基于水合无机盐复合相变材料的主动与被动耦合型建筑节能研究

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建筑能耗的逐年增长使建筑节能尤为紧迫。将能够在相变过程中吸收或释放大量潜热的相变材料引入到建筑物中是实现建筑节能的有效途径,因为相变材料既能整合到围护结构中依靠温差触发其吸热或放热来达到被动式节能,又可以引入暖通空调系统中来实现主动式节能。目前,将相变材料应用于建筑节能的研究主要集中于石蜡等有机类相变材料。尽管这些有机相变材料具有相变温度适宜、无过冷和相分离等优点,但也存在可燃性的隐患。相比之下,便宜易得和不可燃的水合无机盐更适合用于建筑领域。本论文致力于水合无机盐相变材在建筑节能中的应用研究。首先,在调控水合无机盐相变温度使其更适合于建筑应用的基础上,将所得水合无机盐相变材料分别与导热系数高低不同的多孔载体复合,制备了两种复合相变材料,并将其分别应用于围护结构和通风系统,通过被动式节能和主动式节能的协同作用来提升节能效果;再者,针对地板采暖的高能耗问题,研制了相变温度不同的两种水合无机盐复合相变材料,构建了双层辐射地板,并在冬季和夏季气候下评估双层辐射地板的节能效果。最后,将含水合无机盐复合相变材料的围护结构、通风系统以及双层辐射地板集于一体,采用数值模拟的方法,研究主动-被动节能耦合试验房的热特性。为了拓宽无机相变材料在建筑物中的应用范围,研制了一种相变温度可调的CaCl2·6H2O-NH4Cl-SrCl2·6H2O三元混合盐相变材料,通过DSC曲线、冷却曲线、XRD、FT-IR光谱以及熔融-凝固循环实验对混合盐的热性能进行系统的表征和分析。研究表明,无机盐NH4Cl能够调节CaCl2·6H2O的相变温度,当NH4Cl添加量分别为4 wt%和8 wt%时,CaCl2·6H2O-NH4Cl混合盐的相变温度分别为23.5°C(TM24)和20.8°C(TM20)。添加1 wt%的SrCl2·6H2O可以基本消除混合盐的过冷度,而XRD和FT-IR结果表明混合盐中三种成分之间仅存在物理混合。经过200次熔融-凝固循环实验后,混合盐的相变温度和相变潜热的最大偏差分别为2.0%和2.6%,所研制的混合盐相变材料具有良好的热可靠性。针对相变围护结构和相变通风系统隔离研究的现状,将上述研制的相变温度为23.5°C的TM24混合盐相变材料分别与膨胀珍珠岩(EP)和膨胀石墨(EG)复合,再将所得两种复合相变材料加工成型,制得了两种具有不同热导率的无机复合相变板;将TM24/EP复合相变板安装在围护结构,并同时将TM24/EG复合相变板放置于通风系统中,对两者的建筑节能协同效果进行实验研究;构建了相变通风系统的数值模型,系统地考察了在室外新风的供应下进口空气流率和相变材料热物性的影响规律,以优化通风系统的整体热性能。结果表明,TM24/EP复合相变材料的热导率为0.1170 W/(m·K),使其适用于围护结构的保温隔热;而TM24/EG复合PCM的热导率高达9.720 W/(m·K),使其有助于提高通风系统中相变材料与流动空气的热交换效率。与仅装有TM24/EP复合相变板的房间相比,含相变围护结构和相变通风系统的房间表现出更小的室内温度波动(22.29-28.69°C)、更大的温度时滞(1.6 h)以及更高的室内热舒适率(78.3%)。模拟研究表明,随着进口空气流率的减小或相变板厚度的增大,通风系统的出口空气温度波动逐渐减小。缩小出口通道中相变板的相变温度范围可以进一步降低最高出口温度并提高相变材料的利用率。当进口空气流率为11.47 kg/h,相变板的厚度为12 mm时,相变板的最佳热导率为13.0 W/(m·K),此时通风系统的出口空气温度波动为22.5-27.9°C。针对相变材料在辐射地板中的应用,一方面将上述研制的TM20与EG复合,制备了相变温度20.2°C的TM20/EG复合相变材料,另一方面研制了相变温度为31.3°C的Na2HPO4·12H2O-Na2Si O3·5H2O/EG复合相变材料。随后,将以上两种相变温度不同的无机复合相变材料同时引入到辐射地板中分别作为蓄冷层和蓄热层,构建了兼具供冷和供暖功能的双层无机相变辐射地板,并对其热特性进行实验研究。结果表明,在冬季气候中,配备了上层蓄热下层蓄冷的辐射地板的实验房,其热舒适持续时长为采用豆石作为地板储能材料的参考房的2.2倍。在夏季气候中,下层蓄冷上层蓄热的辐射地板为房间提供了8.1 h的热舒适持续时长,该时长为参考房的1.7倍。结合峰谷电价表发现,适当地提高复合PCM的热导率能够提高辐射地板的储/放能效率,双层相变辐射地板能够通过转移峰值负载来节省电力成本。最后,采用数值模拟的方法,研究了集相变墙体、相变通风腔和双层相变辐射地板于一体的大尺寸试验房的热特性。基于PMV-PPD人体热舒适度评价指标和房间的全年能耗值,通过调节辐射地板中相变层厚度、热导率以及热源位置,全面考察了这种被动-主动耦合式节能体系对室内热环境的调控作用和节能效果。结果表明,与仅安装采用砂石为储能材料的辐射地板的参考房相比,相变房不仅具有更低的全年能耗,其室内Ⅱ级热舒适率更是高达79.87%,相应的提升幅度为16.58%。适当地增厚相变层或增大PCM的热导率能够进一步优化辐射地板对室内热环境的调控效果。此外,热源的上移和下移都不利于辐射地板中PCM利用率的最大化。与参考房相比,在保持相近的室内热舒适率的前提下,被动-主动耦合式节能相变体系能够为房间节省9.77%的建筑能耗。
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