相变和化学反应储能在建筑供暖空调领域的应用研究

Applied research of thermal storage in phase change and chemical reaction in the building HVAC field

提要 　　以1997年召开的第7届国际储能会议文献为基础，综述了近年来国际上有关应用研究成果和动态，指出了近期该领域中一些值得研究的问题。 关键词：蓄热 相变 化学反应 应用研究 Abstract 　　Based on the literature of the 7th International Conference on Thermal Energy Storage, Reviews the research progress and trends of latent heat storage and chemical reaction in heating, ventilation and air conditioning, and puts forward some problems needed to be solved in the near future. Keywords：thermal storage，phase change，chemical reaction，applied research

1 引言 　　近年来相变及化学反应储能研究的一个热点是其在建筑领域（包括建筑空调和供暖）的应用。这一方面是由于建筑行业在世界各国都是举足轻重的行业，其技术进步将产生明显的经济效益和社会效益，另一方面是由于人们对环保和节能的日益重视以及昼夜电价分计制产生的经济驱动。1997年日本召开的第7届国际储能会议论文集中的很大一部分文章集中在此领域，国际能源机构即International Energy Agency (IEA)下属项目组ECES (Energy conservation through energy storage)讨论确定的1998年启动历时3年的Annex10（主题是"相变和化学反应储热"）也将相变和化学反应储热在建筑中的应用列为最主要的研究方向，其参加国家为加拿大、芬兰、德国、日本、波兰、瑞典、瑞士、英国和土耳其[2]。 　　相变和化学反应储热在建筑空调和供暖领域的应用研究主要分为3个方面：相变建筑围护结构、供暖储热系统和空调蓄冷系统，由于空调蓄冷系统方面的研究内容很多且自成体系，其研究情况已屡见报道，故在此只介绍相变和化学反应储热在前两方面的应用研究情况。就笔者所知，我国在此领域内的研究刚刚走步，且离实际应用还有相当距离。考虑到该领域的研究面较广，涉及建筑、暖通空调、材料和工程热物理等学科，需要引起我国上述领域研究者的足够关注，才能取得一些实质性成果，并使之真正具有工程应用价值。因此，本文将近年来发达国家在该领域的部分研究工作和研究动态作一简介，以期对我国该领域的研究有所帮助。 2 研究综述 　　2．1 化学反应储热在供暖和空调领域中的应用[3] 　　德国Fisher博士研究了利用沸石储热系统调节热网峰谷负荷的供暖系统。其原理见图1。该系统运行模式及其与建筑及供暖系统的连接方式见图2。 　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 沸石储热系统工作原理图 　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　图2 沸石储能系统运行模式及其与建筑及供暖系统的连接 　　这一系统已在实际建筑中应用，建筑供暖面积为1625m2，热负荷（环境温度-16℃时）为96kW，热源为热网供热系统，采用7000kg沸石，加热功率为130 kW，充热温度为130～180℃，储热密度为180 kWh/m3，系统COP约为1。 　2．2 相变建筑围护结构对微生物热性能的影响 　　2．2．1 蓄热建筑结构对热舒适和空调能耗的影响[4] 　　以往在湿热的环境中人们往往只重视强化通风而忽略围护结构贮能对室内环境的改善作用，所以在建筑物中较多使用轻质结构（lightweight structure）。H· Hirayama等人利用模拟方法研究了建筑物围护结构热容对房间热性能的影响。 　　他们以木结构和混凝土结构分别作为轻质结构和重质结构的代表，模拟分析了空调和供暖系统不同运行模式下采用两种结构的建筑的热特性。空调和供暖系统的运行模式为：①空调或供暖系统江作，渗新风；②空调或供暖系统每天6：00～24：00间歇运行；③空调或供暖系统每天24h连续运行，以保证室内恒定的舒适温度。图3给出了能上能下3种情况下室温曲线。 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 图3 3种情况下重质围护结构和轻质围护结构建筑内的室温曲线 　　　　　　　　注：室温为合成温度（resultant temperature)或运行温度(operative temperature) 　　研究结果表明，重质围护结构有以下优点：可降低室内温度波动，提高舒适度，使建筑供暖或空调不用或少用能；可以减小所需空气处理设备（加热及制冷）的容量，同时可使空调或系统利用夜间廉价电运行，降低空调或供暖系统的运行费用。空调供暖系统的运行策略对重质结构的使用效果有较大影响，此外房间的体积与表面积比、湿度控制及通风情况对使用效果也有一定的影响。 　　重质建筑构件的使用效果受以下因素影响：建筑构件的热容及其放置位置，建筑朝向，建筑保温材料的性能和放置位置，通风情况，气象条件，空调或供暖系统的使用。

　2．2．2 吸收太阳辐射热的相变蓄热地板

^[5]
　　为降低冬季室温的变化幅度，减小供暖能耗，提高建筑物的舒适度，S.Hokoi等人讨论了在地板内安装吸收太阳辐高压的相变蓄热板的使用效果。该工作建立了分析采用相变地板的房间热性能的物理模型，研究了影响房间温度、房间平均温度的因素，分析了墙体和相变材料的储、传热过程，同时提出了确定所用相变材料最佳相变温度的准则。
　　图4为模拟研究考虑的房间情况，图5为日射和外温条件，图6为采用相变地板和普通地板的房间地板和室内温度示意图。
　　模拟研究分析了无蓄热系统和相变材料熔点分别为11℃，13℃，15℃时房间温度和地板温度的逐时变化规律，并分析了通过墙、窗和地板等建筑构件以及通风和辐射等不同传热方式的逐时热流量。分析结果表明：①选择具有合适相变温度的相变材料很重要：相变温度太高，蓄热效果不明显，即白天地板和室温太高，夜间则太低；相变温度太低则相反；②房间的平均温度与地板中是否有相变材料无关，与相变材料的相变温度也无关。模拟分析中，将地板温度视为常数（等于最佳相变温度），则可由定地板温度求得房间温度，这样做大大简化了分析，造成的误差却很小（±0.1 ℃）。
　　　 　　
　　　　　　　　　　　　　图4 房间示意图　　　　　　　　　　　　　　　　　图5 日射和外温条件

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6 地板和室内温度示意图
　　　　　　　　　　　　　1 室温(含相变材料，熔点13℃)　　2 地板温度(含相变材料熔点13℃)
　　　　　　　　　　　　　　　3 室温(不含相变材料)　　4 地板温度(不含相变材料)　　

　　2．2．3 特朗勃墙（Trombe Wall）结合夜间电加热的蓄热系统[6]
　　J·Onishi等人研究了被动式太阳房特朗勃墙（Trombe Wall）结合夜间电加热的蓄热系统的热性能，用CFD模拟了以下4种工况的效果：①电加热器置于特朗勃墙内；②电加热器置于特朗勃墙室内侧；③电加热器置于地板表面；④与工况①相同，但加热温度为40℃。工况①～③的电加热功率为1kW。模拟分析表明，相变蓄能墙不仅能够有效利用太阳能，而且能贮存夜间电加热器加入的热量供次日白天使用；加热器置于墙内比放在墙表面效果要好；工况④效果比工况①略差。

　2．3 相变储热与供暖空调相结合的系统
　　2．3．1工程 相变储能系统与吊顶送风结合^[7]
　　利用吊顶送风，无需安装送风管道，省时省力。若不采用保温吊顶，还可节省建材。结合相变储能，吊顶送风的使用效果会更佳。T.Miura等人利用吊顶送风进行了研究，送风方式有以下4种：①吊顶送风；②准备间用吊顶送风，白天则通过管道向室内送风；③管道送风，吊顶回风；④管道送风，门或墙上百叶回风。空调系统及运行设定温度有3种：①不用相变储能系统，8：00～18：00开空调，空调运行温度设定值为26℃；②用相变储能系统，白天（8：00～18：00）降温，夜间（18：00～0：00）蓄冷，空调运行温度设定值为26℃；③与②相同，但空调运行温度设定值为变量：8：00～18：00为25℃，10：00～13：00为25.5℃，13：00～18：00为26℃。对比研究表明，采用上变储能系统的吊顶送风方式比较经济，室内平均辐射温度低于采用其它3种空调系统及送风方式的相应温度；利用吊顶送风可以减小室温和平均辐射温度差，有利于空调系统的控制；将空调运行和平均辐射击温度差，有利于空调系统的控制；将空调运行温度从一常数改为变量，可以保证热负荷在一天内保持均匀，避免出现峰值负荷。

　　2．3．2 利用楼板蓄热的吊顶空调系统
　　为了减少白天空调电耗，利用建筑结构蓄热是一条有效的途径。典型的方法是在楼板中安装冷、热水管（或电加热器）。M.Udagawa等人^[8]研究了夏季此类系统的使用效果，夜间（23：00～次日7：00），利用空调系统使楼板降温，冷却后的楼板可降低次日午时热负荷。他们对以下4种情况进行了研究：①空调系统仅在白天运行；②24h运行，设定室温为22℃（18：00～次日8：00）；③吊顶送冷风，设定吊顶温度为16℃，供冷时间为23：00～次日7：00；④在楼板中装冷水管，冷水温度为7℃，供冷时间为23：00～次日7：00。研究结果显示：方式③对于降低白天冷负荷最为有效，虽然总负荷与方式②相近，但由于方式③仅用夜间用电，所以比方式②节省运行费。方式①全部用白天高价，室内温度也较高；方式④虽然耗能最少，但总耗能量却最大。
　　Ryu等人^[9]比较了一种天花板、地板蓄热系统与传统空调运行模式的使用效果。系统结构如图7所示。夜间电价低谷时，通向房间的送风阀关闭，空气在天花板空间内循环流动，冷却天花板和地板。白天，送风阀打开，将冷风送到房间。
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图7 利用楼板蓄热的空调系统

　　实验研究了①夜间蓄冷10h（22：00～次日8：00）、②早晨蓄冷3h（5：00～8：00）和③只在办公时间开空调系统3种模式下房间温度和地板温度以及人体热反应预测值PMV逐时变化情况。结果表明，模型①导致清晨室内温度降至22.5℃，房间温度太低；模式②在办公开始时间房间温度骤然降低，但PMV保持在±0.3℃范围内，最稳定；模式②比模式③省电22%。

　　此外，通过模拟程序PSSP模拟分析了以下7种工况下的室内温度和电耗情况：①认间不蓄冷；②蓄冷10h，出口空气温度16℃；③蓄冷10h，出口空气温度12℃；④蓄冷10h，出口空气温度8℃；⑤蓄冷5h，出口空气温度16℃；⑥蓄冷5h，出口空气温度12℃；⑦蓄冷5h，出口空气温度8℃。结果表明：10h蓄冷会导致房间温度过低；5h蓄冷时房间舒适程度相对较高；工况⑤的PMV保持在±0.5内；与传统空调系统相比，工况⑤和工况⑦的能耗分别降低45%和75%，工况⑤，⑥，⑦的运行费用分别降低27%，37%和47%。
　　M.Yamaguchi等人^[10]讨论了带有相变蓄热的房间地板的加热系统，由于在日本夜间电价仅为白天的1/3，因此准备间使用热泵作为热源，并结合相变蓄热地板是比较经济的运行模式。研究的房间条件如下：房间面积40m²，高2.4m，无窗，总传热系数K=1.94W/( m²/℃)，房间热损失1.79kW，室外空气温度为-3℃，室温为23℃。地板由上往下依次为相变材料层、水管和隔热材料，面积26 m²。相变材料：Na₂SO₄·10H₂O，熔点为32℃，凝固点为30℃，贮热密度43.0Wh/kg，总蓄热量28.5kW。采用水-水热泵，夜间运行8h。压缩机功率为2kW，供、回水温度分别为43℃和37℃，流量为15L/min。热泵系统、输配管路和地板的连接如图8所示。
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　图8 热泵系统、输配管路和地板的连接图

　　图9显示了实验结果。结果表明房间温度可保持在20℃左右。
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　图9 实验结果示意图(1月27日17:00至1月28日13:00)

　　2．3．3 楼板储热系统的模糊预测控制^[11]
　　相变蓄热地板，由于其控制简单安全，可望得到广泛应用。在相变蓄热地板，由于其控制简单安全，可望得到广泛应用。在相变蓄热地板的系统控制中，对次日所需热能的预测是很必要的。R.Mizuno等人研究了预测方法，以确定夜间应将蓄热材料加热至多高的温度。他们建立了到达最高控制温度所需时间的预测公式，为保证最高设定温度不致过高或过低，他们用模糊推理法建立了所需热能的预测法，即如果逻辑前提（气候条件、环境温度和室内平均温度差以及两天热负荷之差）变化，就要改变设定的最高温度，文献^[11]列出了28种模糊控制结果。

3 近期值得研究的一些问题
　　通过文献综述并结合自身的科研实践，我们认为以以下问题值得进一步研究：
　　·开发适合在建筑队应用的相变材料；
　　·建立分析相变建筑构件的物理模型，并使之与国际流行建筑热环境模拟软件匹配，在建筑热过程模拟程序中添加考虑相变储能建筑结构的模块，使相变建筑构件使用效果的计算具有通用性和可比性；
　　·研究相变储能构件的使用条件（包括气象条件）及其设计方法；
　　·开展与模拟研究对应的实验研究，以验证/修正模拟研究结果。
　　笔者受知识、水平和视角的局限，以上综述和所提问题难免偏颇，诚望得到批评指正。


参考文献
　　1 张寅平，胡汉平，孔祥冬，等。相变贮能--理论和应用。合肥：中国科学技术大学出版社，1996。
　　2 Fredrik Setterwall. Phase change materials and chemical reactions for thermal energy storage - A proposal for future work. 国际能源机构内部报告。
　　3 S Fischer. Thermochemical energy storage with zeolite 13X. Proc of Workshop IEA Annex 10, Sept, 1997, Stockholm, Sweden.
　　4 Y Hirayama, S Jolly and W J Batty. Investigation of thermal energy storage within building mass in northern Japan through dynamic building and building services simulation. Proc of 7th Inter Conf on Thermal Energy Storage, June, 1997, Sapporo, Japan: 355-360.
　　5 S Hokoi, T Kuroki. Use of phase change material to control indoor thermal enviroment. Proc of 7th Inter Conf on Thermal Energy Storage, June, 1997, Sapporo, Japan: 337-342.

　　6 T Onishi, H Soeda, M Mizuno. Numerical simulation of distributed heat storage system in a residential room with a massive wall. Proc of 7th Inter Conf on Thermal Energy Storage, June, 1997, Sapporo, Japan: 343 - 348.
　　7 T Miura, K Suzuki. Computer analysis of the cooling load in an office building through applied thermal storage by air supply through the ceiling plenum. Proc of 7th Inter Conf on Thermal Energy Storage, June, 1997, Sapporo, Japan: 181-186.
　　8 M Udagawa, N Maki, H Roh, et al. Study on the heat storage type of air-conditioning system using floor slab thermal mass for office building, Proc of 7th Inter Conf on Thermal Energy Storage, June, 1997, Sapporo, Japan: 175-180.
　　9 Y Ryu, et al. A study on environmental characteristics of the air-conditioning system with floor thermal storage. Proc of 7th Inter Conf on Thermal Energy Storage, June, 1997, Sapporo, Japan: 361-366..
　　10 M Yamaguchi, S Sayama, et al. Heat storage with phasechange material for house floor heating. Proc of 7th Inter Conf on Thermal Energy Storage, June, 1997, Sapporo, Japan: 349-353.
　　11 R Mizuno, Y Asana, H Takamura. A study on the fuzzy prediction condtrol of the floor heating system constructed of latent/sensible heat storage materials using off-peak electuricity equipped in an aged facility. Proc of 7th Inter Conf on Thermal Energy Storage, June, 1997, Sapporo, Japan:163-168.