搜索【Fluent应用】相变储能地板辐射供暖系统蓄热性能数值模拟
2017-03-09 by:CAE仿真在线 来源:互联网
建筑节能技术的开发与应用已成为当前建筑能源利用领域的热点问题之一。相变材料因其具有储能密度大、热效率高、吸放热过程中材料自身的温度近似为恒定值等优点,在建筑节能领域可起重要作用,对建筑用相变材料的研究与开发已成为相关学科的前沿课题。
加装相变材料的建筑热环境控制问题国内外有较多的学者进行了研究。但这些研究均未采用变物性计算,同时未考虑辐射、对流和导热耦合问题。本文以加装相变储热地板的建筑热环境控制为背景,采用Fluent软件对抽象出的底部加装相变材料的低温热水辐射供暖二维方腔模型进行数值模拟,考虑变物性计算,并包含相变区及导热、固体壁面间辐射与自然对流的耦合换热。主要研究相变材料的相变温度和导热系数对方腔内温度的影响,提出了一种新的地板蓄热结构。
问题的描述和数值模型
1 物理模型
地板辐射供暖系统的工作原理是通过低温热水流经铺设于地板层中的管道以加热填充层中的填充材料,填充材料以导热的方式向地面层传热;地面再以辐射的方式向室内放热,从而达到供暖的目的。辐射供暖地板由供暖埋管和填充材料层构成,如图1所示。供暖管铺设方式采用蛇形,其布置如图2所示。
图1 地板结构示意图
图2 蛇形布管方式
底部加装相变材料的低温热水辐射供暖二维方腔模型如图3所示。考虑到管路沿轴向温度变化小且忽略弯管段与出口处直管的影响,将物理模型简化为二维传热问题,并作如下假设:
1)忽略相变材料熔化时的过冷效应。
2)相变材料各向同性,相变过程的体积变化忽略不计。
3)忽略液相相变材料对流的影响,将传热过程简化为纯导热过程。
4)流动为非稳态二维层流,方腔外空气温度、外界辐射温度均视为常数。
5)分水器给供暖管道供水时,管壁温度视为恒定。
6)忽略从保温层底部导出的热量。
图3 地板辐射供暖系统的物理模型
采用的相变材料为十八烷,其熔点为301.3 K,相变潜热为242 440 J。十八烷其余物性参数均采用变物性参数。供暖管采用PB材料,密度为2 091 kg/m3,比热容为937 J/(kg•K),导热系数为0.39 W/(m•K),厚度为3.5 mm。热水管管径为25 mm,管间距为100 mm,供水温度为333 K,室内设计温度为291.1~295.1 K。
2 数学模型
采用焓法模型,该模型采用比焓和温度同时作为待求参数。用数值方法求解比焓分布时不需要跟踪两相交界面,求得比焓场和温度场后,即可确定相变界面的位置。
1)相变区域
能量方程为
能量方程中
β的定义如下:
2)气体区域
3 边界条件和数值计算方法
系统初始温度设定为295 K,方腔左、右和上壁面均设定为辐射与对流耦合边界条件,而底部采用绝热边界条件。此外,方腔内各壁面之间的辐射换热采用S2S辐射模型(surface to surface模型,适用于封闭方腔内的辐射计算);方腔与地面层的交界面、找平层与填充层交界面均设为耦合边界条件。
数学模型控制方程的离散格式选用QUICK格式,考虑方腔内壁面辐射,压力和速度的耦合采用SIMPLEC算法,计算区域采用均匀网格划分,计算收敛的依据为当前迭代值与前一步长迭代值之差的绝对值小于10-3。由于数值模拟过程考虑了辐射、自然对流及导热的耦合计算,故模型的边界条件和流场较为复杂。因此,松弛因子选取为0.1(压力),0.3(密度),0.3(体积力),0.15(动量),0.2(液相分数),0.15(能量)。
计算结果及其分析
1 相变温度对方腔内热环境的影响
相变材料的相变温度为301.3 K、外部辐射温度为285 K、外界空气温度为275 K、空气表面传热系数为5 W/(m2•K)时,相变材料利用潜热可维持方腔内温度在288.3 K左右。
作为对比,取相变温度295.3,298.3,301.3,304.3,307.3,310.3,313.3,316.3,319.3 K,保持其他参数(如导热系数、黏度、密度等)均不变。不同相变温度对方腔内空气平均温度的影响如图4所示。
图4 不同相变温度对方腔内空气平均温度的影响
对比方腔内空气温度变化曲线可知,虽然相变温度均相差3 K,但相变材料蓄热完毕进入放热阶段后,采用潜热来维持的方腔内温度相差1.1 K左右。虽然本文所采用的分析模型是由加装相变储热结构的建筑抽象而来,但地板层结构仍按GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》进行设计。因此,下文所提出的拟合公式具有一定的参考价值。
根据不同相变温度对室内温度的影响,可得相变温度与方腔内空气平均温度的关系曲线,如图5所示。
图5 相变温度与方腔内空气平均温度的关系曲线
由式(8)可知,在模拟工况下,为采用潜热维持室内温度为293.1 K,所选相变温度应为313.7 K。
拟合公式在不同地区应不同,因为不同地区冬季寒冷程度不同而导致散热量不同,则相变温度所对应的室内温度亦有波动。因此,本文仅是提出选用建筑供暖相变材料的一种思路,对于不同地区、不同月份应选择该地某月平均温度进行研究并作拟合曲线。对此,若将不同工况下的相变温度与方腔内温度曲线关系做成数据库,将便于建筑应用中相变材料的选取。
在选用相变材料时应考虑建筑所处的地理位置。因为地理位置不同将决定最冷月平均温度的差异;根据地理位置不同,再对市场上已有材料进行选取,因地制宜,提高人们生活质量。
2 导热系数对方腔内空气温度的影响
为定量研究相变材料导热系数对方腔内空气温度的影响,在保持其他物性参数不变的情况下,增大相变材料的导热系数为原来的6倍,对比分析混凝土、十八烷、提高6倍导热系数的十八烷在相同加热时间里对蓄热快慢与方腔内温度的影响。
采用Fluent进行模拟时,外部辐射温度取273 K ,空气温度取268 K,空气表面传热系数为10 W/(m2•K)。不同填充层材料对方腔内空气温度的影响如图6所示。
图6 不同填充层材料对方腔内空气温度的影响
由图6可知,提高相变储热结构中相变材料的导热系数可使供暖系统的热惰性减弱,即加快单位时间方腔内空气的温升。对比导热系数为1.74 W/(m•K)的混凝土与导热系数为1.212 W/(m•K)的相变材料,可推断相变材料和混凝土具有相同导热系数的情况下,相变材料为填充层材料的供暖系统将具有热惰性小且蓄热能力强的特点,此时加装相变储热结构可较大程度提升供暖系统的蓄热效果。
不同导热系数相变材料的温度场如图7,8所示,液相分数图见图9,10。
图7 相变材料的温度场(单位:K)
图8 提高导热系数后相变材料的温度场(单位:K)
图9 相变材料的液相分数
图10 提高导热系数后相变材料的液相分数
由图7~10可知,增大导热系数,在相同的加热时间内该相变材料的热扩散速率将更大,吸热量明显大于导热系数小的吸热量。
建筑供暖选用相变材料作为填充层时,所选相变材料的导热系数应尽可能大,以避免方腔内温升慢,从而影响供暖效果。有机相变材料导热系数小,为提升其导热系数可通过向相变材料中掺入铜粉、石墨粉、煤炭粉等改变其自身缺陷。丁剑红等人开展的关于掺杂石墨对定形相变材料导热系数影响的研究显示,向已有定形相变材料中掺入质量分数为20%的石墨,可将相变材料导热系数提高3.21倍。
根据数值模拟的结果,本文提出一种可加快腔内空气温升及能源利用多元化的地板蓄热结构,如图11所示,传统相变蓄热地板结构如图12所示,普通地板供暖结构如图13所示。
图11 新型地板蓄热结构
图12 相变蓄热地板结构
图13 普通地板供暖结构
新型相变蓄热结构增加了混凝土的填充量和电加热器,该结构具有如下优点:在相同蓄热时间内可以较快提升方腔内温度,还可增大建筑的强度。此外,该结构可实现供暖系统的能源利用多元化,即白天利用低温热水锅炉、工业余热或太阳能等进行供暖,而到了夜间电力负荷低谷时间段则采用电加热器加热相变材料,将大量热能蓄积起来,以满足白天大部分时间的供暖要求。这种方式可以减小白天电网负荷,还可利用夜间电价较低的电能对相变材料进行加热以满足白天的供暖需求。
结论
1 增大相变材料的导热系数,在相同的加热时间内该相变材料的热扩散速率将更快,相对而言其蓄热时间缩短,同时吸热量明显大于填充导热系数小的相变材料的地板辐射供暖系统的吸热量。
2 相变温度与方腔内空气平均温度具有一定曲线关系,在本文给定工况下的拟合公式为:Ta=167.318+0.401Tp。
3 新型地板蓄热结构可实现供暖系统的能源利用多元化,在满足供暖要求的同时,有效节约能源。
本文刊登于《暖通空调》2015年第9期,全文可查看杂志或登录网站下载
作者:上海理工大学 朱婷婷 赵明 陈昊 杨茉
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