新型相变储能地板采暖系统设计

一、前言

目前，我国建筑能耗高达了总能耗的12%，其中建筑中的空调、电视等能耗高达40%，所以节能减排不管是从经济效益上还是环境保护上都有着重要的意义。地板的相变储能系统的设计可以很好的将电能转换为热能，而且电耗的强度仅仅是之前的25%，因此这种采暖系统设计的意义对于环保节能来说是一个很大的突破。

二、相变储能材料的应用

所谓相变储能材料（简称PCM）是一种特殊的功能性材料，其能在等温或近似等温的情况下发生相变（多数为固液相变或气液相变），同时伴随有较大能量（一般称为相变潜热）吸收或释放。

相变储能地板采暖系统主要是利用相变材料这一特性，在其本身发生相变的过程中，可以通过吸收环境的热量，并在需要的时间内向环境释放热量，来达到供暖房间的温度，把相变的材料跟地暖面层的结构相结合，制成相变储能的地板采暖，通过相变的原理来增加地板之间的热流波幅度，从而提高地板的温度，以达到节能和舒适的目的。相变地板能转移和利用夜间电能蓄存热量，相变温度在30-40摄氏度变化时，相变材料地板的蓄能要比普通地板的蓄能比大19.6%-24.2%。

三、相变储能地板采暖地面结构及工作原理

1.相变储能采暖地板结构

目前市面上所应用的地板辐射供暖系统主要是低温热水和电热电缆的低温地板辐射供暖。而相变储能地板采暖是通过相变储能的材料，这种材料采用的是一种相变温度为30℃的水合盐的储热装模块材料，这个材料是通过固态和液态相变变化进行能量的储存和释放，当需要储存能量的时候材料是为液态的，为了防止PCM融化的时候泄漏会对下面的楼板进行腐蚀，因此要对其进行密封。敷设时，加热盘管直接放在保温层上面，封装好的PCM在填充的时候放在加热盘管的周围，盘管上面则是地面的保护层，加热的时候，热量输送到地板内的相变材料进行储能，在需要的时候再释放热量，为室内供暖。

2.地源热泵低温热水蓄能地板辐射采暖工作原理：

利用夜间廉价电由地源热泵系统从地下土壤取热，经电力压缩机对循环工质做功，从而对辐射地板系统提供40～50℃的低温热水，进入地面盘管加热相变材料，使其产生相变，以潜热形式储存热量，白天释放给供暖房间。

3.供暖实验测试

（一）实验选择在2012年～2014年，东北地区的两个采暖季节进行的，采用的是温度巡检仪器来对室内外的空气湿度、温度、和地板的表面温度来控制，通过信息技术来控制系统的开关时间，温度控制的开关也可以自动的根据室内的温度来控制加热的电缆，从而用电表来控制耗电量的记录。在测试的时候对地板进行加热，缓慢的加温是为削除房间内热惯性和空气间湿气的影响，考虑到实际生活中人体舒适的程度，地板的温度一般不超过28℃。本试验选择的测试时间为室外气象条件基本满足规范的室外采暖设计温度进行分析。

（二）实验结果分析

相变材料的稳定性

作为储能作用的相变材料，其储能不仅要取决于材料本身的凝固点、熔点、更多的应该是看在其多次的循环使用后的性质变化，这需要考验材料本身的实用性和耐用性，在实验中，通过对两个采暖季使用的相变材料用DSC检测之后，我们得出相变的温度和相变的潜在热能有一点的变化，再对实验中的材料进行冷却处理，在相应的反复实验超过120次之后，再用DSC进行分析，可以得出使用PCM的材料具有很好的稳定性，熔点符合使用的要求，可以供应长期取暖系统使用。

实际运行的分析

因为在实际中普通的房间一般是恒温的控制，24小时的工作，而在装有相变储能系统的房间里面，通过实验，我们可以得出相变系统的房间温度变化小，通过记录，我们可以看出相变在房间的最高温度是18℃，最低的温度是14℃，在普通的室内，最高的温度为19℃，最低是15℃，根据人体的舒适度和感知度来说，储能地板的温度更适合人体的生理温度。

四、节能分析

1.经济效益分析

由于相变材料的熔点与室温相差的越小，对系统运行越有利，这有助于保持室温的稳定，但是熔点越适合的相变材料都非常昂贵，这对广泛使用造成了一定的阻碍，所以就需要选择相变的熔点温度相对来说低一点的，价格也较便宜的相变材料。不同的地板采暖系统都可以满足人体的舒适度，按照时间和费用的比例来结算的话，如果是普通的房间需要全天恒温加热，而相变系统的房间只需要夜间加热，这样计算的话，相变系统的耗电量跟普通系统的房间相比是降低了50%，换算成东北地区当地的电费的话是0.176/（m2?d）。但在考虑系统增加的成本角度来说，相变系统的地板加热的成本主要增加在相变材料上。

由于部分地区的使用时间的电费是错开计费，所以夜间的电费一般是比较便宜，相变储能地板采暖系统利用夜间的便宜的电来储能，白天再将其转换释放，不但节省了白天高价电费，具有可观的经济效益，而且在夜间用电可以错开白天用电高峰，减轻耗电的负荷，使电量合理使用。

2.环境效益分析

在变相储能的地板中，因为吸收的能量是土壤的热能，对电能的转换依赖的比较少，相对于电缆加热地板采暖系统使用的电能，其电量消耗大大的降低，而且因为错峰使用，电能的利用和高效性更加明显，所以相对于能量的节省来说，是对环境节能减排的一大益处。

五、相变储能地板采暖系统设计的可行性

利用相变的材料，通过其内部相变的工作原理，其潜在的热能形式来储存热量，在需要的时候将其释放，这种设计的优点是：因为相变的材料不会消耗煤、油或是天然气等化学燃料，没有排放污染物、没有使用大量的电能；高效能的地源热系统，在同等量输出能的情况下，相变材料的系统消耗的电量仅仅是40%不到的电功率；高效能的能源利用率，是相变地板采暖使用的主要原因；储能地板的采暖效率高，在相同的条件下，地暖系统提高了室内的温度，同时也减少了环境对人体的冷辐射，提高了身体的舒适度，最重要的是没有室内的温度层阶梯形的变化，使得温度的分布比较均匀，更符合人体的生理需求；储能地板的储能热量大、稳定性更好，尤其是在间断性供暖的地方，更加体现了此系统的优势。

六、结束语

随着人们的环境保护意识越来越强，相变储能地板采暖系统设计越来越显得重要，因为其不仅有着节能减排的作用，又可以使得室内的温度均匀，热舒适性能好，并且可以利用低估用电蓄能，使得电能合理使用，因此相变储能地板采暖系统在我国有着广阔的发展前景和应用效益。