輻射電加熱相變蓄熱地板采暖模型及其熱性能模擬摘要：為了清除電采暖引起的電網(wǎng)峰谷差井降低采暖運行費用，本文提出了一種帶有相變材料潛熱貯能板的地板電采暖系統(tǒng)，并建立了分析此系統(tǒng)熱性能的地板和房間理論模型，對給定的電加熱相變蓄熱地板采暖房間，用數(shù)值方法模擬了室內(nèi)空氣溫度和地面溫度的變化，藉此分析了我國四個不同氣候地區(qū)（北京、上海、大連、哈爾濱）冬季該系統(tǒng)的應(yīng)用效果，結(jié)果證明此采暖方式在使房間熱負(fù)荷較小的建筑和氣候條件下，基本能滿足人的熱舒適性有較好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵字：相變材料蓄熱電采暖地板采暖長期以來，我國北方城市冬季采暖以燃煤為主，造成了市區(qū)嚴(yán)重污染。一些城市開始實行以天然氣、電力等清潔能源代替燃煤礦的環(huán)保政策，促進(jìn)了電采暖的發(fā)展。但電采暖加大了電網(wǎng)的峰負(fù)荷，結(jié)合蓄熱才是其正確的應(yīng)用途徑。北京市2002年能源和環(huán)境國際座談會上，北京市長致辭："為了改善大氣環(huán)境質(zhì)量，體現(xiàn)城市現(xiàn)代文明，提高城市效力，承辦好2008年奧運會，市政府已下決心改變北京以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，建立市場化的優(yōu)質(zhì)能源供應(yīng)體系，從而實現(xiàn)社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。電力在能源結(jié)構(gòu)中的比例將由現(xiàn)在的29%增長到42%"。北京市能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整目標(biāo)是："2008年優(yōu)質(zhì)能源在終端能源消費結(jié)構(gòu)中所占比重達(dá)到80%以上"，計劃40億千瓦時用于電采暖替代煤，合理確定峰谷電價，鼓勵蓄能式電暖氣采暖。表1為2001年北京市電采暖試點用戶的電價[1]。北京市電采暖試點用戶電價表1尾用電時間火7窄：漫0坡0徹～靈2食3墓：底00劈2猴3串：紅0屑0符～立7賽：鎮(zhèn)00怎電價（形元嗽/kW·瓦h(yuǎn)本）襖0.393劫0.2電加熱相變蓄熱地板采暖即可充分利用電輸送方便的優(yōu)點，又避開了集中供暖系統(tǒng)的建造和管道維護(hù)等麻煩。地板采暖是一種很舒適的采暖方式，不僅滿足人體"足暖頭寒"的需要，而且人體以上區(qū)域溫度較低，使采暖能耗較小，接近理想的采暖方式[2]，見圖1。（a）對流散熱采暖（b）理想采暖方式（c）地板輻射采暖圖1不同采暖方式溫度分布示意圖國外對蓄熱式地板采暖有了一些研究和應(yīng)用。西班牙的M·Barrio對放在恒溫環(huán)境中的小室做了蓄熱地板電采暖的實驗，用以比較NPG相變材料和混凝土的蓄熱性能[3]。加拿大的A.K.Athienitis研究了用混凝土蓄熱的地板采暖系統(tǒng)在不同室外溫度下的使用效果[4]。G.Bakos在被動式太陽房中應(yīng)用了蓄熱電采暖地板[5]。迄今為止，還沒有對相變蓄地板電采暖在不同氣候下使用效果的研究。本文描述了一種帶有相變材料潛熱同能板的地板電采暖系統(tǒng)，建立了分析此系統(tǒng)熱性能的理論模型，通過數(shù)值模擬，分析了我國不同氣候地區(qū)冬季該系統(tǒng)的應(yīng)用效果，藉此評價了此采暖方式在我國不同氣候地區(qū)應(yīng)用的可行性。1問題描述圖2為應(yīng)用電加熱相變蓄熱地板采暖的房間示意圖，房間面積為4m(W)×6m(L)，高3m，墻壁為粘土磚，外墻厚370mm，內(nèi)墻厚240mm，雙層玻璃鋼窗2m×2m，傳熱系數(shù)3.01W/(K·m2)，換氣次數(shù)1h-1，室內(nèi)設(shè)備、人員、燈光負(fù)荷為15W/m2，內(nèi)墻與上下樓板按絕熱處理。圖2電加熱相變蓄熱地板采暖房間示意圖地板采暖系統(tǒng)自下而上由保溫材料層、電加熱層、相變材料層和覆蓋層組成，圖3為基橫截面示意圖。假設(shè)所用相變材料的相變溫度為30℃，在晚上23：00至7：00蓄存電熱，地板覆蓋層厚2.5cm，地板和墻體材料的熱物性參數(shù)見表2。地板和墻體材料物性參數(shù)表2貞名稱絡(luò)ρ丑（扒kg/m貼3始）魄c斗p恰(kJ/(k阿g囑·杏℃鴉)做Δ鋒H珍m序(沉kJ/kg)劃k(W/m行·潮℃食)銹賽PC委M繭層仆1250般1.0電200爬0.500宇粘土磚牧1800篇0.88厲--圾0.810源地板覆蓋層荒960轎1.0爆--郊0.152數(shù)學(xué)模型（1）地板傳熱模型為突出物理本質(zhì)，合理簡化總是以便于計算，假設(shè)：傳熱只沿地板厚度方向；除相變區(qū)等效比熱外，物性均為常數(shù)；忽略相變材料融化時的自然對流和凝固時的過冷效應(yīng)及相變過程中顯熱影響；保溫層沒有漏熱損失；不考慮電加熱層的熱容和熱阻。此問題為雙層板壁（覆蓋層和相變層）的一維相變傳熱，用焓法求解，整個區(qū)域可用統(tǒng)一形式的控制方程來表示：（1）其中，焓H=cp×t,ρ、cp和k對不同材料取相應(yīng)的物理特性參數(shù)。邊界條件為：葬瘦束丙菌（頁2騎）太賄回耐賓（燥3扁）閱嚼初始條件為忌：閘榆憂溪耕（熊4男）崖笑其中刮，著q喜r熊為覆蓋層上表質(zhì)面受到的輻射蝶能量伙，宋W/m苦2假；胡q遺power縫為相變層下表森面電加熱功率張，佳W/m繩2領(lǐng)，停止加熱時家，械q濕power詠為向0擠；矩h剝?yōu)樯媳砻媾c室挪內(nèi)空氣自然對驟流換熱系數(shù)淹，嫌W都/水（懷m掘2牙·掃℃姿），囑令汗t瞧floor央為室內(nèi)地面溫誕度系，艱t凡in榆為室內(nèi)空氣溫號度，綠則雨h河按下式計算雜[6]獅。澤請（返2漆）房間傳熱模貨型略妹假設(shè)墻內(nèi)部導(dǎo)桑熱只沿墻的厚墾度方向，表面窮傳熱狀況見選圖童4荒，同樣墻按一熱維導(dǎo)熱方程計搏算，表面為對檔流邊界條件。怎根據(jù)實際情況辜，聽h臘in帆按自然對流陣、咸h拌out狐按風(fēng)速根5m模/佛s珠受迫于對流由例下式計算怖[6]青?；⒃罘块g內(nèi)空氣的瞧熱平衡方程為抓：鐮復(fù)鴉槽（略5段）雄倡其中三，哭c憑p,a畜為空氣的比熱陜?nèi)葙J，鎖J野/牲（博kg采·暖℃獄）戶；賭ρ佩V獻(xiàn)為空氣的密度斗，滲kg/m份3廟；械V末g汪為房間容積椅，暖m趙3雀；屑Q化W,K法為房間維護(hù)結(jié)刮構(gòu)各內(nèi)表面和賺室內(nèi)空氣的對愧流換熱熱流愈，猾W寺；腔Q姜S技，萌C只為房間內(nèi)人員晴和設(shè)備的對流折散熱速率游，動W榜；俯Q淡L遭貍空氣滲透或通摟風(fēng)造成的熱量眼傳遞學(xué)，相W遙。限陡方程脊（螺1丹）～招（渣5開）離散后淘用僻Gauss-省Seide砍l煉超松弛迭代法基求解，并對地務(wù)板和墻的網(wǎng)格年劃分進(jìn)行了校晝驗，保證得到槍收斂解。計算僅過程中注意了亦消除初始誤差反的影響呀。辱牧析適揮3趟塑模型計算與使糊用效果分析臂分別在北京、胳上海、大連和姓哈爾濱氣候條錘件下計算上述毯房間模型的室暢內(nèi)氣溫和室內(nèi)粒地面溫度，分匯析評價其在不抽同地區(qū)的使用剃效果。各地室苦外氣象數(shù)據(jù)由錫軟嶄件異Medpha僚V1.貫0扯生成，按不同規(guī)的外墻厚度根門據(jù)文糟獻(xiàn)危[7燃]誕估算上述房間寧冬季供暖設(shè)計霞熱負(fù)荷，以確算定相變材料的迅用量和厚度。構(gòu)室內(nèi)氣溫和室愚內(nèi)地面溫度的粉計算結(jié)果見特圖瑞5材所示?？梢?，踩北京、上海、書大連的冬季室嚴(yán)內(nèi)溫度保持炭在送1鋸6冶～柱2秒5聚℃俱之間，基本滿橫足人的舒適性優(yōu)要求；地面溫豐度不超過先2彎9幕℃瞎，根據(jù)一些國皂家對地板采暖筍地面最高溫度菊的限制（美國棵2勾9墓℃境，法國沾2菌1?！骊?，英國致2杏4吸℃應(yīng)，德國升2湊9到℃赴[8]災(zāi)），是可以接殺受的。哈爾濱獲冬季室外溫度胳很低，房間的域熱負(fù)荷大，因踢此室內(nèi)溫度偏切低畝。衛(wèi)狗圖債5溫洋不同氣候條件戰(zhàn)下電加熱相變嗓蓄熱地板采暖隱系統(tǒng)的使用效權(quán)果龜①據(jù)室內(nèi)地面溫度澤；剝葬②械室內(nèi)氣溫；磚截③邪室外氣溫4結(jié)論勿本文模擬計算紡了一個電加熱素相變蓄熱地板含采暖房間在四豎個不同氣候地抽區(qū)的應(yīng)用效果腐。結(jié)果表明，如在使得房間熱屢負(fù)荷較小的建各筑和氣候條件印下，使用相變稻材料蓄熱的地慶板電采暖方式蹈基本能夠滿足紗人的熱舒適要流求，有較好的塔應(yīng)用前景要。痛參考文獻(xiàn)殿1宰吵鄭淑會，本市炸部分地區(qū)將試歐行電采暖，電鞭價實行優(yōu)暫惠繡[N頭]矛，北京青年報愉，緊2001.1博1.拌4目（姿第虜3呀版碗）際鞏2坡往鄧有源，趙繼載豪，低溫?zé)崴匕遢椛洳膳膛c節(jié)能技腸術(shù)棚[J朋]茂，新型建筑材貼料晚，筆199醫(yī)7悼：某37`38濟(jì)3Barr歇ioM,惕FontJ坡.Lope鞠zKO,漏etal懼.中Floor料radian貍tsyst膠emwit姥hheat蚊stora淚geby謹(jǐn)asoli豐d-soli譜dphas贈etran翠sition泳mater會ial[J古].Sol辯arEne扣rgyMa荷terial扮sand戴Solar逝Cells,圍1992,訓(xùn)27:127真-133.櫻4Athi種enitis握AK,董ChenT仰Y.Ex或perime扔ntala取ndthe程oretic墊alinv顆estiga揀tiono脊ffloo準(zhǔn)rheat圣ingwi企ththe桿rmals蠟torage生[J].土ASHRAE建Trans替,1993雷,99(1)厚:1049-靈1057.帝5Bako版sG.N派ergym排anagem籍entme各thodf秋oraux羨iliary做energ個ysavi瓣ngin餅apass念ive-so佳lar-he罰atedr牌esiden女ceusi姿nglow扶-cost龍off-pe撤akele雹ctrici染ty[J]它.Ener供gyand帳Build李ings,