【Fluent應(yīng)用】相變儲(chǔ)能地板輻射供暖系統(tǒng)蓄熱性能數(shù)值模擬

2017-03-09  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

  建筑節(jié)能技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用已成為當(dāng)前建筑能源利用領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。相變材料因其具有儲(chǔ)能密度大、熱效率高、吸放熱過(guò)程中材料自身的溫度近似為恒定值等優(yōu)點(diǎn),在建筑節(jié)能領(lǐng)域可起重要作用,對(duì)建筑用相變材料的研究與開發(fā)已成為相關(guān)學(xué)科的前沿課題。
  加裝相變材料的建筑熱環(huán)境控制問(wèn)題國(guó)內(nèi)外有較多的學(xué)者進(jìn)行了研究。但這些研究均未采用變物性計(jì)算,同時(shí)未考慮輻射、對(duì)流和導(dǎo)熱耦合問(wèn)題。本文以加裝相變儲(chǔ)熱地板的建筑熱環(huán)境控制為背景,采用Fluent軟件對(duì)抽象出的底部加裝相變材料的低溫?zé)崴椛涔┡S方腔模型進(jìn)行數(shù)值模擬,考慮變物性計(jì)算,并包含相變區(qū)及導(dǎo)熱、固體壁面間輻射與自然對(duì)流的耦合換熱。主要研究相變材料的相變溫度和導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)方腔內(nèi)溫度的影響,提出了一種新的地板蓄熱結(jié)構(gòu)。

  問(wèn)題的描述和數(shù)值模型
  1 物理模型 
  地板輻射供暖系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)低溫?zé)崴鹘?jīng)鋪設(shè)于地板層中的管道以加熱填充層中的填充材料,填充材料以導(dǎo)熱的方式向地面層傳熱;地面再以輻射的方式向室內(nèi)放熱,從而達(dá)到供暖的目的。輻射供暖地板由供暖埋管和填充材料層構(gòu)成,如圖1所示。供暖管鋪設(shè)方式采用蛇形,其布置如圖2所示。

圖1 地板結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 蛇形布管方式

  底部加裝相變材料的低溫?zé)崴椛涔┡S方腔模型如圖3所示?？紤]到管路沿軸向溫度變化小且忽略彎管段與出口處直管的影響,將物理模型簡(jiǎn)化為二維傳熱問(wèn)題,并作如下假設(shè):
  1)忽略相變材料熔化時(shí)的過(guò)冷效應(yīng)。
  2)相變材料各向同性,相變過(guò)程的體積變化忽略不計(jì)。
  3)忽略液相相變材料對(duì)流的影響,將傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為純導(dǎo)熱過(guò)程。
  4)流動(dòng)為非穩(wěn)態(tài)二維層流,方腔外空氣溫度、外界輻射溫度均視為常數(shù)。
  5)分水器給供暖管道供水時(shí),管壁溫度視為恒定。
  6)忽略從保溫層底部導(dǎo)出的熱量。

圖3 地板輻射供暖系統(tǒng)的物理模型

  采用的相變材料為十八烷,其熔點(diǎn)為301.3 K,相變潛熱為242 440 J。十八烷其余物性參數(shù)均采用變物性參數(shù)。供暖管采用PB材料,密度為2 091 kg/m3,比熱容為937 J/(kg?K),導(dǎo)熱系數(shù)為0.39 W/(m?K),厚度為3.5 mm。熱水管管徑為25 mm,管間距為100 mm,供水溫度為333 K,室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為291.1~295.1 K。

  2 數(shù)學(xué)模型
  采用焓法模型,該模型采用比焓和溫度同時(shí)作為待求參數(shù)。用數(shù)值方法求解比焓分布時(shí)不需要跟蹤兩相交界面,求得比焓場(chǎng)和溫度場(chǎng)后,即可確定相變界面的位置。
  1)相變區(qū)域
  能量方程為

  能量方程中

  β的定義如下:

  2)氣體區(qū)域

  3 邊界條件和數(shù)值計(jì)算方法
  系統(tǒng)初始溫度設(shè)定為295 K,方腔左、右和上壁面均設(shè)定為輻射與對(duì)流耦合邊界條件,而底部采用絕熱邊界條件。此外,方腔內(nèi)各壁面之間的輻射換熱采用S2S輻射模型(surface to surface模型,適用于封閉方腔內(nèi)的輻射計(jì)算);方腔與地面層的交界面、找平層與填充層交界面均設(shè)為耦合邊界條件。
  數(shù)學(xué)模型控制方程的離散格式選用QUICK格式,考慮方腔內(nèi)壁面輻射,壓力和速度的耦合采用SIMPLEC算法,計(jì)算區(qū)域采用均勻網(wǎng)格劃分,計(jì)算收斂的依據(jù)為當(dāng)前迭代值與前一步長(zhǎng)迭代值之差的絕對(duì)值小于10-3。由于數(shù)值模擬過(guò)程考慮了輻射、自然對(duì)流及導(dǎo)熱的耦合計(jì)算,故模型的邊界條件和流場(chǎng)較為復(fù)雜。因此,松弛因子選取為0.1(壓力),0.3(密度),0.3(體積力),0.15(動(dòng)量),0.2(液相分?jǐn)?shù)),0.15(能量)。

  計(jì)算結(jié)果及其分析
  1 相變溫度對(duì)方腔內(nèi)熱環(huán)境的影響
  相變材料的相變溫度為301.3 K、外部輻射溫度為285 K、外界空氣溫度為275 K、空氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為5 W/(m2?K)時(shí),相變材料利用潛熱可維持方腔內(nèi)溫度在288.3 K左右。
  作為對(duì)比,取相變溫度295.3,298.3,301.3,304.3,307.3,310.3,313.3,316.3,319.3 K,保持其他參數(shù)(如導(dǎo)熱系數(shù)、黏度、密度等)均不變。不同相變溫度對(duì)方腔內(nèi)空氣平均溫度的影響如圖4所示。

圖4 不同相變溫度對(duì)方腔內(nèi)空氣平均溫度的影響

  對(duì)比方腔內(nèi)空氣溫度變化曲線可知,雖然相變溫度均相差3 K,但相變材料蓄熱完畢進(jìn)入放熱階段后,采用潛熱來(lái)維持的方腔內(nèi)溫度相差1.1 K左右。雖然本文所采用的分析模型是由加裝相變儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)的建筑抽象而來(lái),但地板層結(jié)構(gòu)仍按GB 50176—93《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此,下文所提出的擬合公式具有一定的參考價(jià)值。
  根據(jù)不同相變溫度對(duì)室內(nèi)溫度的影響,可得相變溫度與方腔內(nèi)空氣平均溫度的關(guān)系曲線,如圖5所示。

圖5 相變溫度與方腔內(nèi)空氣平均溫度的關(guān)系曲線

  由式(8)可知,在模擬工況下,為采用潛熱維持室內(nèi)溫度為293.1 K,所選相變溫度應(yīng)為313.7 K。
  擬合公式在不同地區(qū)應(yīng)不同,因?yàn)椴煌貐^(qū)冬季寒冷程度不同而導(dǎo)致散熱量不同,則相變溫度所對(duì)應(yīng)的室內(nèi)溫度亦有波動(dòng)。因此,本文僅是提出選用建筑供暖相變材料的一種思路,對(duì)于不同地區(qū)、不同月份應(yīng)選擇該地某月平均溫度進(jìn)行研究并作擬合曲線。對(duì)此,若將不同工況下的相變溫度與方腔內(nèi)溫度曲線關(guān)系做成數(shù)據(jù)庫(kù),將便于建筑應(yīng)用中相變材料的選取。
  在選用相變材料時(shí)應(yīng)考慮建筑所處的地理位置。因?yàn)榈乩砦恢貌煌瑢Q定最冷月平均溫度的差異;根據(jù)地理位置不同,再對(duì)市場(chǎng)上已有材料進(jìn)行選取,因地制宜,提高人們生活質(zhì)量。

  2 導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)方腔內(nèi)空氣溫度的影響
  為定量研究相變材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)方腔內(nèi)空氣溫度的影響,在保持其他物性參數(shù)不變的情況下,增大相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)為原來(lái)的6倍,對(duì)比分析混凝土、十八烷、提高6倍導(dǎo)熱系數(shù)的十八烷在相同加熱時(shí)間里對(duì)蓄熱快慢與方腔內(nèi)溫度的影響。
  采用Fluent進(jìn)行模擬時(shí),外部輻射溫度取273 K ,空氣溫度取268 K,空氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為10 W/(m2?K)。不同填充層材料對(duì)方腔內(nèi)空氣溫度的影響如圖6所示。

圖6 不同填充層材料對(duì)方腔內(nèi)空氣溫度的影響

  由圖6可知,提高相變儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)中相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)可使供暖系統(tǒng)的熱惰性減弱,即加快單位時(shí)間方腔內(nèi)空氣的溫升。對(duì)比導(dǎo)熱系數(shù)為1.74 W/(m?K)的混凝土與導(dǎo)熱系數(shù)為1.212 W/(m?K)的相變材料,可推斷相變材料和混凝土具有相同導(dǎo)熱系數(shù)的情況下,相變材料為填充層材料的供暖系統(tǒng)將具有熱惰性小且蓄熱能力強(qiáng)的特點(diǎn),此時(shí)加裝相變儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)可較大程度提升供暖系統(tǒng)的蓄熱效果。
  不同導(dǎo)熱系數(shù)相變材料的溫度場(chǎng)如圖7,8所示,液相分?jǐn)?shù)圖見圖9,10。

圖7 相變材料的溫度場(chǎng)(單位:K)

圖8 提高導(dǎo)熱系數(shù)后相變材料的溫度場(chǎng)(單位:K)

圖9 相變材料的液相分?jǐn)?shù)

圖10 提高導(dǎo)熱系數(shù)后相變材料的液相分?jǐn)?shù)

  由圖7~10可知,增大導(dǎo)熱系數(shù),在相同的加熱時(shí)間內(nèi)該相變材料的熱擴(kuò)散速率將更大,吸熱量明顯大于導(dǎo)熱系數(shù)小的吸熱量。
  建筑供暖選用相變材料作為填充層時(shí),所選相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)盡可能大,以避免方腔內(nèi)溫升慢,從而影響供暖效果。有機(jī)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)小,為提升其導(dǎo)熱系數(shù)可通過(guò)向相變材料中摻入銅粉、石墨粉、煤炭粉等改變其自身缺陷。丁劍紅等人開展的關(guān)于摻雜石墨對(duì)定形相變材料導(dǎo)熱系數(shù)影響的研究顯示,向已有定形相變材料中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的石墨,可將相變材料導(dǎo)熱系數(shù)提高3.21倍。
  根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果,本文提出一種可加快腔內(nèi)空氣溫升及能源利用多元化的地板蓄熱結(jié)構(gòu),如圖11所示,傳統(tǒng)相變蓄熱地板結(jié)構(gòu)如圖12所示,普通地板供暖結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖11 新型地板蓄熱結(jié)構(gòu)

圖12 相變蓄熱地板結(jié)構(gòu)

圖13 普通地板供暖結(jié)構(gòu)

  新型相變蓄熱結(jié)構(gòu)增加了混凝土的填充量和電加熱器,該結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn):在相同蓄熱時(shí)間內(nèi)可以較快提升方腔內(nèi)溫度,還可增大建筑的強(qiáng)度。此外,該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)供暖系統(tǒng)的能源利用多元化,即白天利用低溫?zé)崴仩t、工業(yè)余熱或太陽(yáng)能等進(jìn)行供暖,而到了夜間電力負(fù)荷低谷時(shí)間段則采用電加熱器加熱相變材料,將大量熱能蓄積起來(lái),以滿足白天大部分時(shí)間的供暖要求。這種方式可以減小白天電網(wǎng)負(fù)荷,還可利用夜間電價(jià)較低的電能對(duì)相變材料進(jìn)行加熱以滿足白天的供暖需求。

  結(jié)論
  1 增大相變材料的導(dǎo)熱系數(shù),在相同的加熱時(shí)間內(nèi)該相變材料的熱擴(kuò)散速率將更快,相對(duì)而言其蓄熱時(shí)間縮短,同時(shí)吸熱量明顯大于填充導(dǎo)熱系數(shù)小的相變材料的地板輻射供暖系統(tǒng)的吸熱量。
  2 相變溫度與方腔內(nèi)空氣平均溫度具有一定曲線關(guān)系,在本文給定工況下的擬合公式為:Ta=167.318+0.401Tp。
  3 新型地板蓄熱結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)供暖系統(tǒng)的能源利用多元化,在滿足供暖要求的同時(shí),有效節(jié)約能源。

本文刊登于《暖通空調(diào)》2015年第9期,全文可查看雜志或登錄網(wǎng)站下載
作者:上海理工大學(xué) 朱婷婷 趙明 陳昊 楊茉

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