【Fluent應(yīng)用】相變儲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)域的熱點問題之一。相變材料因其具有儲能密度大、熱效率高、吸放熱過程中材料自身的溫度近似為恒定值等優(yōu)點,在建筑節(jié)能領(lǐng)域可起重要作用,對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)境控制問題國內(nèi)外有較多的學(xué)者進行了研究。但這些研究均未采用變物性計算,同時未考慮輻射、對流和導(dǎo)熱耦合問題。本文以加裝相變儲熱地板的建筑熱環(huán)境控制為背景,采用Fluent軟件對抽象出的底部加裝相變材料的低溫?zé)崴椛涔┡S方腔模型進行數(shù)值模擬,考慮變物性計算,并包含相變區(qū)及導(dǎo)熱、固體壁面間輻射與自然對流的耦合換熱。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。考慮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,將物理模型簡化為二維傳熱問題,并作如下假設(shè):
  1)忽略相變材料熔化時的過冷效應(yīng)。
  2)相變材料各向同性,相變過程的體積變化忽略不計。
  3)忽略液相相變材料對流的影響,將傳熱過程簡化為純導(dǎo)熱過程。
  4)流動為非穩(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,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作為待求參數(shù)。用數(shù)值方法求解比焓分布時不需要跟蹤兩相交界面,求得比焓場和溫度場后,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,計算區(qū)域采用均勻網(wǎng)格劃分,計算收斂的依據(jù)為當(dāng)前迭代值與前一步長迭代值之差的絕對值小于10-3。由于數(shù)值模擬過程考慮了輻射、自然對流及導(dǎo)熱的耦合計算,故模型的邊界條件和流場較為復(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(動量),0.2(液相分?jǐn)?shù)),0.15(能量)。

  計算結(jié)果及其分析
  1 相變溫度對方腔內(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,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 不同相變溫度對方腔內(nèi)空氣平均溫度的影響

  對比方腔內(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入放熱階段后,采用潛熱來維持的方腔內(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熱結(jié)構(gòu)的建筑抽象而來,但地板層結(jié)構(gòu)仍按GB 50176—93《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》進行設(shè)計。因此,下文所提出的擬合公式具有一定的參考價值。
  根據(jù)不同相變溫度對室內(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,因為不同地區(qū)冬季寒冷程度不同而導(dǎo)致散熱量不同,則相變溫度所對應(yīng)的室內(nèi)溫度亦有波動。因此,本文僅是提出選用建筑供暖相變材料的一種思路,對于不同地區(qū)、不同月份應(yīng)選擇該地某月平均溫度進行研究并作擬合曲線。對此,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,將便于建筑應(yīng)用中相變材料的選取。
  在選用相變材料時應(yīng)考慮建筑所處的地理位置。因為地理位置不同將決定最冷月平均溫度的差異;根據(jù)地理位置不同,再對市場上已有材料進行選取,因地制宜,提高人們生活質(zhì)量。

  2 導(dǎo)熱系數(shù)對方腔內(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)為原來的6倍,對比分析混凝土、十八烷、提高6倍導(dǎo)熱系數(shù)的十八烷在相同加熱時間里對蓄熱快慢與方腔內(nèi)溫度的影響。
  采用Fluent進行模擬時,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 不同填充層材料對方腔內(nèi)空氣溫度的影響

  由圖6可知,提高相變儲熱結(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,即加快單位時間方腔內(nèi)空氣的溫升。對比導(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的特點,此時加裝相變儲熱結(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(單位:K)

圖8 提高導(dǎo)熱系數(shù)后相變材料的溫度場(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),在相同的加熱時間內(nèi)該相變材料的熱擴散速率將更大,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,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。有機相變材料導(dǎo)熱系數(shù)小,為提升其導(dǎo)熱系數(shù)可通過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:在相同蓄熱時間內(nèi)可以較快提升方腔內(nèi)溫度,還可增大建筑的強度。此外,該結(jié)構(gòu)可實現(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)余熱或太陽能等進行供暖,而到了夜間電力負荷低谷時間段則采用電加熱器加熱相變材料,將大量熱能蓄積起來,以滿足白天大部分時間的供暖要求。這種方式可以減小白天電網(wǎng)負荷,還可利用夜間電價較低的電能對相變材料進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),在相同的加熱時間內(nèi)該相變材料的熱擴散速率將更快,相對而言其蓄熱時間縮短,同時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,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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