傳熱方式的逐時(shí)熱流量。分析結(jié)果表明：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；房間的平均溫度與地板中是否有相變材料無(wú)關(guān)，與相變材料的相變溫度也無(wú)關(guān)。模擬分析中，將地板溫

9、度視為常數(shù)（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(jiǎn)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(nèi)溫度示意圖 1室溫(含相變材料，熔點(diǎn)13)2地板溫度(含相變材料熔點(diǎn)13) 3室溫(不含相變材料)4地板溫度(不含相變材料) 223特朗勃墻（TrombeWall）結(jié)合夜間電加熱的蓄熱系統(tǒng)6 JOnishi等人研究了被動(dòng)式太陽(yáng)房特朗勃墻（TrombeWall）結(jié)合夜間電加熱的蓄熱系統(tǒng)的熱性能，用CFD模擬了以下4種工況的效果：電加熱器置于特朗勃墻內(nèi)；電加熱器置于特朗勃墻室內(nèi)側(cè)；電加熱器置于地板表面；與工況相同，但加熱溫度為40。工況的

10、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(yáng)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(nèi)比放在墻表面效果要好；工況效果比工況略差。 23相變儲(chǔ)熱與供暖空調(diào)相結(jié)合的系統(tǒng) 231工程相變儲(chǔ)能系統(tǒng)與吊頂送風(fēng)結(jié)合7 利用吊頂送風(fēng)，無(wú)需安裝送風(fēng)管道，省時(shí)省力。若不采用保溫吊頂，還可節(jié)省建材。結(jié)合相變儲(chǔ)能，吊頂送風(fēng)的使用效果會(huì)更佳。T.Miura等人利用吊頂送風(fēng)進(jìn)行了研究，送風(fēng)方式有以下4種：吊頂送風(fēng)；準(zhǔn)備間用吊頂送風(fēng)，白天則通過(guò)管道向室內(nèi)送風(fēng)；管道送風(fēng)，吊頂回風(fēng)；管道送風(fēng)，門(mén)或墻上百葉回風(fēng)?？照{(diào)系統(tǒng)及運(yùn)行設(shè)定溫度有3種：不用相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，8：0018：00開(kāi)空調(diào)

11、，空調(diào)運(yùn)行溫度設(shè)定值為26；用相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，白天（8：0018：00）降溫，夜間（18：000：00）蓄冷，空調(diào)運(yùn)行溫度設(shè)定值為26；與相同，但空調(diào)運(yùn)行溫度設(shè)定值為變量：8：0018：00為25，10：0013：00為25.5，13：0018：00為26。對(duì)比研究表明，采用上變儲(chǔ)能系統(tǒng)的吊頂送風(fēng)方式比較經(jīng)濟(jì)，室內(nèi)平均輻射溫度低于采用其它3種空調(diào)系統(tǒng)及送風(fēng)方式的相應(yīng)溫度；利用吊頂送風(fēng)可以減小室溫和平均輻射溫度差，有利于空調(diào)系統(tǒng)的控制；將空調(diào)運(yùn)行和平均輻射擊溫度差，有利于空調(diào)系統(tǒng)的控制；將空調(diào)運(yùn)行溫度從一常數(shù)改為變量，可以保證熱負(fù)荷在一天內(nèi)保持均勻，避免出現(xiàn)峰值負(fù)荷。 232利用樓板蓄熱的吊頂空調(diào)

12、系統(tǒng) 為了減少白天空調(diào)電耗，利用建筑結(jié)構(gòu)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(lèi)系統(tǒng)的使用效果，夜間（23：00次日7：00），利用空調(diào)系統(tǒng)使樓板降溫，冷卻后的樓板可降低次日午時(shí)熱負(fù)荷。他們對(duì)以下4種情況進(jìn)行了研究：空調(diào)系統(tǒng)僅在白天運(yùn)行；24h運(yùn)行，設(shè)定室溫為22（18：00次日8：00）；吊頂送冷風(fēng)，設(shè)定吊頂溫度為16，供冷時(shí)間為23：00次日7：00；在樓板中裝冷水管，冷水溫度為7，供冷時(shí)間為23：00次日7：00。研究結(jié)果顯示：方式對(duì)于降低白天冷負(fù)荷最為有效，雖然總負(fù)荷與方式相近，但由于方式僅用夜間用電，所以比方式節(jié)省

13、運(yùn)行費(fèi)。方式全部用白天高價(jià)，室內(nèi)溫度也較高；方式雖然耗能最少，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(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)運(yùn)行模式的使用效果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。夜間電價(jià)低谷時(shí)，通向房間的送風(fēng)閥關(guān)閉，空氣在天花板空間內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，冷卻天花板和地板。白天，送風(fēng)閥打開(kāi)，將冷風(fēng)送到房間。 圖7利用樓板蓄熱的空調(diào)系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)研究了夜間蓄冷10h（22：00次日8：00）、早晨蓄冷3h（5：008：00）和只在辦公時(shí)間開(kāi)空調(diào)系統(tǒng)3種模式下房間溫度和地板溫度以及人體熱反應(yīng)預(yù)測(cè)值PMV逐時(shí)變化情況。結(jié)果表明，模型導(dǎo)致清晨室內(nèi)溫度降至22.5，房間溫度太低；模式在辦公開(kāi)始時(shí)間房間溫度驟然降低，但PMV

14、保持在0.3范圍內(nèi)，最穩(wěn)定；模式比模式省電22%。 此外，通過(guò)模擬程序PSSP模擬分析了以下7種工況下的室內(nèi)溫度和電耗情況：認(rèn)間不蓄冷；蓄冷10h，出口空氣溫度16；蓄冷10h，出口空氣溫度12；蓄冷10h，出口空氣溫度8；蓄冷5h，出口空氣溫度16；蓄冷5h，出口空氣溫度12；蓄冷5h，出口空氣溫度8。結(jié)果表明：10h蓄冷會(huì)導(dǎo)致房間溫度過(guò)低；5h蓄冷時(shí)房間舒適程度相對(duì)較高；工況的PMV保持在0.5內(nèi)；與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，工況和工況的能耗分別降低45%和75%，工況，的運(yùn)行費(fèi)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(tǒng)，由于在日本夜間

15、電價(jià)僅為白天的1/3，因此準(zhǔn)備間使用熱泵作為熱源，并結(jié)合相變蓄熱地板是比較經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行模式。研究的房間條件如下：房間面積40m2，高2.4m，無(wú)窗，總傳熱系數(shù)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：Na2SO410H2O，熔點(diǎn)為32，凝固點(diǎn)為30，貯熱密度43.0Wh/kg，總蓄熱量28.5kW。采用水-水熱泵，夜間運(yùn)行8h。壓縮機(jī)功率為2kW，供、回水溫度分別為43和37，流量為15L/min。熱泵系統(tǒng)、輸配管路和地板的連接如圖8所示。 圖8熱泵系統(tǒng)、輸配管路和地板的連接圖 圖9顯

16、示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明房間溫度可保持在20左右。 圖9實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖(1月27日17:00至1月28日13:00) 233樓板儲(chǔ)熱系統(tǒng)的模糊預(yù)測(cè)控制11 相變蓄熱地板，由于其控制簡(jiǎn)單安全，可望得到廣泛應(yīng)用。在相變蓄熱地板，由于其控制簡(jiǎn)單安全，可望得到廣泛應(yīng)用。在相變蓄熱地板的系統(tǒng)控制中，對(duì)次日所需熱能的預(yù)測(cè)是很必要的。R.Mizuno等人研究了預(yù)測(cè)方法，以確定夜間應(yīng)將蓄熱材料加熱至多高的溫度。他們建立了到達(dá)最高控制溫度所需時(shí)間的預(yù)測(cè)公式，為保證最高設(shè)定溫度不致過(guò)高或過(guò)低，他們用模糊推理法建立了所需熱能的預(yù)測(cè)法，即如果邏輯前提（氣候條件、環(huán)境溫度和室內(nèi)平均溫度差以及兩天熱負(fù)荷之差）變化，就要改變

17、設(shè)定的最高溫度，文獻(xiàn)11列出了28種模糊控制結(jié)果。 3近期值得研究的一些問(wèn)題 通過(guò)文獻(xiàn)綜述并結(jié)合自身的科研實(shí)踐，我們認(rèn)為以以下問(wèn)題值得進(jìn)一步研究： 開(kāi)發(fā)適合在建筑隊(duì)?wèi)?yīng)用的相變材料； 建立分析相變建筑構(gòu)件的物理模型，并使之與國(guó)際流行建筑熱環(huán)境模擬軟件匹配，在建筑熱過(guò)程模擬程序中添加考慮相變儲(chǔ)能建筑結(jié)構(gòu)的模塊，使相變建筑構(gòu)件使用效果的計(jì)算具有通用性和可比性； 研究相變儲(chǔ)能構(gòu)件的使用條件（包括氣象條件）及其設(shè)計(jì)方法； 開(kāi)展與模擬研究對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，以驗(yàn)證/修正模擬研究結(jié)果。 筆者受知識(shí)、水平和視角的局限，以上綜述和所提問(wèn)題難免偏頗，誠(chéng)望得到批評(píng)指正。參考文獻(xiàn) 1張寅平，胡漢平，孔祥冬，等。相變貯能-

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24、72.27.202121:1921:19:082月-2121:192、只有收獲，才能檢驗(yàn)耕耘的好處；只有貢獻(xiàn)，方可衡量人生的價(jià)值。二二一二二一年二月二十七日2021年2月27日星期六3、不要放棄，你要配的上自己的野心，也不要辜負(fù)了所受的苦難。21:192.27.202121:192.27.202121:1921:19:082.27.202121:192.27.20214、找一個(gè)理由，否認(rèn)憂傷，笑容就會(huì)燦爛到無(wú)所不在。2.27.20212.27.202121:1921:1921:19:0821:19:085、成功與不成功之間有時(shí)距離很短只要后者再向前幾步。二月 21星期六, 二月 27, 202

25、12/27/20216、只要努力抬起你的雙腳，勝利將屬于你。9時(shí)19分9時(shí)19分27-2月-212.27.20217、青春如此華美，卻在煙火在散場(chǎng)。21.2.2721.2.2721.2.27。2021年2月27日星期六二二一二二一年二月二十七日8、真正沒(méi)有資格談明天的人，是那個(gè)不懂得珍惜今日的人。21:1921:19:082.27.2021星期六, 二月 27, 20211、你始終不屬于我，屬于我的只是我自己。21.2.272.27.202121:1921:19:082月-2121:192、一份信心，一份努力，一份成功；十分信心，十分努力，十分成功。二二一二二一年二月二十七日2021年2月27日星期六3、你是唯一的