双层相变蓄能辐射地板传热特性实验研究

张舒阳，夏 燚，张小松



双层相变蓄能辐射地板传热特性实验研究

张舒阳1，夏 燚2，张小松1

（1东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096；2南京师范大学能源与机械工程学院，江苏南京 210000）

本文构建了一种可用于供暖和供冷两种工况的相变蓄能辐射地板系统，该系统包含蓄冷和蓄热两层石蜡相变材料，相变点分别为18 ℃和34 ℃，针对该相变地板蓄冷和蓄热层上下相对位置的变化，通过实验研究了在供暖水温45 ℃和供冷水温15 ℃两种工况下，这两种不同结构的相变地板的传热特性，以及相变层对找平层、地板层等结构层的影响。结果表明，该相变地板系统可用于供热和供冷两种工况，两种结构模式下，不同结构层在蓄能过程中温度变化特性均相近，但释能过程温度变化特性区别较大。结构的变化对实验箱体内气温在供暖时影响较大，而在供冷时影响不大。综合供冷供暖两种工况，从系统冷量和热量的传递结果考虑，蓄热层在上、蓄冷层在下的结构传热性能更优，可缓解地板温度过快下降带来的热舒适性差及结露问题。

相变材料；辐射地板；数值模拟；蓄能释能；实验研究

目前，我国的社会总能耗中，建筑能耗约占1/3，其中空调和采暖能耗占建筑总能耗的40%～50%。随着人们对生活环境的舒适性以及工业生产环境合适性的要求日益提高，建筑及其暖通系统给我国的能源需求带来了巨大的压力。在众多建筑节能措施中，蓄能技术可有效均衡负荷在时间、空间和强度上的分配比例[1-4]，被认为是一种可有效实现建筑节能的途径。其中，潜热蓄能（也称作相变蓄能）则被认为是最有效的蓄能方式[6-15]，通过将相变材料应用于建筑围护结构中，利用其相变时可在小幅温度变化范围内吸收或释放大量的热量[16-24]，提高建筑物的热惰性，减缓室内热环境的波动，进而提高采暖和空调系统的运行效率，达到建筑节能的目的。

地板辐射采暖系统作为一种舒适、健康、节能的空调末端形式，可与多种低位热源进行结合，可在保证高效利用能源的同时提高室内热舒适性。本研究将地板辐射系统和相变蓄能技术进行结合，构建高效舒适的空调系统，实现建筑节能，同时可缓解国家电网峰值压力，实现电网移峰填谷，并减少用户花费[25-29]。

我国政府在1994年出台了“峰谷电价政策”，目前全国大部分省市均实行了峰谷电价政策。2008年国务院扩大了峰谷电价的实施范围，以经济手段推动电力“移峰填谷”的实现，并且大力提倡创新发展低谷用电节能产业。由于相变材料的相变过程会吸收或放出大量的热量，因此可以将相变材料与地板辐射供暖/供冷系统相结合，构建相变地板辐射系统。一方面，相变地板辐射系统可以利用夜间低谷低价电进行蓄能，提高系统的经济性；另一方面，相变材料的加入有效地提高了相变地板辐射系统的热惯性，降低室内空气温度的波动，从而减少冷热负荷，达到建筑节能的目的。目前，相变地板辐射系统已经逐渐引起了国内外学者的兴趣，并主要对其供暖性能进行了一系列实验研究[30-32]。

HAURIE等[30]将不同组分的相变材料应用于地板辐射供暖供冷系统，并通过试验研究了不同组分相变材料的焓-温度曲线，以及不同组分相变材料对水泥材料传热性能的影响。JEON等[31]将在相变材料中添加石墨烯粉体xGnP并应用于地板辐射供暖系统，研究了该种相变材料的热导率和潜热储能，研究结果表明，添加了xGnP的相变材料可用于住宅建筑中的地板辐射供暖系统。ZHOU等[32]对使用不同蓄能材料（沙子和相变材料）的地板辐射供暖系统的性能进行了对比研究，试验结果表明，当供暖结束后，使用相变材料的地板辐射供暖系统的放热时间是使用沙子地板辐射供暖系统放热时间的2倍。JIN等[33]建立了一种具有双层相变材料的地板辐射供冷/供暖系统，系统中两层相变材料具有不同的相变温度，分别用于蓄冷和蓄热，并建立了系统的数值模型，研究结果表明，与没有相变材料的地板辐射供冷/供暖系统相比，当相变材料的相变潜热为150 kJ/kg时，新系统释放的热量或冷量将分别多出41.1%和37.9%。

可以看出，目前对于相变蓄能地板的研究仍集中在冬季供暖工况，所使用的相变材料包括水合盐、无机封装相变材料、以石蜡为主体而用高密度聚乙烯作为支持载体的定形相变材料等[34-36]。

传统相变蓄能式地板辐射采暖系统仅能在冬季进行工作，其余时间均停机，增加维护费用同时还因建筑另需其它制冷设备满足供冷需求，增加了暖通系统建造成本。为了实现冷热一体化，本文构建了一种双层相变蓄能辐射地板空调末端系统，该系统的相变层由蓄冷层和蓄热层构成，可在供冷和供暖两种工况下工作。本文通过实验对两种工况下的传热特性进行了研究，探索了两个相变层的最优组合方案。

1 相变辐射地板系统构建

双层相变蓄能式地板辐射供冷/供暖末端系统的地板结构从上到下分别为地板层、找平层、蓄热相变材料层、蓄冷相变材料层、反射膜、保温层以及楼板层，如图1所示。将蓄热层毛细管网铺设在蓄热相变材料层中，并将蓄冷层毛细管网铺设在蓄冷相变材料层中，蓄热层毛细管网和蓄冷层毛细管网分别浸润在蓄热相变材料和蓄冷相变材料中。反射膜使用铝箔或其它高反射率材料，起到反射以及阻隔辐射热量的作用，并且减小相变材料层与保温层之间的换热。保温层中为导热率低、密度小的保温材料，以减少相变材料层与楼板层之间的热量 交换。

系统中地板各层的热物理性质见表1。

表1 地板各结构层热物理性质

由于固-固相变材料目前的发展并不完善，因此本系统试验中选用固-液相变材料。又因为固-液相变材料中的无机相变材料可能存在过冷或相分离现象，因此本系统试验中选用固-液相变材料中的有机脂肪酸类相变材料，均由北京某相变材料生产商供应，蓄热相变材料型号为MG35，蓄冷相变材料型号为MG19，其主要物性参数见表2。

表2 相变蓄能材料的物性参数

2 实验方案

为了研究该地板相变层在蓄热过程与放热过程的性能，了解相变层对其它结构层的影响，获得系统蓄热和放热的特性，并探索两个相变层的最优组合方案，本文搭建了一套两间小尺寸的模拟测试箱体并建立实验实测系统测量了不同层的温度在冬夏两种工况下，蓄能和释能过程中随时间的变化情况。其中，系统A蓄冷相变层在上、系统B蓄热相变层在上，其余结构层均相同。

试验系统中在蓄热层内部、蓄冷层内部、蓄热层上部玻璃板底面（替代测试蓄热层上表面温度）、蓄冷层上部玻璃板底面（替代测试蓄冷层上表面温度）、混凝土上表面、地板表面分别设置了2个热电偶进行温度监测。考虑到供水温度及流量调节的便利性，系统试验中采用恒温水浴取代热泵机组为双层相变蓄能辐射供冷暖空调系统提供运行所需的冷水和热水，试验的测试系统流程如图2所示。冬季供暖工况试验系统流程如下：打开阀门2、3，关闭阀门1、4，开启恒温水浴，将恒温水浴水温调节至设计工况温度，开始试验。夏季制冷工况试验系统流程如下：打开阀门1、4，关闭阀门2、3，开启恒温水浴，将恒温水浴水温调节至设计工况温度，开始试验。

具体实验步骤如下：①调节试验箱体的温度及湿度工况，供暖时将箱内温度维持在8 ℃左右，供冷时则为30 ℃左右；②将恒温水浴的出水流量调节至0.12 m3/h，供暖水温设定为45 ℃，供冷时为15 ℃；③打开水泵开始蓄能，蓄能过程中通过数据采集仪自动测量各温度，时间步长为10 min，持续时间8 h；④关闭水泵和恒温水浴，开始释能，放热过程中通过数据采集仪自动测量两个箱体中系统各层的温度，测量间隔为10 min，持续时间16 h。

3 实验结果

3.1 供暖工况

3.1.1 各结构层温度变化

如图3所示为不同结构的地板在蓄热过程中，各层温度随时间的变化，随着蓄热的不断进行，各层温度出现不同程度的增长。如图3(a)，对于试验箱体A，由于其蓄冷层在蓄热层和找平层之间，因此其蓄冷层在受到蓄热层加热的同时还会向找平层释放热量；而B中的蓄冷层位于蓄热层和保温层中间，受热时不需要对外释放热量。因此试验箱体B中系统蓄冷层的温度在相同供水温度的作用下会高于A中蓄冷层的温度。虽然A中蓄冷层的温度更低，但A、B两者相差并不大，在8 h蓄热时间结束后也只相差2 ℃左右。类似地，蓄热过程中[图3(b)]，由于A的蓄热层只需向蓄冷层释放热量；而B中蓄热层还会向找平层放热，从而造成了其温度略低于试验箱体A的蓄热层。

在系统的整个蓄热过程中，由于B的找平层直接受蓄热层的加热，其温度则从7.5 ℃升高到 28.5 ℃，而由于蓄冷层热惯性作用，A中找平层温度上升出现延迟，温度变化则为7.5～13 ℃。类似地，A、B两系统中的地板层温升与找平层中规律一致，温度变化分别为7.5～12.5 ℃和7.5～24.5 ℃。

放热过程各层温度变化则如图4所示，放热过程中试验箱体A中的蓄冷层温度要高于B，两者均存在峰值，且A中蓄冷层温度峰值比B迟出现约 2 h。A中蓄热层的热量全部被用来加热蓄冷层，而B中蓄热层的热量同时用于加热找平层和蓄冷层，因此B的蓄热层温降快，且其蓄冷层温度在放热过程中会低于A的蓄冷层。

由于蓄冷相变材料层热惯性的作用，试验箱体A中找平层在释热过程中温度仍保持上升直至18 h左右，而B的蓄热层虽不断放出热量，但仍小于找平层传给地板层的热量，使得找平层温度不断下降。地板层的热量主要源于找平层，因此A、B两地板层温度变化趋势与找平层基本一致。

总的来说，对于该双层相变蓄能辐射地板系统，蓄热过程中，蓄冷层与蓄热层的相对位置对相变层的温度影响并不是很明显，而对找平层和地板层影响较大；放热过程中，两种结构温度变化范围差异均较大，且因热惰性，找平层和地板层温度变化趋势不同。供暖模式下，A中地板层温升较快，将会导致室内温度快速升高并可能引起用户的不舒适。虽然B中地板层温升较少，但可以通过提高供水温度，达到更好、更稳定、更舒适的供热效果。

3.1.2 相变地板对空间的影响

图5(a)所示为供水温度45 ℃下试验箱体A和试验箱体B的蓄热过程中空间温度随双层相变蓄能辐射供冷暖空调系统运行的变化。从图中可以看出，系统蓄热过程中两个箱体的空间温度均随着系统的运行而升高，且试验箱体B的空间温度的升高速率高于A。经过8 h蓄热，A的空间温度由7 ℃升至13 ℃；而B的空间温度则由7 ℃升至19 ℃。如图5(b)所示，在系统的放热过程中，试验箱体A和B的空间温度均不断降低，且B的温度降低速率较快。在整个放热过程中，试验箱体B的空间温度从19.5 ℃降低到了13.5 ℃，而试验箱体A的空间温度则从13.5 ℃降低到了12.5 ℃。

尽管从温度变化速率来看，试验箱体A空间温度的稳定性远高于B，但其空间温度始终不超过 14 ℃，不能较好地满足用户的热舒适性需求。这是由于系统B中蓄热层在蓄冷层上方，与A相比少了蓄冷层所带来的热阻，从而提高了与箱体空气间的传热效果。

而在放热阶段，一方面，由于试验箱体B的空间温度初始值较高，因此B向外散热更快；另一方面，试验箱体A在蓄热层与箱体空间之间多了一层蓄冷层，因此A的蓄热层与箱体空间之间的传热会延迟很多，从而导致了在放热过程初始阶段，蓄热层与箱体空间之间仍存在着较大的温差，进而延长了蓄热层对箱体空间的加热时间。

因此从整个蓄热放热过程来看，B系统具有更好的蓄热效率和放热特性，能保证室内温度处于相对较高水平。

3.2 供冷工况

3.2.1 各结构层温度变化

供冷工况下，蓄冷过程中各层温度随时间的变化如图6所示，各层温度出现不同程度下降。其中，由于试验箱体A的蓄热层位于蓄冷层和保温层之间，且蓄热层具有较大蓄热能力，因此A的温降速度更快。两个箱体的蓄冷层在冷水的循环作用下不断降温，表现出了较为一致的温度变化特性，蓄冷结束时均降至与循环冷水相近的温度。

在系统的整个蓄冷过程中，试验箱体B的找平层温度变化仅约1 ℃，对比可发现蓄热层位的位置大大延迟了找平层的温降。类似地，地板层的冷量均来源于找平层，其温度变化与找平层一致。

在系统蓄冷过程中，蓄冷层与蓄热层以及找平层的温差大，但找平层与地板层之间的温度差异却很小。为了提高系统传递冷量的能力，需要降低蓄冷相变材料层与找平层之间的传热热阻。

图6 不同结构的地板在蓄冷过程中各层温度随时间 的变化

释冷过程中各层温度随时间的变化如图7所示。B中蓄热相变材料层温度稳定在21～22 ℃，几乎没有变化，而A中蓄热层温度则是先降低后升高。在整个释冷过程中，B的蓄热层一边受到蓄冷层的冷却，一边受到找平层的加热，在稳定传热的情况下，温度几乎不变。

释冷过程与蓄冷过程相似，由于地板层的冷量均来源于找平层，两者温度变化规律一致。A中找平层和地板层温度均先降后升，释冷结束时与开始时的温度相差不到0.5 ℃，B的找平层和地板层温度则逐渐下降。

在试验箱体A系统释冷的后阶段，当蓄冷层不断将冷量传递到找平层中，使得蓄冷层的温度高于蓄热层后，储存在蓄热层中的冷量便开始不断的释放到蓄冷层中，使得A在系统蓄冷阶段储存的总冷量多于试验箱体B。

3.2.2 相变地板对空间的影响

如图8(a)所示，系统蓄冷过程中两箱体的空间温度均随着系统的运行而降低，且试验箱体A的空间温度的降低速率较快。经过8 h蓄冷，试验箱体A的空间温度由29 ℃降低到25 ℃；而B的空间温度则由28.5 ℃降低到26 ℃。由此说明，虽然试验箱体B中蓄冷层和空气之间的传热与试验箱体A相比多了蓄热层的热阻，但两者相差不大。如图8(b)所示，释冷过程中，试验箱体A和B的温度均有所波动，但都稳定在24～26 ℃内，其中B的空间温度略高于A，两者之间的温差在系统释冷的终了阶段几乎可以忽略不计。虽然试验箱体B中蓄冷层与箱体空气之间的换热多了蓄热层的热阻，但A、B试验箱体空间温度均可以满足用户的用冷需求。

4 结 论

本文针对两种结构的相变地板在供暖和供冷工况下工作时，蓄能和释能特性进行了研究，为系统的实际应用建立了试验基础，主要结论如下。

（1）通过双层蓄能材料的使用，该相变地板系统可用于供热和供冷两种工况。

（2）两种结构模式下，不同结构层在蓄能过程中温度变化特性均相近，由于热阻不同，使得释能过程温度变化特性出现较大区别。

（3）两个试验箱体的系统虽然结构有所不同，但蓄冷层的蓄冷能力是很相近的。对比两种结构在供暖和供冷两种工况下试验箱体空间温度的变化程度，结构的变化对供暖影响较大，而对供冷影响 不大；

（4）综合供冷供暖两种工况，从系统冷量和热量的传递结果考虑，蓄热层在上、蓄冷层在下的结构传热性能更优，并可缓解地板温度下降过快带来的热舒适性差及结露问题。

符 号 说 明

下角标 cold——蓄冷相变层 thermal——蓄热相变层 leveling——找平层 floor——地板层

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An experimental study on a radiant floor system with double-layered phase change materials

1,2,1

(1School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, China;2Institute of Energy and Mechanical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210000, Jiangsu, China)

This paper reports a newly proposed phase change material based radiant floor system. The system consists of two phase change material layers with one for cold storage for space cooling and the other for heat storage for space heating. The phase change temperatures of the two materials are respectively 18 ℃ and 34 ℃. Two designs of the floor systems, A and B, were studied. The Design A had the cold storage layer placed on top of the heat storage layer; whereas the Design B placed the heat storage material on top of the cold. An experimental system was used to compare the two designs, which used a flow of water (120 L/h flowrate) with inlet temperatures of 45 ℃ and 15 ℃ for heating and cooling respectively. The results showed that the designs had a great influence on the indoor air temperature under the heating operations but exerted very little influence on the indoor air temperature under the cooling operations. This implied that the Design B had a better heat transfer performance than the Design A.

phase change material; floor radiant; numerical simulation; energy storage and release; experimental study

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0075

TU 83

A

2095-4239（2017）04-730-09

2017-05-25；

2017-06-20。

国家自然科学基金项目（2020619）。

张舒阳（1992—），女，博士研究生，研究方向为新型空调系统，E-mail：zhangsy.seu@gmail.com；

张小松，教授，研究方向为新型制冷技术、高效空调系统与热泵技术、建筑节能，E-mail：rache@163.com。