新研发的相变材料,有望成为新一代的建筑材料!

   电子分析员        

科学家研制了相变材料(PCM)增强通风窗系统,并对其节能潜力进行了研究。本文进一步开发了通风控制策略,以提高PCM蓄能系统的节能潜力。首先,基于纽约一家可持续低能耗住宅的EnergyPlus模型,研究了通风风量对PCM蓄能节能潜力的影响。结果表明,夏季优化通风风量为300m3 /h。使用带有PCM储能的通风窗与使用独立通风窗相比,节能率为10.1%,与使用标准通风窗相比,节能率为12.0%。冬季优化通风风量为102 m3/h。使用装有PCM储能装置的通风窗,比使用独立通风窗节省26.6%的能源,比使用标准通风窗节省32.8%的能源。在优化通风风量的基础上,提出了一种需求控制通风策略,即根据各房间的需求对送风和热泵进行个性化设置,并对其节能潜力进行了考察。结果表明,采用需求控制的住宅夏季节能为14.7%,冬季节能为30.4%。


相关论文以题为“Demand Control Strategies of a PCM Enhanced Ventilation System for Residential Buildings”发表在《Applied Sciences》上。


新研发的相变材料,有望成为新一代的建筑材料!


为了减少建筑部门的高能耗,特别是空间供热/制冷方面的高能耗,新建筑和现有建筑都必须采用可再生能源和高能效建筑设备。太阳能等可再生能源通常是间歇性能源,对室外天气条件的依赖性很大,这使得热能存储(TES)在实施过程中更加重要。


相变材料(PCM)作为建筑应用TES的研究越来越受到人们的关注。PCM集成到建筑结构中,如楼层、屋顶、天花板、墙体、窗户中,对建筑节能效果显著。它在建筑节能方面也被证明是有效的,并有助于建筑通风系统的能源灵活性,如冷却机组和双表皮立面。


由Liu等人开发的通风窗(VW)在夏季对建筑空间的降温效果不佳,在冬季对建筑空间的供暖效果不佳。Hu等人研制并测试了pcm增强通风窗(PCMVW)[,如图1所示。它包括在通风窗(VW)下的PCM热交换器。PCM储能和换热器是由木质框架和玻璃表面的平行PCM板构成。VW的外面板是双层玻璃,内面板是单层玻璃,形成一个通风腔,让气流通过窗口。与带风扇通风的VW和标准窗(SW)相比,PCMVW通过对通风空气进行预处理,如在夏季对通风空气进行预冷,在冬季对通风空气进行预热,从而降低了房间空调能耗需求。


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图1.pcm增强通风窗示意图。


Diaconu研究了不同居住模式和通风策略对pcm增强墙体系统建筑节能潜力的影响,发现与暖通空调设点直接相关的居住模式对节能潜力有较大影响。然而,这些居住模式都是基于建筑是一个具有单一功能的热区的假设,通风策略非常简单,在通风策略中没有相应地考虑到房间的需求。


本研究是在前人研究成果和研究局限的基础上进行的一项持续的工作。本文以一栋按照德国被动式住宅标准建造的低能耗住宅为例,提出并研究了不同的通风控制策略。这栋房子位于美国纽约。它包括不同的通风风量对PCM蓄能节能潜力的影响以及需求控制策略。首先,将采用PCMVW的住宅与采用VW和SW的住宅在不同通风风量下的夏、冬能耗进行对比;然后将采用PCMVW的住宅在恒定通风风量下的能量需求与需求控制通风策略下的能量需求进行比较。


系统描述


Energyplus对位于纽约的单层低能耗家庭住宅进行了研究和建模。该住宅项目旨在通过采用pcm增强通风窗和需求控制通风策略,降低建筑材料的内在碳足迹,在低能耗的情况下达到高室内环境质量和热舒适性。房屋使用可持续的稻草板墙和无热桥基础建造。结构的热性能如表1所示。


表1.结构的热特性。


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该住宅使用PCM储能系统用于通风、预冷/供暖,以节约建筑能源。每间卧室均设有PCM增强通风窗(PCMVW)。客厅安装了一个PCMVW和两个PCM储能立面。由于房间对能源的高需求,PCM立面为房间增加了额外的储热空间。图2显示了PCMVW和PCM面板的位置。


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图2.房间ID和PCM通风窗(PCMVW)和PCM立面位置。


PCMVW和PCM facade的工作原理如下:


在夏季,PCM储能作为一个冷却单元,在白天为室内环境提供较冷的空气。PCMVW在夏季的工作原理如图3所示,其中包括三种通风模式:


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图3.介绍了PCM通风窗在夏季的工作原理。(a) PCM放电方式,当(时<7)或(小时>20:00)。(b)通风预冷模式,当Tindoor>24°C。(c)加热方式,当锡门<24°C。


1.PCM储能放电模式(图3a),运行于夜间,能量由室外冷空气排出,去除前一运行模式PCM中储存的热量。


2.通风预冷模式(图3b),白天运行,此时室内空气温度较高,需要通风预冷。较热的环境空气通过较冷的PCM蓄能器通风后再供应室内;同时,通过自然通风的室外气流通过大众,聚集在窗腔内的热量被移除。


3.热模式(图3c),室内过冷时运行。在这种模式下,用于通风的室外空气通过VW供应,通过窗腔加热。


PCM储能立面的工作原理与PCMVW类似。PCM facade的工作原理如图4所示。包括三种通风方式:


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图4. 夏季PCM外墙的工作原理。(a)PCM放电模式,当(小时<7)或(小时> 20:00)时。(b)通风预冷模式,当室内温度T > 24°C时。(c)当室内温度T <24°C时,绕过通风。


Energyplus模型对相变材料采用了导热有限差分(CondFD)热平衡算法,与CTF算法相比,该算法允许更短的时间步长和更多变的热特性。


该住宅配有一个包装好的终端热泵。热泵加热盘管的平均COP为2.87,冷却盘管的平均COP为1.87。供风机总效率为0.7。图5显示了热泵系统的示意图。


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图5.热泵系统示意图。


室内温度设置点夏季为22℃,冬季为26℃。模拟使用了典型气象年的纽约气象资料。图6显示了全年室外空气干球温度和太阳辐射。


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图6.模拟的天气条件。(a)室外空气干球温度;(b)太阳辐射。


结论


在以往的工程中,经证实,pcm增强通风窗在夏季和冬季均能有效地节约通风能源。本文以纽约某可持续低能耗住宅的EnergyPlus模型为基础,研究了通风风量对PCM节能潜力的影响。在优化通风风量的基础上,提出了需求控制通风策略,并对其节能潜力进行了分析。


研究人员通过对通风窗和外立面PCM储能系统与独立通风窗(VW)和标准窗(SW)系统的比较,研究了风量对PCM储能潜力的影响。主要结论有:


1.PCM蓄能住宅的热泵电耗分析大众& lt;SW既适用于夏季夜间降温,也适用于冬季太阳能存储。


2.夏季,增加通风风量可降低房屋耗电量;气流速率的增加增加了PCM储能的节能潜力。在通风风量为300 m3/h时,PCM蓄能比VW系统节能10.1%,比SW系统节能12.0%。


3.在冬季,增加通风风量会增加房屋的耗电量。PCM储能在不同风量下的节能潜力是相似的。在通风风量为102 m3/h时,PCM储能系统比VW系统节能26.6%,比SW系统节能32.8%。PCMVW在冬季的节能潜力远大于夏季,这表明了PCM在太阳能存储应用中的巨大潜力。


4.pcm增强型通风窗采用需求控制通风系统,与通风窗和标准窗户系统相比,具有较大的建筑节能潜力,无论是在纽约气候下的夏夜降温应用,还是冬季太阳能存储应用。未来的工作包括在不同气候区域使用pcm增强通风窗的节能潜力,以及系统的生命周期评估。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/12/4336/htm



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