陳士凌,盧 軍,李永財(cái)

(1.重慶大學(xué)a.三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,重慶 400045; 2.考文垂大學(xué)建筑環(huán)境學(xué)院,英國(guó)考文垂 CV15FB)

太陽(yáng)能相變蓄能通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

陳士凌1a,b,盧 軍1a,b,李永財(cái)2

(1.重慶大學(xué)a.三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,重慶 400045; 2.考文垂大學(xué)建筑環(huán)境學(xué)院,英國(guó)考文垂 CV15FB)

針對(duì)太陽(yáng)能通風(fēng)的不穩(wěn)定性和不可控性,提供一種利用太陽(yáng)能作為熱源,相變蓄熱材料在日間進(jìn)行蓄熱,夜間利用儲(chǔ)存熱量熱壓通風(fēng)的新型系統(tǒng),使建筑物達(dá)到理想的通風(fēng)效果。通過(guò)分別對(duì)相變溫度為63℃、44℃的相變蓄熱材料進(jìn)行通風(fēng)實(shí)驗(yàn),得到不同相變溫度下系統(tǒng)夜間通風(fēng)量變化特性。結(jié)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(yáng)能通風(fēng)系統(tǒng)在夜間通風(fēng)10 h累計(jì)通風(fēng)量分別為806.6 m3、615.4 m3,單位面積水平集熱面通風(fēng)量分別為53.8m3/h、41m3/h。使用棕櫚酸的通風(fēng)系統(tǒng)效果要優(yōu)于使用月桂酸。提出的太陽(yáng)能通風(fēng)屋頂結(jié)合相變蓄熱系統(tǒng)能有效的強(qiáng)化建筑物夜間自然通風(fēng),改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境,減少空調(diào)用能。

自然通風(fēng);建筑節(jié)能;太陽(yáng)能;相變蓄熱

據(jù)統(tǒng)計(jì),歐美發(fā)達(dá)國(guó)家建筑能耗占總能耗的42%～47%,中國(guó)已達(dá)30%[1],且其中現(xiàn)有建筑中高耗能建筑占95%[2],節(jié)能減排已成為國(guó)家政策。M.Haase研究表明亞熱帶地區(qū)的自然通風(fēng)潛力在18%～29%,在過(guò)渡季節(jié)可達(dá)到80%[3]。太陽(yáng)能作為一種清潔、免費(fèi)、潛能巨大的新能源形式越來(lái)越受到人們的重視,近年太陽(yáng)能通風(fēng)技術(shù)的研究成為建筑通風(fēng)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[4-8]。

Yu-Min Kim的研究表明,只在晴朗天氣下,夾層圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型才能起到較好的通風(fēng)效果,供熱能耗降低14.71%,且集熱面設(shè)置在西向比東向能更好的吸收太陽(yáng)輻射,達(dá)到很好的通風(fēng)效果[9]。Kwang Ho Lee通過(guò)模擬表明太陽(yáng)能煙囪能有效的降低建筑制冷能耗,煙囪高度,太陽(yáng)輻射吸收率和太陽(yáng)輻射透射率比空氣層厚度在加強(qiáng)自然通風(fēng)效果方面作用更顯著[10]。Sompop Punyasompun認(rèn)為頂部開口的太陽(yáng)能煙囪模型通風(fēng)效果好[11]。A K ATH IENITIS進(jìn)行太陽(yáng)能通風(fēng)墻實(shí)驗(yàn)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(hù)結(jié)構(gòu)中,白天室內(nèi)最高溫度降低4℃,夜間也較好的降低室內(nèi)溫度[12]。

以上文獻(xiàn)重點(diǎn)在太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化通風(fēng)方面進(jìn)行技術(shù)研究,夏熱冬冷地區(qū)日間太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大時(shí),可以增強(qiáng)房間通風(fēng)量;而太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小時(shí)或夜間,太陽(yáng)能煙囪的通風(fēng)能力卻很低。為了充分利用太陽(yáng)能資源,實(shí)現(xiàn)通風(fēng)的時(shí)間和風(fēng)量可控,該文對(duì)常規(guī)太陽(yáng)能屋頂通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合不同相變蓄熱材料蓄熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得出在不同相變溫度下的夜間通風(fēng)曲線,分析其性能影響因素,提出了優(yōu)化的組合方案。

1 實(shí)驗(yàn)原理

導(dǎo)致自然通風(fēng)的動(dòng)力是由密度差引起的熱壓和風(fēng)力所造成的風(fēng)壓。一般來(lái)講,風(fēng)壓是一個(gè)不穩(wěn)定的因素,它隨著室外風(fēng)速、風(fēng)向的變化具有很大的波動(dòng);而熱壓是一個(gè)較穩(wěn)定的因素[13]。太陽(yáng)能通風(fēng)結(jié)合相變蓄熱材料的復(fù)合型技術(shù)正是熱壓通風(fēng)技術(shù)的一種,熱壓通風(fēng)一般計(jì)算公式為[14]：

式中,△P為孔口兩側(cè)的壓力差,Pa;V為空氣通過(guò)孔口時(shí)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(shù),其值與孔口的構(gòu)造有關(guān)。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)及儀器

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建在重慶大學(xué)城環(huán)實(shí)驗(yàn)樓的平屋頂上。太陽(yáng)能通風(fēng)屋頂?shù)募療崦娌糠秩鐖D1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(jìn)風(fēng)口的尺寸為400 mm×200 mm,出風(fēng)口尺寸為1 000 mm×200 mm,進(jìn)出風(fēng)口之間的高度差為2 m。

圖1 太陽(yáng)能通風(fēng)屋頂平、剖面圖

風(fēng)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(fēng)管內(nèi)部如圖2所示放置銅—鏮銅熱電偶進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)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(nèi)采用0.5 mm厚的鍍鋅鋼板網(wǎng)格,強(qiáng)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(shí)受到物理傷害,在保溫層上方設(shè)置一層木板起保護(hù)作用?？諝馔ǖ郎戏讲捎?mm厚的普通玻璃,兩側(cè)是140 mm的水泥磚墻,墻體與玻璃之間用保溫棉密封。實(shí)驗(yàn)所用的主要儀器如表1所示,

表1 實(shí)驗(yàn)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(jī)物等有機(jī)相變材料屬于中常溫相變材料,符合實(shí)驗(yàn)裝置相變蓄熱溫度的要求。文獻(xiàn)[15]對(duì)月桂酸和棕櫚酸進(jìn)行DSC(Differential Scanning Calorimetry)測(cè)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(diǎn)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(diǎn)為62.98℃,熔化熱為201.9 k J/kg。

2.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

由于進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)時(shí)間均安排在白天為晴朗、少云的天氣下進(jìn)行,間歇通風(fēng)時(shí)間從下午18：00到次日凌晨4：00,太陽(yáng)能屋頂通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头譃?種：

1)模型1：在鋼板箱里儲(chǔ)存相變溫度為63℃的相變蓄熱材料棕櫚酸,夜間間歇通風(fēng),實(shí)驗(yàn)日期為9月12日。

2)模型2：在鋼板箱里儲(chǔ)存相變溫度為44℃的相變蓄熱材料月桂酸,夜間間歇通風(fēng),實(shí)驗(yàn)日期為9月30日。

3 夜間間歇通風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 太陽(yáng)輻射能分析

太陽(yáng)輻射能為太陽(yáng)能通風(fēng)結(jié)合相變蓄熱材料組合系統(tǒng)的唯一能量來(lái)源,因此在進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)的時(shí)候,記錄9月12日及30日2天全天太陽(yáng)輻射逐時(shí)變化值來(lái)進(jìn)行分析。

圖3和圖4為9月12日及9月30日太陽(yáng)輻射值及累計(jì)值逐時(shí)變化對(duì)比,可得太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的推移由弱到強(qiáng)再變?nèi)?。?shí)驗(yàn)中12日、30日2天對(duì)應(yīng)的日累計(jì)太陽(yáng)輻射值分別是12.71 MJ/m2、14.88MJ/m2。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大的時(shí)段是9：00到16：00,最強(qiáng)的太陽(yáng)輻射集中在11：00到14：00之間,12日最大值597W/m2出現(xiàn)在12：00,30日最大值556W/m2出現(xiàn)在13：00。

3 9月12日太陽(yáng)輻射累計(jì)值及瞬時(shí)值

圖4 9月30日太陽(yáng)輻射累計(jì)值及瞬時(shí)值

3.2 通風(fēng)量分析

太陽(yáng)能通風(fēng)屋頂?shù)淖匀煌L(fēng)量是通過(guò)測(cè)定通道的平均風(fēng)速,由式(2)計(jì)算出來(lái)的[16]。

圖5是太陽(yáng)能屋頂通風(fēng)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、2下9月12日、30日2天的通風(fēng)量實(shí)測(cè)值,9月 12日7：00～18：00時(shí)間段內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度平均值 290 W/m2,夜間室外平均風(fēng)速0.65 m/s;9月30日7：00～18：00時(shí)間段內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度平均值345W/m2,夜間室外平均風(fēng)速0.43m/s,風(fēng)速不大且受建筑物等遮擋,同時(shí)風(fēng)向均不正對(duì)通道進(jìn)口,可忽略室外風(fēng)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的影響。

圖5 12日及30日自然通風(fēng)量及差值

由圖5可得,隨著時(shí)間推移,通風(fēng)量越來(lái)越少。在凌晨2：00時(shí),實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?通風(fēng)量降至30 m3/h左右,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?通風(fēng)量降至10 m3/h左右,此時(shí)的通風(fēng)時(shí)間均為8 h。通風(fēng)量隨著時(shí)間的變化是波動(dòng)的,并不是一直下降。一方面隨著環(huán)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(nèi)部與外部空氣的密度差加大,這兩方面均有助于通風(fēng)量增長(zhǎng)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?在12日18：00至20：00時(shí)間段內(nèi)通風(fēng)量基本保持在190 m3/h,然后出現(xiàn)較大幅度的下降。由圖6可得,在通風(fēng)開始階段集熱面的溫度較高,與空氣通道中空氣換熱較強(qiáng),通道內(nèi)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(guān)系,因此這段時(shí)間通風(fēng)量較大。20：00后通風(fēng)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(fā)生相變,由液態(tài)變成固態(tài),固態(tài)的相變材料溫度不能維持在相變溫度而開始逐步下降,導(dǎo)致集熱面溫度下降至39.9℃,此時(shí)空氣通道溫度下降為33.4℃,通風(fēng)量出現(xiàn)急劇下降;由圖7可得,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?在30日18：00開始通風(fēng)后,通風(fēng)量便開始出現(xiàn)下降,并不像棕櫚酸那樣在剛開始通風(fēng)后的一段時(shí)間內(nèi)通風(fēng)量基本保持不變,然后才出現(xiàn)較大幅度的下降,與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?相比,差值最高達(dá)80 m3/h。

對(duì)比圖6及圖7,月桂酸熱穩(wěn)定性較差,在較短的時(shí)間內(nèi)鋼板箱中上表面的月桂酸由于不斷釋放熱量發(fā)生相變,由液態(tài)變成固態(tài),固態(tài)的相變材料溫度不能維持在相變溫度開始逐步下降,導(dǎo)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(nèi)外溫度差持續(xù)減小,熱壓持續(xù)減小,‘煙囪效應(yīng)'持續(xù)減弱,導(dǎo)致通風(fēng)量持續(xù)下降。

圖6 12日自然通風(fēng)量隨溫度的變化

圖7 30日自然通風(fēng)量隨溫度的變化

從圖8可以得出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、2在10 h內(nèi)的累計(jì)通風(fēng)量分別為806.6 m3、615.4 m3,太陽(yáng)能通風(fēng)屋頂單位集熱面面積平均通風(fēng)量是為53.8 m3/h、41 m3/h。

圖8 12日及30日通風(fēng)量累計(jì)值及單位集熱面平均通風(fēng)量

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)2種不同相變溫度的太陽(yáng)能蓄能通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得出如下結(jié)論：

1)常規(guī)太陽(yáng)能通風(fēng)系統(tǒng)只能在日間太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大的時(shí)段進(jìn)行,通風(fēng)量及通風(fēng)時(shí)間均為不可控制;而室外太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大時(shí),室外空氣溫度也偏高,不適合通風(fēng),應(yīng)控制通風(fēng)量。太陽(yáng)能蓄能通風(fēng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全天穩(wěn)定或間歇性可控制通風(fēng),滿足室內(nèi)環(huán)境的控制要求。

2)夜間通風(fēng)實(shí)驗(yàn)得到2種不同相變蓄熱材料的通風(fēng)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(yáng)能通風(fēng)屋頂在夜間通風(fēng)平均通風(fēng)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(wěn)定方面要優(yōu)于44℃相變材料,且在夜間放熱穩(wěn)定,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),更適用于太陽(yáng)能通風(fēng)組合技術(shù)。

4)相變蓄熱材料與太陽(yáng)能通風(fēng)相結(jié)合的技術(shù)適用于夏熱冬冷地區(qū)建筑物間歇通風(fēng),可有效減少空調(diào)用能,為建造超低能耗建筑提供室內(nèi)熱環(huán)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(guó)家科技支撐計(jì)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(jié)能和城市熱環(huán)境研究,(E-mail)aling19870407@126.com。盧軍(通訊作者),男,教授,博士生導(dǎo)師,(E-mail)lu jun66@vip.sina.com。