Calefacción radiante solar con materiales de cambio de fase de almacenamiento de calor.

[Resumen] En el entorno actual de prestar atención a la conservación de la energía, la protección del medio ambiente y la comodidad, las personas aceptan gradualmente el suelo de calefacción radiante solar por su comodidad y seguridad. Este documento analiza principalmente la forma, las ventajas y las desventajas del piso de calefacción radiante y el material de almacenamiento de calor por cambio de fase, etc. Muestra que la tecnología de almacenamiento de energía del piso de calefacción radiante solar tiene beneficios económicos y sociales obvios y amplias perspectivas de aplicación.

[Palabras clave] Energía solar, suelo radiante, materiales de cambio de fase bien formados, almacenamiento térmico de cambio de fase

Introducción

El calentamiento por radiación de piso a baja temperatura es una forma de calentamiento más avanzada y cómoda, que se ha utilizado ampliamente en los países occidentales desarrollados y se utiliza más ampliamente en China. Con el desarrollo de la economía social y la mejora del nivel de vida de las personas, las personas aceptarán y utilizarán pisos de calefacción radiantes más cómodos. El piso de calefacción por radiación solar es un tipo de sistema de calefacción que utiliza la energía solar recolectada como fuente de calor y calienta el suelo a través de bobinas colocadas en el piso.

En el proceso de cambio de fase, los materiales de cambio de fase pueden absorber el calor (frío) en el ambiente y liberar calor (frío) al ambiente cuando sea necesario, para controlar la temperatura ambiente. El material de cambio de fase se combina con la estructura de la envolvente del edificio para formar la estructura de envoltura de almacenamiento de energía de cambio de fase, que puede usarse para controlar la temperatura interior del edificio. La estructura de la envolvente de almacenamiento de energía de cambio de fase puede aumentar en gran medida el efecto de almacenamiento térmico de la estructura de la envolvente, reducir el rango de fluctuación del flujo de calor entre interiores y exteriores, y retrasar el tiempo de efecto (como se muestra en la Figura 1), a fin de mejorar la temperatura del edificio capacidad de autorregulación y pulir el ambiente interior, realizar el propósito de ahorro de energía y comodidad.

1. Suelo radiante solar

1.1 Estructura y principio del suelo radiante solar

El sistema de suelo radiante solar generalmente consiste en un colector solar, un tanque de agua, una bobina de calefacción subterránea, un divisor de agua, un colector de agua, una bomba de agua circulante, una fuente de calor auxiliar, etc. Entre ellos, la bobina de calefacción subterránea y su piso de calefacción radiante son únicos en solar Sistema de calefacción por suelo radiante.

Figura 2 Diagrama del sistema de calefacción solar

1.2 Ventajas de la calefacción radiante de piso solar

Primero, el método de calentamiento más cómodo (pies calientes y cabeza fría)

Segundo, alta eficiencia, ahorro de energía y bajos costos de operación (transferencia de calor a baja temperatura, la temperatura interior es baja)

Tercero, protección del medio ambiente, higiene y cuidado de la salud (transferencia de calor por radiación, reducción de polvo y flujo de bacterias).

Cuarto, no hay área ocupada redundante (en comparación con calefacción con radiador)

Quinto, larga vida útil (más de 50 años)

Sexto, reducir el ruido del piso (aislamiento de la capa de aislamiento)

Séptimo, amplio alcance de aplicación

Octavo, se puede realizar el control del hogar y la carga de medición de calor

1.3 Otros nuevos tipos de sistema de calefacción por suelo

Debido a que el requisito de temperatura del agua del sistema de calefacción radiante de piso a baja temperatura no es alto, puede ser tan bajo como 30 ℃. Su fuente de calor puede formularse de acuerdo con las diferentes características energéticas y económicas de los diferentes lugares. Por ejemplo, la bomba de calor de fuente subterránea de agua caliente a baja temperatura, el almacenamiento de energía del suelo radiante, el uso de electricidad de bajo costo por la noche desde el suelo, a través del compresor de potencia trabajando en el medio de trabajo circulante, proporcionando así 40-45 grados de agua caliente a baja temperatura al sistema de piso radiante, el material de cambio de fase ingresa a la bobina de tierra para calentar, almacenar calor en forma de calor latente, calentar la habitación en el durante el día. (Fig. 3) Por ejemplo, el piso de calefacción radiante con almacenamiento de energía eléctrica y por cable térmico, el sistema de almacenamiento de energía geotérmica estándar se basa en la electricidad como fuente de energía, el cable calefactor de baja temperatura enterrado bajo tierra como cuerpo de calefacción, y La electricidad de bajo costo por la noche se utiliza para calentar el material de cambio de fase a través del cable, de modo que toda la energía eléctrica se puede transformar en energía térmica, y el calor puede se almacenará en forma de calor latente, que se implementa mediante radiación y conducción durante el día para calentar el aire, los objetos y el cuerpo humano circundantes.

2 Estructura y principio de funcionamiento del piso de calefacción de almacenamiento de calor con cambio de fase

La calefacción de piso utiliza energía de protección ambiental como energía solar y electricidad de bajo valle, pero estas dos formas de energía no son muy consistentes con el período de calefacción, como cuando el sol es más fuerte, la carga de calefacción es la más pequeña y cuando el precio de la electricidad es subestimado, a menudo es temprano en la mañana, esta vez solo representa una pequeña parte del período de calentamiento. Si queremos hacer un uso racional y efectivo de estas dos formas de energía, inevitablemente implicará el problema del almacenamiento de calor y el aislamiento. El sistema geotérmico de agua caliente a baja temperatura generalmente usa el tanque de agua para el almacenamiento de calor, lo que requiere que el medio de transferencia de calor sea agua y ocupa más espacio en el edificio. El material de almacenamiento de calor subterráneo es la forma de almacenamiento de calor que no ocupa el edificio zona.

2.1 Definición y características de los materiales de cambio de fase

Los materiales de cambio de fase (PCM) se refieren a sustancias que cambian de forma con el cambio de temperatura y proporcionan calor latente. El proceso de cambio de fase del material de sólido a líquido o de líquido a sólido se llama proceso de cambio de fase. En este momento, el material de cambio de fase absorberá o liberará mucho calor latente. Los materiales de cambio de fase tienen la capacidad de cambiar su estado físico dentro de un cierto rango de temperatura. Es este fenómeno endotérmico y exotérmico de los materiales de cambio de fase lo que hace que los materiales de cambio de fase se conviertan en el foco de atención en todo el mundo.

La aplicación de PCM en materiales de construcción se inició en 1982 por la Compañía de Energía Solar del Departamento de Energía de EE. UU. En la actualidad, se encontraron miles de materiales de cambio de fase, pero no todos los PCM se pueden utilizar para el almacenamiento de energía. El PCM ideal debe tener el futuro de calor latente de alta fusión, alta conductividad térmica y capacidad de calor, deformación pequeña, no tóxico, no corrosivo, menos sobreenfriamiento o sobrecalentamiento. Teniendo en cuenta los requisitos de las personas para la comodidad de los edificios residenciales, los materiales de cambio de fase utilizados en los edificios también deben cumplir las siguientes condiciones: (1) La temperatura de cambio de fase del PCM debe estar cerca del rango de temperatura interior confortable, dicha temperatura debe ser de 18 ℃ ~ 22 ℃ en Habitación de invierno y temperatura 22 ℃ ~ 26 ℃ en la habitación de verano. La temperatura de cambio de fase PCM debe estar dentro de este rango. El PCM no se puede filtrar del tablero ni deteriorarse después de un ciclo a largo plazo, debe ser compatible con los materiales de construcción. La Tabla 1 enumera los materiales de cambio de fase utilizados comúnmente para la construcción de almacenamiento de energía.

2.2 Principio de ahorro de energía del cambio de fase Almacenamiento de energía Materiales de construcción

El principio de aplicación de los materiales de cambio de fase en el ahorro de energía del edificio es que los materiales de cambio de fase van acompañados de la liberación y absorción del calor de cambio de fase, es decir, en el proceso de transferencia de calor, la carga fría en los materiales de cambio de fase se almacena en la energía Estructura de almacenamiento. Con la disminución de la temperatura exterior, una parte del calor almacenado se libera al exterior, lo que reduce la carga fría del edificio; la otra parte se libera al interior y aumenta la carga fría de la construcción por la noche. Según la teoría anterior, tomando la estructura de almacenamiento de energía de cambio de fase como ejemplo, la aplicación de materiales de cambio de fase a los edificios puede aumentar en gran medida la capacidad de almacenamiento térmico de las estructuras de los edificios. Una pequeña cantidad de materiales puede almacenar una gran cantidad de calor. Debido a la función de almacenamiento de calor de la estructura de almacenamiento de energía de cambio de fase, la fluctuación del flujo de calor entre los edificios interiores y exteriores se debilita y el tiempo de efecto se prolonga, lo que puede reducir la carga de diseño de los edificios del sistema de calefacción y aire acondicionado, y lograr el propósito de ahorro energético.

2.3 Materiales de cambio de fase bien formados

El material de cambio de fase estabilizado en forma (PCM) es un material compuesto de almacenamiento de energía compuesto de material de cambio de fase (PCM), soporte de polímero y material de embalaje. Debido a la función de microencapsulación y soporte de la cápsula de polímero, el PCM utilizado como material del núcleo no fluirá cuando ocurra un cambio de fase sólido-líquido, y todo el material compuesto puede mantener su forma original sin cambios y tener cierta resistencia incluso después La fusión del material del núcleo. Las deficiencias de los materiales comunes de cambio de fase sólido-líquido son: (1) separación de fases; (2) necesita encapsulación, que es costosa; (3) alta resistencia térmica adicional del contenedor; (4) fuga del contenedor. El material de cambio de fase con forma estabilizada puede superar estas deficiencias, y la forma del material permanece sin cambios durante el proceso de cambio de fase. Este tipo de material tiene las ventajas mencionadas anteriormente, lo que reduce el costo y la dificultad del embalaje, y reduce la resistencia térmica. entre materiales de cambio de fase y fluidos de transferencia de calor. Este tipo de material tiene amplias perspectivas de aplicación en el campo de la construcción de HVAC y materiales de construcción.

2.4 Clasificación de materiales de cambio de fase

Los materiales de cambio de fase se pueden dividir en cuatro categorías según las formas de cambio del estado de fase: materiales de cambio de fase sólido-líquido, materiales de cambio de fase sólido-sólido, materiales de cambio de fase líquido-gas y materiales de cambio de fase sólido-gas. Aunque el calor latente del cambio de fase acompañado por la transformación de gas líquido y sólido es mucho mayor que el acompañado por la transformación sólido-sólido y sólido-líquido, es difícil de usar en la ingeniería práctica para la generación de gas durante el gas líquido. y el proceso de cambio de fase de gas sólido hace que el volumen cambie mucho.

Los materiales orgánicos de almacenamiento de energía de cambio de fase sólido-líquido incluyen principalmente hidrocarburos alifáticos, ácidos grasos, alcoholes y polienoles, etc. Sus ventajas no son fáciles de producir separación de fases y sobreenfriamiento, menos corrosividad, alto calor latente de cambio de fase, la desventaja Es fácil de filtrar. En la actualidad, los hidrocarburos alifáticos y los polioles son ampliamente utilizados. Los materiales de cambio de fase tienen una alta capacidad de almacenamiento térmico y buena estabilidad térmica, pero son fáciles de filtrar cuando alcanzan la temperatura de cambio de fase, por lo que deben encapsularse en contenedores.

Los materiales orgánicos de almacenamiento de energía de cambio de fase sólido-sólido almacenan y liberan energía a través de la transformación de la forma cristalina del material. Tienen las ventajas de un pequeño cambio de volumen, sin fugas, sin corrosión y una larga vida útil en el proceso de transformación de fase. No requieren alta tecnología para materiales y fabricación de contenedores, y su transformación de calor de fase latente es del mismo orden de magnitud que los materiales de cambio de fase sólido-líquido. En la actualidad, existen tres tipos de materiales de cambio de fase sólido-sólido con potencial económico: polioles, macromoléculas y perovskita en capas.

2.4.1 polioles

Los materiales de cambio de fase de los polioles incluyen principalmente pentaeritritol (PE), ácido 2,2-dicarboxil-propiónico (PG), ácido neoglutárico (NPG) tricarboximetil alcano (TMP), tricarboximetil aminometano, etc. En general, se cree que los materiales de cambio de fase sólido-sólido de los polioles son capas y cristales simétricos bajos a bajas temperaturas. Las capas están conectadas por enlaces de hidrógeno formados por hidroxilo (-OH). Cuando la temperatura aumenta, se produce la transición de fase sólido-sólido. Al mismo tiempo, el enlace de hidrógeno intermolecular se rompe y se introduce el trastorno de la rotación molecular y la vibración para absorber energía. Se pueden mezclar dos o tres materiales de cambio de fase de polioles en diferentes proporciones para formar una "aleación de fusión por fusión" para ajustar la temperatura de cambio de fase y el calor latente.

Los materiales de cambio de fase de polioles tienen estabilidad química a largo plazo, mayor calor de cambio de fase y menos subenfriamiento. Además, el sistema binario de polioles puede ampliar efectivamente el alcance de aplicación de los polioles y hacer que se conviertan en buenos materiales de almacenamiento de energía de cambio de fase a baja temperatura. Sin embargo, cuando los polioles se calientan por encima de la temperatura de cambio de fase sólido-sólido, se convertirán en cristales de plástico con una gran presión de vapor y fáciles de vapor. Debe encapsularse en contenedores, lo que no refleja la superioridad de los materiales de cambio de fase sólido-sólido. Además, los polioles son generalmente muy solubles en agua a alta temperatura y la estabilidad térmica no es buena, lo que requiere el uso de materiales de polioles para Tenga en cuenta las medidas de impermeabilidad, la temperatura de procesamiento no debe ser demasiado alta, lo que también limita la aplicación de polioles como material de cambio de fase.

2.4.2 Perovskita en capas

Los materiales de cambio de fase en forma de perovskita en capas son compuestos metálicos orgánicos. Estos compuestos tienen estructuras cristalinas en capas. Debido a que son similares a los cristales minerales de calcio, se llaman perovskita en capas. La transición de fase sólido-sólido de estos materiales de fase es reversible. Se sintetizan diferentes materiales en forma de capas de perovskita en diferentes proporciones de moléculas para regular la temperatura de transición de fase y la entalpía.

La "perovskita en capas" como material de cambio de fase tiene sus ventajas únicas: buena reversibilidad del cambio de fase sólido-sólido, propiedades químicas estables, resistencia a altas temperaturas de más de 200 ℃. Entre ellos, el ácido n-decanolamina (C10M) sufre un cambio de fase a 30.8 ℃. Se espera que se convierta en un material de cambio de fase sólido-sólido para fibras de cambio de fase en prendas de vestir. Sin embargo, el calor de cambio de fase de los polioles y la "perovskita en capas" es mucho menor que el de la parafina, el precio relativamente alto sigue siendo un factor que restringe el desarrollo de materiales orgánicos de cambio de fase sólido-sólido. Las propiedades térmicas de los polioles pueden mejorarse mediante nanomateriales obtenidos de compuestos de polioles y sus sistemas binarios con montmorillonita. Sin embargo, el sistema binario de "perovskita en capas" no se ha informado. Además, la conductividad térmica de los polioles y la "perovskita en capas" es pobre, y se necesita algo con una conductividad térmica más alta como el grafito para mejorar su conductividad térmica.

resumen

En comparación con los materiales de cambio de fase sólido-líquido y los materiales inorgánicos de cambio de fase sólido-sólido, el material de cambio de fase sólido-sólido orgánico tiene las ventajas de un rendimiento estable, larga vida útil, uso conveniente, equipo simple, bajo enfriamiento y sin separación de fases, y es uno de los campos de investigación más prometedores. El enfoque del trabajo futuro es cómo desarrollar materiales de cambio de fase sólido-sólido con bajo costo, buena estabilidad térmica y química, protección del medio ambiente verde, alto calor latente de cambio de fase y alta conductividad térmica. Cómo utilizar materiales de cambio de fase existentes para desarrollar productos con funciones variables e incluso funciones múltiples también es un tema importante.