被动式热激活复合墙体热特性实验研究

被动式热激活复合墙体热特性实验研究

建筑的保温隔热技术主要分为“无源”和“源”。在没有源保护的情况下，可以实现建筑的保温隔热，将其分为静态（传统系数固定）和动态（传统系数可变）两种。两相热虹吸回路(two-phasethermosyphonloop,TPTL)作为一种高效低廉的相变传热装置被广泛应用于解决各种复杂情景下的热传输问题，例如太阳能热水系统本文提出了被动式热激活建筑系统概念，设计并搭建了被动式热激活复合墙体实验检测系统，并在冬季模式下通过实验研究了热源温度和充液率对第一类传热边界条件下建筑集成用回路热管运行特性以及复合墙体热特性的影响，为被动式热激活建筑系统的工程设计和应用提供参考．1获取所需冷源图1所示为直接热激活运行模式下(即围护结构内嵌管直接与冷热源连接形成闭环)被动式热激活建筑系统工作原理示意．冬季模式下，围护结构内嵌管可通过地埋换热器或太阳能集热器等直接获取不同品位热源；夏季模式下，围护结构内嵌管可通过放置于屋顶的辐射板或冷却塔等获取所需冷源；此外，系统在冬夏季之间的运行切换则主要借助换向阀实现．以冬季模式为例，图2给出了被动式热激活墙体在4种不同运行情景下的稳态温度和热流变化．正常情景下，围护结构温度通常低于室内设定温度，并依次由室内向室外递减．此时，若通过TPTL向围护结构注入来自低温热源热量(介于室内设定温度和室外环境温度之间，例如16～25℃)，可有效提升围护结构温度并降低建筑负荷，以上即为保温隔热情景．当TPTL冷凝端温度与室内设定温度接近时，嵌管层与室内环境之间的传热温差即可忽略不计，消除了因围护结构传热引起的负荷，以上即为中性情景．当低温热源达到25～35℃时，即可通过TPTL为建筑提供辅助供能，而当热源温度超过35℃时，通过内嵌的TPTL甚至可为室内空间提供直接供暖，以上即为辅助供能情景．2试验设备的设计和评估2.1实验系统参数设定图3为实验系统原理图，系统搭建在天津大学建筑学院建筑技术科学研究所半地下设置的混响室内，由5个主要部分组成，即建筑集成用TPTL系统、热源系统、冷源系统(复合墙体)、工质充注系统和数据记录系统．蒸发器为套管式换热器，由恒温水浴提供低温热水．在混响室空间高度限值条件下设定了蒸发器和冷凝器的高差，最终实验系统中蒸发器出口与冷凝器进口(最高处)高差为2.1m，蒸发器出口与冷凝器出口(最低处)高差为1.5m．上升管、下降管以及热源均采用橡塑保温棉进行保温处理．实验过程中，混响室内温度始终维持在15～20℃．本文以典型240砖墙为例，将冷凝器内嵌入砖墙中间形成被动式热激活复合墙体，如图4所示．表1列出了实验系统各部件的几何参数及说明．为直接获取TPTL内部瞬时温度和压力，蒸发器及冷凝器进出口处均与四通连接，并通过Pt100(上海红仪实业有限公司，精度为±0.1℃)测量温度，通过压力传感器(Danfoss-060G5902，精度为±0.5%)测量压力．此外，TPTL回路其他位置、嵌管层以及热源的温度通过K型热电偶(Omega-TT-K-30，精度为±0.1℃)测量，蒸发器热源侧流量通过涡轮流量计(MIK-LWGY-L/6-C，测量范围为0.06～0.6m2.2定压气充注过程为研究热源温度和充液率对TPTL系统和复合墙体热特性的影响，基于不同应用情景并考虑建筑集成用TPTL的潜在应用拓展确定了实验参数及其范围．热源温度范围为25～65℃(间隔为10℃)，充液率范围为60%～144%(间隔为28%)．这里充液率定义为充注工质体积与蒸发器容积之比．REHVA技术导则7实验开始前，依次打开阀门2、3和4并通过真空泵抽真空，随后关闭阀门4与真空泵，并打开充注罐出口液阀，在电子秤辅助下完成定量充注过程，然后关闭阀门2和3．每次实验结束后整个实验系统静置24h以上．本文中相关参数的不确定度通过Kline-McClinock2.3复合墙体响应特性评价指标热传输效率及响应速度是设计建筑集成用TPTL的关键性能指标，因此采用热阻和启动速度对不同实验条件下墙体内嵌型TPTL进行评价分析．图5为系统的简化传热过程和热阻分布，其中系统总热阻为式中：R式中：t如图5所示，系统总热阻由蒸发器热阻(R式中：t对于被动式热激活复合墙体来说可定义注热热阻(R式中Q实验系统各部分均采取良好保温措施，因此，本文选取启动速度作为评价复合墙体响应特性的指标，该指标考虑了初始温度对启动过程的影响，其表达式为式中：S为启动速度，℃/s;t3结果与分析3.1热源温度与充液率对热阻的影响图6给出了TPTL在4种不同充液率(FR)条件下热阻随热源温度(t从图6中还可看出，当热源温度为35℃时，蒸发器热阻小于传输热阻，但随着热源温度的升高，传输热阻的减少速率明显快于蒸发器热阻，热源温度每增加10℃，传输热阻减少47.8%～64.3%．上述变化表明，热源温度较低时TPTL中蒸汽输出速率相对较低，TPTL驱动力相对不足，使得传输热阻所占比例大于热源温度较高时．实际上，较高的热源温度有利于产生更大的驱动力来克服回路热阻，随着热源温度的升高，蒸汽质量流量显著增加，传输热阻比例逐渐减小至最小值．同时，热源温度相同时，传输热阻随充液率的增加先减小后增大，当充液率为88%时，传输热阻最小，说明此时TPTL内部传热效率较高．考虑到被动式热激活复合墙体冷凝段热阻受嵌管层材料影响，本节进一步利用热源至冷凝器壁的叠加热阻(即注热热阻R3.2热源温度与充液率对启动速度的影响启动特性是TPTL在不同情景应用中的另一重要特性．通常启动时间是指达到相对稳定的传热状态(定义为达到最大传热量率并维持变动范围在5%以内不同充液率和热源温度条件下TPTL的启动速度值如图8所示．可以看出，不同热源温度下TPTL均可以顺利启动，低热源温度下，TPTL启动速度可达0.06℃/s(此时充液率为60%)．随着热源温度的升高，TPTL的启动速度得到迅速提升．同时，在热源温度相同且相对较低时，较低充液率下的启动速度更高，但不同充液率之间的启动速度差值随热源温度的升高而逐渐减小．例如，在热源温度为55℃和65℃时，不同充液率下的启动速度最大差值分别为12.8%和4.7%，明显低于35℃时的48.8%．此外，除65℃外的其他热源温度下，即使回路处于欠充状态，充液率为60%时启动速度最高．这一现象表明，较低的充液率使得蒸发器内部的流动阻力较低，有利于回路的快速启动，而流动阻力的影响随着热源温度的升高而逐渐减弱，因为回路内部的驱动力得到较快的提升．从注热热阻和启动速度两方面均可以看出，所研究的被动式热激活复合墙体在不同运行条件下(蒸发器出口和冷凝器出口高差为1.5m)的最佳充液率并非固定值(在116%附近)．实际应用中可以通过适当降低充液率以获得更高的启动速度，用于被动式热激活复合墙体的保温隔热情景以及中性情景；而对于应用于辅助供能甚至直接墙面供能情景的被动式热激活复合墙体，可以适当提高充液率以获得较低的注热热阻．3.3不同热源温度对复合墙体注热能力的影响对于被动式热激活建筑系统，除了需要探究建筑集成用TPTL的热特性外，复合墙体热特性对于验证技术可行性以及进一步设计优化也很重要．图9给出了充液率为116%、热源温度分别为35℃和55℃时被动式热激活复合墙体12h内的等距红外图像变化(间隔时间为3h)．从图9中可以看出，当蒸发段加载热源、TPTL成功运行时，尽管复合墙体内墙表面温度分布逐渐出现不均匀现象，但墙体内表面边界到砖层与保温层界面之间的固体区域温度明显升高，且随着时间的延长或热源温度的升高，效果更加明显．这主要得益于TPTL的瞬态热响应特性，使得热源产生的热量可以在短时间传递并注入复合墙体．随着时间延长，砖层与保温层之间形成一条清晰的热分界线，大部分注入热量可用于设计目的．因此，红外测试结果也验证了被动式热激活复合墙体应用于建筑能源管理的可行性．因复合墙体嵌管层热扩散性较差，通过红外图像可以观察到较为明显的热堆积现象，这也验证了第3.1节的分析．为进一步提升建筑集成用TPTL的热传输效率，改善复合墙体热堆积现象以获得更为均匀的内表面温度，今后应寻找适宜的嵌管层材料并对复合墙体结构设计展开深入研究．图10给出了充液率为116%时4种不同热源温度下复合墙体逐时和累积注入热量随时间的变化．从图10中可以看出，复合墙体逐时注入热量受初始温度分布的影响较大，随后逐渐趋于稳定，并且注入热量(尤其是累积注入热量)与运行时间之间近似呈线性关系，但由于嵌管层内热量的逐渐积聚，逐时注入热量呈现缓慢减少趋势，且这一趋势在较高热源温度下更为明显．由图10(b)可以看出，4种不同热源温度下累积注入热量变化曲线的斜率均为正值，且随热源温度的升高而增大．与图10(a)所示的逐时注入热量变化曲线相比，图10(b)所示的累积注入热量曲线更接近于直线，表明所研究的复合墙体能够保持长期稳定的注热能力．4被动式热激活建筑系统的技术可行性本文提出了被动式热激活建筑系统概念，建立了被动式热激活复合墙体模块检测平台，通过实验研究了蒸发器出口与冷凝器进口及出口高差分别为2.1m及1.5m时充液率与热源温度对建筑集成用TPTL以及复合墙体热特性的影响，得出以下结论．(1)不同充液率和热源温度条件下，建筑集成用TPTL均可成功启动和运行，即使在低热源温度条件下，TPTL的启动速度值也可达0.06℃/s(热源温度为25℃，充液率为60%)，验证了被动式热激活建筑系统的技术可行性．(2)由于嵌管层的热扩散能力相对较弱，冷凝器热阻在系统总热阻中所占比例最大，约为58.4%～94.4%，是制约被动式热激活复合墙体热传输效率的最大瓶颈．(3)不同运行条件下，最佳充液率(116%左右)