被動式熱激活復合墻體熱特性實驗研究

被動式熱激活復合墻體熱特性實驗研究

建筑的保溫隔熱技術(shù)主要分為“無源”和“源”。在沒有源保護的情況下，可以實現(xiàn)建筑的保溫隔熱，將其分為靜態(tài)（傳統(tǒng)系數(shù)固定）和動態(tài)（傳統(tǒng)系數(shù)可變）兩種。兩相熱虹吸回路(two-phasethermosyphonloop,TPTL)作為一種高效低廉的相變傳熱裝置被廣泛應(yīng)用于解決各種復雜情景下的熱傳輸問題，例如太陽能熱水系統(tǒng)本文提出了被動式熱激活建筑系統(tǒng)概念，設(shè)計并搭建了被動式熱激活復合墻體實驗檢測系統(tǒng)，并在冬季模式下通過實驗研究了熱源溫度和充液率對第一類傳熱邊界條件下建筑集成用回路熱管運行特性以及復合墻體熱特性的影響，為被動式熱激活建筑系統(tǒng)的工程設(shè)計和應(yīng)用提供參考．1獲取所需冷源圖1所示為直接熱激活運行模式下(即圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌管直接與冷熱源連接形成閉環(huán))被動式熱激活建筑系統(tǒng)工作原理示意．冬季模式下，圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌管可通過地埋換熱器或太陽能集熱器等直接獲取不同品位熱源；夏季模式下，圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌管可通過放置于屋頂?shù)妮椛浒寤蚶鋮s塔等獲取所需冷源；此外，系統(tǒng)在冬夏季之間的運行切換則主要借助換向閥實現(xiàn)．以冬季模式為例，圖2給出了被動式熱激活墻體在4種不同運行情景下的穩(wěn)態(tài)溫度和熱流變化．正常情景下，圍護結(jié)構(gòu)溫度通常低于室內(nèi)設(shè)定溫度，并依次由室內(nèi)向室外遞減．此時，若通過TPTL向圍護結(jié)構(gòu)注入來自低溫熱源熱量(介于室內(nèi)設(shè)定溫度和室外環(huán)境溫度之間，例如16～25℃)，可有效提升圍護結(jié)構(gòu)溫度并降低建筑負荷，以上即為保溫隔熱情景．當TPTL冷凝端溫度與室內(nèi)設(shè)定溫度接近時，嵌管層與室內(nèi)環(huán)境之間的傳熱溫差即可忽略不計，消除了因圍護結(jié)構(gòu)傳熱引起的負荷，以上即為中性情景．當?shù)蜏責嵩催_到25～35℃時，即可通過TPTL為建筑提供輔助供能，而當熱源溫度超過35℃時，通過內(nèi)嵌的TPTL甚至可為室內(nèi)空間提供直接供暖，以上即為輔助供能情景．2試驗設(shè)備的設(shè)計和評估2.1實驗系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定圖3為實驗系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)搭建在天津大學建筑學院建筑技術(shù)科學研究所半地下設(shè)置的混響室內(nèi)，由5個主要部分組成，即建筑集成用TPTL系統(tǒng)、熱源系統(tǒng)、冷源系統(tǒng)(復合墻體)、工質(zhì)充注系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)．蒸發(fā)器為套管式換熱器，由恒溫水浴提供低溫熱水．在混響室空間高度限值條件下設(shè)定了蒸發(fā)器和冷凝器的高差，最終實驗系統(tǒng)中蒸發(fā)器出口與冷凝器進口(最高處)高差為2.1m，蒸發(fā)器出口與冷凝器出口(最低處)高差為1.5m．上升管、下降管以及熱源均采用橡塑保溫棉進行保溫處理．實驗過程中，混響室內(nèi)溫度始終維持在15～20℃．本文以典型240磚墻為例，將冷凝器內(nèi)嵌入磚墻中間形成被動式熱激活復合墻體，如圖4所示．表1列出了實驗系統(tǒng)各部件的幾何參數(shù)及說明．為直接獲取TPTL內(nèi)部瞬時溫度和壓力，蒸發(fā)器及冷凝器進出口處均與四通連接，并通過Pt100(上海紅儀實業(yè)有限公司，精度為±0.1℃)測量溫度，通過壓力傳感器(Danfoss-060G5902，精度為±0.5%)測量壓力．此外，TPTL回路其他位置、嵌管層以及熱源的溫度通過K型熱電偶(Omega-TT-K-30，精度為±0.1℃)測量，蒸發(fā)器熱源側(cè)流量通過渦輪流量計(MIK-LWGY-L/6-C，測量范圍為0.06～0.6m2.2定壓氣充注過程為研究熱源溫度和充液率對TPTL系統(tǒng)和復合墻體熱特性的影響，基于不同應(yīng)用情景并考慮建筑集成用TPTL的潛在應(yīng)用拓展確定了實驗參數(shù)及其范圍．熱源溫度范圍為25～65℃(間隔為10℃)，充液率范圍為60%～144%(間隔為28%)．這里充液率定義為充注工質(zhì)體積與蒸發(fā)器容積之比．REHVA技術(shù)導則7實驗開始前，依次打開閥門2、3和4并通過真空泵抽真空，隨后關(guān)閉閥門4與真空泵，并打開充注罐出口液閥，在電子秤輔助下完成定量充注過程，然后關(guān)閉閥門2和3．每次實驗結(jié)束后整個實驗系統(tǒng)靜置24h以上．本文中相關(guān)參數(shù)的不確定度通過Kline-McClinock2.3復合墻體響應(yīng)特性評價指標熱傳輸效率及響應(yīng)速度是設(shè)計建筑集成用TPTL的關(guān)鍵性能指標，因此采用熱阻和啟動速度對不同實驗條件下墻體內(nèi)嵌型TPTL進行評價分析．圖5為系統(tǒng)的簡化傳熱過程和熱阻分布，其中系統(tǒng)總熱阻為式中：R式中：t如圖5所示，系統(tǒng)總熱阻由蒸發(fā)器熱阻(R式中：t對于被動式熱激活復合墻體來說可定義注熱熱阻(R式中Q實驗系統(tǒng)各部分均采取良好保溫措施，因此，本文選取啟動速度作為評價復合墻體響應(yīng)特性的指標，該指標考慮了初始溫度對啟動過程的影響，其表達式為式中：S為啟動速度，℃/s;t3結(jié)果與分析3.1熱源溫度與充液率對熱阻的影響圖6給出了TPTL在4種不同充液率(FR)條件下熱阻隨熱源溫度(t從圖6中還可看出，當熱源溫度為35℃時，蒸發(fā)器熱阻小于傳輸熱阻，但隨著熱源溫度的升高，傳輸熱阻的減少速率明顯快于蒸發(fā)器熱阻，熱源溫度每增加10℃，傳輸熱阻減少47.8%～64.3%．上述變化表明，熱源溫度較低時TPTL中蒸汽輸出速率相對較低，TPTL驅(qū)動力相對不足，使得傳輸熱阻所占比例大于熱源溫度較高時．實際上，較高的熱源溫度有利于產(chǎn)生更大的驅(qū)動力來克服回路熱阻，隨著熱源溫度的升高，蒸汽質(zhì)量流量顯著增加，傳輸熱阻比例逐漸減小至最小值．同時，熱源溫度相同時，傳輸熱阻隨充液率的增加先減小后增大，當充液率為88%時，傳輸熱阻最小，說明此時TPTL內(nèi)部傳熱效率較高．考慮到被動式熱激活復合墻體冷凝段熱阻受嵌管層材料影響，本節(jié)進一步利用熱源至冷凝器壁的疊加熱阻(即注熱熱阻R3.2熱源溫度與充液率對啟動速度的影響啟動特性是TPTL在不同情景應(yīng)用中的另一重要特性．通常啟動時間是指達到相對穩(wěn)定的傳熱狀態(tài)(定義為達到最大傳熱量率并維持變動范圍在5%以內(nèi)不同充液率和熱源溫度條件下TPTL的啟動速度值如圖8所示．可以看出，不同熱源溫度下TPTL均可以順利啟動，低熱源溫度下，TPTL啟動速度可達0.06℃/s(此時充液率為60%)．隨著熱源溫度的升高，TPTL的啟動速度得到迅速提升．同時，在熱源溫度相同且相對較低時，較低充液率下的啟動速度更高，但不同充液率之間的啟動速度差值隨熱源溫度的升高而逐漸減小．例如，在熱源溫度為55℃和65℃時，不同充液率下的啟動速度最大差值分別為12.8%和4.7%，明顯低于35℃時的48.8%．此外，除65℃外的其他熱源溫度下，即使回路處于欠充狀態(tài)，充液率為60%時啟動速度最高．這一現(xiàn)象表明，較低的充液率使得蒸發(fā)器內(nèi)部的流動阻力較低，有利于回路的快速啟動，而流動阻力的影響隨著熱源溫度的升高而逐漸減弱，因為回路內(nèi)部的驅(qū)動力得到較快的提升．從注熱熱阻和啟動速度兩方面均可以看出，所研究的被動式熱激活復合墻體在不同運行條件下(蒸發(fā)器出口和冷凝器出口高差為1.5m)的最佳充液率并非固定值(在116%附近)．實際應(yīng)用中可以通過適當降低充液率以獲得更高的啟動速度，用于被動式熱激活復合墻體的保溫隔熱情景以及中性情景；而對于應(yīng)用于輔助供能甚至直接墻面供能情景的被動式熱激活復合墻體，可以適當提高充液率以獲得較低的注熱熱阻．3.3不同熱源溫度對復合墻體注熱能力的影響對于被動式熱激活建筑系統(tǒng)，除了需要探究建筑集成用TPTL的熱特性外，復合墻體熱特性對于驗證技術(shù)可行性以及進一步設(shè)計優(yōu)化也很重要．圖9給出了充液率為116%、熱源溫度分別為35℃和55℃時被動式熱激活復合墻體12h內(nèi)的等距紅外圖像變化(間隔時間為3h)．從圖9中可以看出，當蒸發(fā)段加載熱源、TPTL成功運行時，盡管復合墻體內(nèi)墻表面溫度分布逐漸出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，但墻體內(nèi)表面邊界到磚層與保溫層界面之間的固體區(qū)域溫度明顯升高，且隨著時間的延長或熱源溫度的升高，效果更加明顯．這主要得益于TPTL的瞬態(tài)熱響應(yīng)特性，使得熱源產(chǎn)生的熱量可以在短時間傳遞并注入復合墻體．隨著時間延長，磚層與保溫層之間形成一條清晰的熱分界線，大部分注入熱量可用于設(shè)計目的．因此，紅外測試結(jié)果也驗證了被動式熱激活復合墻體應(yīng)用于建筑能源管理的可行性．因復合墻體嵌管層熱擴散性較差，通過紅外圖像可以觀察到較為明顯的熱堆積現(xiàn)象，這也驗證了第3.1節(jié)的分析．為進一步提升建筑集成用TPTL的熱傳輸效率，改善復合墻體熱堆積現(xiàn)象以獲得更為均勻的內(nèi)表面溫度，今后應(yīng)尋找適宜的嵌管層材料并對復合墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計展開深入研究．圖10給出了充液率為116%時4種不同熱源溫度下復合墻體逐時和累積注入熱量隨時間的變化．從圖10中可以看出，復合墻體逐時注入熱量受初始溫度分布的影響較大，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，并且注入熱量(尤其是累積注入熱量)與運行時間之間近似呈線性關(guān)系，但由于嵌管層內(nèi)熱量的逐漸積聚，逐時注入熱量呈現(xiàn)緩慢減少趨勢，且這一趨勢在較高熱源溫度下更為明顯．由圖10(b)可以看出，4種不同熱源溫度下累積注入熱量變化曲線的斜率均為正值，且隨熱源溫度的升高而增大．與圖10(a)所示的逐時注入熱量變化曲線相比，圖10(b)所示的累積注入熱量曲線更接近于直線，表明所研究的復合墻體能夠保持長期穩(wěn)定的注熱能力．4被動式熱激活建筑系統(tǒng)的技術(shù)可行性本文提出了被動式熱激活建筑系統(tǒng)概念，建立了被動式熱激活復合墻體模塊檢測平臺，通過實驗研究了蒸發(fā)器出口與冷凝器進口及出口高差分別為2.1m及1.5m時充液率與熱源溫度對建筑集成用TPTL以及復合墻體熱特性的影響，得出以下結(jié)論．(1)不同充液率和熱源溫度條件下，建筑集成用TPTL均可成功啟動和運行，即使在低熱源溫度條件下，TPTL的啟動速度值也可達0.06℃/s(熱源溫度為25℃，充液率為60%)，驗證了被動式熱激活建筑系統(tǒng)的技術(shù)可行性．(2)由于嵌管層的熱擴散能力相對較弱，冷凝器熱阻在系統(tǒng)總熱阻中所占比例最大，約為58.4%～94.4%，是制約被動式熱激活復合墻體熱傳輸效率的最大瓶頸．(3)不同運行條件下，最佳充液率(116%左右)