PCM地板采暖的好处与PCM墙壁在冬天的空间采暖研究外文翻译资料

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应用能源

PCM地板采暖的好处与PCM墙壁在冬天的空间采暖研究

Paul Devaux, Mohammed Mehdi Farid

• 强调 EnergyPlus软件已根据实验数据进行了验证。
• 用PCM地板下加热模拟PCM墙板。
• PCM的使用使能量和成本分别节省了32％和42％。
• PCM地板下加热系统显示出执行峰值负荷转移的巨大潜力。

摘 要：相变材料（PCM）可以结合到各种建筑组件中，以增加其热质量以降低能耗并执行峰值负载转移。 这项工作显示了将PCM结合到墙壁，天花板中以及与使用两种不同类型的PCM的PCM地板下加热系统相结合的好处。 使用地板下加热系统的高熔点PCM可以实现明显的峰值负荷转移，同时在墙壁和天花板中使用较低熔点的PCM可提供建筑物所需的舒适性。 使用EnergyPlus软件对奥克兰大学（新西兰）Tamaki校区建造的两个相同的小屋进行建模。 模拟结果根据从两个办公室大小建筑获得的实验数据进行验证。 分析了十天时间，首次显示了成功的早晚高峰负荷转移，分别节省了32％和42％的能源和成本。

1. 介绍

由于我们都熟悉的气候问题，走向更节能的建筑已经成为当前的重点。 建筑部门是最大的能源消费部门，占全球最终能源消耗的三分之一以上，同时也是二氧化碳（CO\）排放的重要来源。 据估计，2013年，空间供暖和制冷以及热水供暖占全球建筑能耗的近60％[1].

在此背景下，在建筑物中执行热能储存（TES）已成为当务之急。 能量可以主要以两种形式存储：显热和潜热[2]。 传统建筑材料利用显热来存储能量，利用建筑材料的热质量。 但是，在某些地区上，轻型建筑更受欢迎，由于他们的建设和他们的建筑灵活性的容易[3]。 这种建筑物的热质量要低得多，因此室内温度更受室外温度的影响。 在这样的建筑中，需要大量的能量来保持舒适的环境。

通过使用相变材料（PCM）可以有效地储存能量。 PCM在高密度存储下的使用在轻质结构中使用时更为有效[4]。 事实上，它们可以储存比单位体积多5至14倍的显热储存材料，如水，砖石和岩石[5]。 过去几十年来，许多研究人员对其使用进行了评估[1,6–12]。 不同于其他材料，PCM在改变状态时会吸收和释放热量。 这发生在几乎恒定的温度[13,14]，它具有两个主要优点：它使建筑物内的温度水平更加恒定，并且允许PCM应用独立于所采用的加热和冷却系统[15]。 Zhang等人[16] 有总结了PCM的以下影响：（a）缩小电力需求高峰和非高峰负荷之间的差距; （b）将用电量由高峰期调低至非高峰期，以节省手续费; （c）持续使用太阳能，白天储存太阳能，并在夜间释放太阳能，节省能源，提高热舒适度; （d）夏天在夜间储存通风自然冷却，并在白天防止室内温度升高，从而降低空调的制冷负荷。

有两种类型的可用于建筑物的基于PCM的TES系统：主动和被动存储系统。 主动系统需要额外的流体回路来对储罐进行充电和放电。 相反，被动系统不需要这种热交换器从存储器中提取热量或冷量。 存储是建筑围护结构的一部分，以潜热形式存储能量。 PCM可以并入各种建筑组件，例如墙壁[17]，地板[18]，窗户玻璃[19]，使用微观或宏观封装。

Barzin等人以前的工作。[20] 通过比较两个2.63米times;2.64米times;2.64米的小木屋，对地板采暖系统使用PCM的好处进行了实验研究，小屋建于新西兰奥克兰大学玉木校园。 第一间小屋使用普通石膏板完成，第二间使用地板上的PCM板（PCM：石蜡，熔化）范围27-29°C），PCM杜邦板材上称为Energain\墙壁和天花板（PCM：石蜡，熔化范围21.7°C）。

必须指出的是，使用计算机模拟来预测建筑物的热力行为仍然缺乏信心[21]。 此外，关于建筑领域PCM的益处的知识差距需要缩小。 这些重要问题将在本文中讨论。 软件“EnergyPlus”以功能强大且能够处理采用PCM的建筑而闻名。 普通和PCM建筑的EnergyPlus仿真已经得到验证，但没有在地板系统下采用PCM[22]。 本文旨在建立采用PCM地板采暖系统的建筑物的热性能模型，以实施峰值负荷转移的成功策略，并首次显示出节约能源和采暖成本的潜力。 高熔点PCM与地板下加热系统的结合使用可以在使用时实现有效的高峰负荷转移墙壁和天花板中较低熔点的PCM将提供建筑物所需的舒适性。 所开发的模型将根据上述小屋中进行的实验测量进行验证......将引入进一步的新能效和成本节省指标，以评估使用PCM的好处。 这些指标将首次用于通过选择最佳峰值负荷转移时间来优化能源和成本节约。 早上和傍晚的高峰期的最佳位置，这将导致最大的利益将被确定。

1. 方法

本文的第一个目标是致力于验证墙壁，天花板和地板采暖系统中含有PCM的Tamaki小屋的模型，这在以前还没有完成。 第二个目标是调查使用固定供热时间表来控制地板下供暖系统的可能性，以便最大限度节省能源成本。

2.1模型的输入

2.11

建模了两个几乎相同的2.63米times;2.64米times;2.64米的小屋。 第一个是控制小屋，在墙壁，天花板和地板上铺上普通的石膏板。 第二个小屋将PCM与墙壁，天花板和地板结合在一起，如下所述。 Khudhair采用建筑尺寸和材料属性[9] （看到图。1).

在小屋2的地板上，PCM浸渍石膏板（PCMGP）与地板下加热系统（21wt％PCM）结合使用。 下表显示了Barzin报道的地板采暖系统使用的PCM和PCM-石膏板的物理性能[20] （看到表格1). 图2 显示了PCM板的焓图。

内墙和天花板上分布着名为ENERGAIN\的PCM杜邦板材。 它们的性质是由Kuznik和Virgone发表的一篇论文[10]如图所示表2 和图3，除了这个密度是由它的制造商给出的。

图1

表1

表2

2.1.2。 运行时间和天气数据

使用从2013年9月7日至2013年9月16日10天的时间进行模拟。 选择这段时间是因为它可以通过可用的实验测量进行验证。 该验证在本文的第3部分中介绍。

EnergyPlus软件中的另一个输入是描述所有小时室外条件的文件：干球温度，湿度比，露点，直接正常和散射的太阳辐射强度。 EnergyPlus使用的详尽天气数据列表可以在软件文档中找到[23]。 运行期间现场测量干球温度。 从最近的气象站（奥尔巴尼，北海岸）获取湿度比并用于计算露点。 使用现场测得的来自太阳的全球水平辐照度来计算直接正常辐照度和漫反射水平辐照度之间的差异。 这种拆分是使用Solar提出的方法完成的热过程工程[24] （2.10部分，第2章）。 该方法是将散射水平面上小时辐射的分数IDIF/ I与k\（小时清晰度指数，其取决于云量）相关联。

2.1.3。 地板采暖系统和时间表

对于这项工作，为了正确比较小屋，对他们两个实施相同的HVAC（地板下加热系统）。 加热器仅仅是一个电子箔，总功率为725瓦。这种HVAC系统与实验中使用的相同[20] 并已得到验证，如下所示（请参阅图4):

与已发表的实验工作相反[20]，这里的加热系统不受价格基准的时间表控制。 在比较实验期间用于控制供热系统的实时估计电价和这段时间的实际价格时，似乎它们不一样（实际价格可以从网站上找到http://www.emi.ea.govt.nz）。 这可以暂时搁置基于价格的时间表来控制HVAC系统的可能性。

结果，这里使用了另外两种加热控制方法。 首先，为了对本文第三部分的实验数据进行计算机验证，根据测得的温度变化推导出加热计划，以便客户计划与实验计划相距不远。 然后比较预测的室内温度和高峰负荷转移与他们相应的测量值。根据假定电价在早晨和傍晚达到高峰几个小时的情况，在当天定义两个高峰期，本文第4部分创建并使用了第二种加热控制方法。 这个高峰期的长度被选定为4小时。 当价格很高时，室内温度设定在17.8-18.2℃的范围内。 当...的时候价格低，温度设定为19.8-20.2°C。 这些设置 -用来控制加热器。 例如，当价格低时，加热器开启，直到室内温度达到低价格上限（LPU）限制（20.2°C），然后关闭，直到室内温度降至低价格下限（LPL）限制（19.8℃）。电价不用于控制加热器，而是用于计算其成本。 假定10天的时间足以显示一天内不同的电价变化。

图4.地板采暖系统布局

图3. Energain片材焓变化

图5.高峰期的经过测试的位置

这个因素是非常重要的，因为它可以使这项工作表明，尽管电价变化很大，但每天独特的HVAC时间表如何足以执行峰值负荷转移。进一步分析也是为了确定能源消耗，节能，节省成本和高峰负荷转移这两个高峰期的最佳位置。 下图显示了高两个高峰期的三个选定持续时间（请参阅图5).

2.2。 模型的输出

EnergyPlus允许生成许多输出，按分钟计算。 这些输出是：小屋的室内温度，置于地板下加热器顶部的PCM板的温度以及加热器的电功率。电价可在http://www.emi.ea.govt.nz 然后用于计算两个小屋的电力成本。

1. 计算机验证

本文的这一部分介绍（1）使用从奥克兰大学Tamaki校区修建的小屋获得的实验测量验证EnergyPlus软件，以及（2）预测地板采暖系统能耗和峰值负荷转移的模型能力。 将软件的结果与2013年9月7日至2013年9月16日期间的实验工作进行比较。

• 1. 运行期

运行期是根据2013年9月7日至9月16日的实验数据的可用性来选择的。然而，9月10日和9日的数据和9月11日不可靠，因此被排除在外。 第二期9月12日的第一天是太阳辐射低的一天。 作为模拟的第一天，EnergyPlus的热身日将基于这个特定的日子，这将导致能源消耗方面的不准确结果。 这就是为什么9月12日没有包含在分析中的原因。

• 1. 结果比较

下面给出的图表交替模拟结果和实验测量值，并将在下面讨论。 通过仿真结果，PCM地板下的温度“T pcm”（

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