太陽能相變蓄能通風系統實驗研究

陳士凌,盧 軍,李永財

(1.重慶大學a.三峽庫區生態環境教育部重點實驗室;b.城市建設與環境工程學院,重慶 400045; 2.考文垂大學建筑環境學院,英國考文垂 CV15FB)

太陽能相變蓄能通風系統實驗研究

陳士凌1a,b,盧 軍1a,b,李永財2

(1.重慶大學a.三峽庫區生態環境教育部重點實驗室;b.城市建設與環境工程學院,重慶 400045; 2.考文垂大學建筑環境學院,英國考文垂 CV15FB)

針對太陽能通風的不穩定性和不可控性,提供一種利用太陽能作為熱源,相變蓄熱材料在日間進行蓄熱,夜間利用儲存熱量熱壓通風的新型系統,使建筑物達到理想的通風效果。通過分別對相變溫度為63℃、44℃的相變蓄熱材料進行通風實驗,得到不同相變溫度下系統夜間通風量變化特性。結果表明,采用相變溫度分別為63℃、44℃的相變蓄熱材料棕櫚酸和月桂酸,太陽能通風系統在夜間通風10 h累計通風量分別為806.6 m3、615.4 m3,單位面積水平集熱面通風量分別為53.8m3/h、41m3/h。使用棕櫚酸的通風系統效果要優于使用月桂酸。提出的太陽能通風屋頂結合相變蓄熱系統能有效的強化建筑物夜間自然通風,改善建筑室內熱環境,減少空調用能。

自然通風;建筑節能;太陽能;相變蓄熱

據統計,歐美發達國家建筑能耗占總能耗的42%～47%,中國已達30%[1],且其中現有建筑中高耗能建筑占95%[2],節能減排已成為國家政策。M.Haase研究表明亞熱帶地區的自然通風潛力在18%～29%,在過渡季節可達到80%[3]。太陽能作為一種清潔、免費、潛能巨大的新能源形式越來越受到人們的重視,近年太陽能通風技術的研究成為建筑通風領域的熱點之一[4-8]。

Yu-Min Kim的研究表明,只在晴朗天氣下,夾層圍護結構模型才能起到較好的通風效果,供熱能耗降低14.71%,且集熱面設置在西向比東向能更好的吸收太陽輻射,達到很好的通風效果[9]。Kwang Ho Lee通過模擬表明太陽能煙囪能有效的降低建筑制冷能耗,煙囪高度,太陽輻射吸收率和太陽輻射透射率比空氣層厚度在加強自然通風效果方面作用更顯著[10]。Sompop Punyasompun認為頂部開口的太陽能煙囪模型通風效果好[11]。A K ATH IENITIS進行太陽能通風墻實驗中把16～20.8℃的相變蓄熱材料丁硬脂酸鹽封裝在建筑外圍護結構中,白天室內最高溫度降低4℃,夜間也較好的降低室內溫度[12]。

以上文獻重點在太陽能煙囪強化通風方面進行技術研究,夏熱冬冷地區日間太陽輻射強度大時,可以增強房間通風量;而太陽輻射強度小時或夜間,太陽能煙囪的通風能力卻很低。為了充分利用太陽能資源,實現通風的時間和風量可控,該文對常規太陽能屋頂通風系統結合不同相變蓄熱材料蓄熱進行了實驗研究,得出在不同相變溫度下的夜間通風曲線,分析其性能影響因素,提出了優化的組合方案。

1 實驗原理

導致自然通風的動力是由密度差引起的熱壓和風力所造成的風壓。一般來講,風壓是一個不穩定的因素,它隨著室外風速、風向的變化具有很大的波動;而熱壓是一個較穩定的因素[13]。太陽能通風結合相變蓄熱材料的復合型技術正是熱壓通風技術的一種,熱壓通風一般計算公式為[14]：

式中,△P為孔口兩側的壓力差,Pa;V為空氣通過孔口時的流速,m/s;ρ為空氣的密度,kg/m3;ξ為孔口的局部阻力系數,其值與孔口的構造有關。

2 實驗方案

2.1 實驗臺及儀器

實驗平臺搭建在重慶大學城環實驗樓的平屋頂上。太陽能通風屋頂的集熱面部分如圖1所示。集熱面的尺寸為1 500mm×1 000mm,空氣通道的尺寸為寬1 000 mm×300 mm,進風口的尺寸為400 mm×200 mm,出風口尺寸為1 000 mm×200 mm,進出風口之間的高度差為2 m。

圖1 太陽能通風屋頂平、剖面圖

風管外表面由厚度為10 mm的橡塑保溫材料包裹,以減少熱量散失,水平風管內部如圖2所示放置銅—鏮銅熱電偶進行溫度數據采集。實驗中將相變蓄熱材料填充在鍍鋅鋼板箱中,集熱面為鋼板箱的上表面。鋼板箱內采用0.5 mm厚的鍍鋅鋼板網格,強化蓄熱材料和集熱面之間的換熱。鋼板箱的下方采用30 mm的擠塑板作為保溫層。為避免保溫層在填入蓄熱材料時受到物理傷害,在保溫層上方設置一層木板起保護作用。空氣通道上方采用8mm厚的普通玻璃,兩側是140 mm的水泥磚墻,墻體與玻璃之間用保溫棉密封。實驗所用的主要儀器如表1所示,

表1 實驗儀器一覽表

圖2 空氣通道水平方向熱電偶的布置圖

2.2 相變蓄熱材料的選擇

石蠟和脂肪酸類有機物等有機相變材料屬于中常溫相變材料,符合實驗裝置相變蓄熱溫度的要求。文獻[15]對月桂酸和棕櫚酸進行DSC(Differential Scanning Calorimetry)測試,表明月桂酸開始熔化的溫度為40.70℃,熔化完的溫度為47.14℃,相變點為44.01℃,熔化熱為173.3 kJ/kg;棕櫚酸開始熔化的溫度為57.82℃,熔化完的溫度為66.29℃,相變點為62.98℃,熔化熱為201.9 k J/kg。

2.3 實驗模型

由于進行對比實驗,實驗時間均安排在白天為晴朗、少云的天氣下進行,間歇通風時間從下午18：00到次日凌晨4：00,太陽能屋頂通風系統實驗模型分為2種：

1)模型1：在鋼板箱里儲存相變溫度為63℃的相變蓄熱材料棕櫚酸,夜間間歇通風,實驗日期為9月12日。

2)模型2：在鋼板箱里儲存相變溫度為44℃的相變蓄熱材料月桂酸,夜間間歇通風,實驗日期為9月30日。

3 夜間間歇通風實驗結果分析

3.1 太陽輻射能分析

太陽輻射能為太陽能通風結合相變蓄熱材料組合系統的唯一能量來源,因此在進行對比實驗的時候,記錄9月12日及30日2天全天太陽輻射逐時變化值來進行分析。

圖3和圖4為9月12日及9月30日太陽輻射值及累計值逐時變化對比,可得太陽輻射強度隨時間的推移由弱到強再變弱。實驗中12日、30日2天對應的日累計太陽輻射值分別是12.71 MJ/m2、14.88MJ/m2。太陽輻射強度較大的時段是9：00到16：00,最強的太陽輻射集中在11：00到14：00之間,12日最大值597W/m2出現在12：00,30日最大值556W/m2出現在13：00。

3 9月12日太陽輻射累計值及瞬時值

圖4 9月30日太陽輻射累計值及瞬時值

3.2 通風量分析

太陽能通風屋頂的自然通風量是通過測定通道的平均風速,由式(2)計算出來的[16]。

圖5是太陽能屋頂通風系統在實驗模型1、2下9月12日、30日2天的通風量實測值,9月 12日7：00～18：00時間段內太陽輻射強度平均值 290 W/m2,夜間室外平均風速0.65 m/s;9月30日7：00～18：00時間段內太陽輻射強度平均值345W/m2,夜間室外平均風速0.43m/s,風速不大且受建筑物等遮擋,同時風向均不正對通道進口,可忽略室外風對實驗測試的影響。

圖5 12日及30日自然通風量及差值

由圖5可得,隨著時間推移,通風量越來越少。在凌晨2：00時,實驗模型1通風量降至30 m3/h左右,實驗模型2通風量降至10 m3/h左右,此時的通風時間均為8 h。通風量隨著時間的變化是波動的,并不是一直下降。一方面隨著環境溫度的下降,空氣與集熱面之間的換熱溫差加大,換熱量增加,從而使得熱壓增大;另一方面,室外空氣溫度下降,使得出口處內部與外部空氣的密度差加大,這兩方面均有助于通風量增長。

實驗模型1在12日18：00至20：00時間段內通風量基本保持在190 m3/h,然后出現較大幅度的下降。由圖6可得,在通風開始階段集熱面的溫度較高,與空氣通道中空氣換熱較強,通道內空氣與室外空氣溫差較大,形成較大的密度差,而熱壓與密度差成正比關系,因此這段時間通風量較大。20：00后通風量大幅下降,鋼板箱中上表面的蓄熱材料由于不斷釋放熱量首先發生相變,由液態變成固態,固態的相變材料溫度不能維持在相變溫度而開始逐步下降,導致集熱面溫度下降至39.9℃,此時空氣通道溫度下降為33.4℃,通風量出現急劇下降;由圖7可得,實驗模型2在30日18：00開始通風后,通風量便開始出現下降,并不像棕櫚酸那樣在剛開始通風后的一段時間內通風量基本保持不變,然后才出現較大幅度的下降,與實驗模型1相比,差值最高達80 m3/h。

對比圖6及圖7,月桂酸熱穩定性較差,在較短的時間內鋼板箱中上表面的月桂酸由于不斷釋放熱量發生相變,由液態變成固態,固態的相變材料溫度不能維持在相變溫度開始逐步下降,導致集熱面溫度迅速下降至 34.4℃,空氣通道溫度下降至29.6℃,通道內外溫度差持續減小,熱壓持續減小,‘煙囪效應'持續減弱,導致通風量持續下降。

圖6 12日自然通風量隨溫度的變化

圖7 30日自然通風量隨溫度的變化

從圖8可以得出實驗模型1、2在10 h內的累計通風量分別為806.6 m3、615.4 m3,太陽能通風屋頂單位集熱面面積平均通風量是為53.8 m3/h、41 m3/h。

圖8 12日及30日通風量累計值及單位集熱面平均通風量

4 結 論

通過對2種不同相變溫度的太陽能蓄能通風系統進行實驗研究,得出如下結論：

1)常規太陽能通風系統只能在日間太陽輻射強度較大的時段進行,通風量及通風時間均為不可控制;而室外太陽輻射強度大時,室外空氣溫度也偏高,不適合通風,應控制通風量。太陽能蓄能通風系統可以實現全天穩定或間歇性可控制通風,滿足室內環境的控制要求。

2)夜間通風實驗得到2種不同相變蓄熱材料的通風特性曲線。相變溫度分別為63℃、44℃的相變蓄熱材料棕櫚酸和月桂酸,太陽能通風屋頂在夜間通風平均通風量分別為80.6m3/h、61.5 m3/h。

3)63℃相變材料在蓄熱能力及熱穩定方面要優于44℃相變材料,且在夜間放熱穩定,持續時間長,更適用于太陽能通風組合技術。

4)相變蓄熱材料與太陽能通風相結合的技術適用于夏熱冬冷地區建筑物間歇通風,可有效減少空調用能,為建造超低能耗建筑提供室內熱環境控制措施。

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(編輯 胡英奎)

Experimental Analysis of Solar Energy Combined w ith Phase-change Energy Storage Ventilation System

CHENShi-ling1a,b,LUJun1a,b,LIYong-cai2

(1a.Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region`s Econ-Environment,Ministry of Education;1b.Facu lty of U rban Construction and Environmental Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,P.R.China;2.Department of Built Engineering,Conventry University,Conventry CV 15FB,UK)

Solar Ventilation System is unstable and uncontrollable,so a new technology is proposed to get a system that takes solar energy as heat source and app lies phase changematerial in daytime to store energy which is used to keep ventilation in nighttime by thermal p ressure.This new system is helpfu l to get the ideal ventilation effect for buildings.Through the experiments on ventilation with PCMof 63℃and 44℃, ventilation rate change curve is obtained to analyse ventilation system efficiency.The results indicate that using the PCMof 63℃and 44℃,the total ventilation of the solar ventilation system in 10 hours are respectively 806.6m3and 615.4 m3at night,and the average ventilation per hour and area are 53.8m3/h and 41m3/h.Based on the experiment,w hen PCMis palmitic acid,the ventilation effect is superior than that of lauric acid.To sum up,the system of conventional solar rooftop ventilation system combined w ith phase changem aterials can intensify the nature ventilation effectively in nighttime for buildings,im prove indoor thermal environment and reduce the energy consum ption in air conditioning building.

nature ventilation;building energy conservation;solar energy;phase-change energy storage

TU834.4

A

1674-4764(2011)02-0097-04

2010-09-25

國家科技支撐計劃課題資助(2006BAJ01A05-06-04,2006BAJ02A 02-05)

陳士凌(1987-),男,博士生,主要從事建筑節能和城市熱環境研究,(E-mail)aling19870407@126.com。盧軍(通訊作者),男,教授,博士生導師,(E-mail)lu jun66@vip.sina.com。