论文题目：太阳能-热泵辐射采暖系统中相变储热地板的制备及性能研究
摘要：在全球气候变暖日渐严重的背景下,中国政府郑重提出“碳达峰”、“碳中和”的目标,建筑能耗作为中国能源消耗的重要部分,发展建筑节能技术有时代的必要性。将相变材料（PCM）应用于建筑是备受关注的研究方向,可以弥合建筑能源供需之间的不平衡,也可以增强建筑的热惯性,从而起到节能的效果。石蜡作为一类有机相变储能材料,用途广泛且安全可靠。本论文提出一种采用石蜡作为PCM的相变储热地板,用于实验房间地面辐射采暖,该采暖系统由太阳能和热泵联合供热,并通过实验测试和数值模拟两种方式研究了相变储热地板对实验房间热特性的影响。与多数将PCM作为整体封装嵌入围护结构的方法不同,本文制备的相变储热砂浆使用PCM与建筑水泥相结合的方式。首先使用熔融共混法制备出熔点为40.5℃,焓值为220.5 k J/kg的石蜡/膨胀石墨复合相变材料（CPCM）,其中石蜡的质量含量为85wt%。将水泥粉和CPCM按照一定的质量比例进行物理混合,CPCM占水泥粉的质量分数分别为20 wt%、25 wt%、30 wt%、35 wt%和40 wt%,并搅拌至均匀的干混粉末,然后参考《建筑用干混地面砂浆》JC/T 2457-2018的制备工艺,制备出五种不同CPCM含量的相变储热砂浆。通过测试抗压、抗折强度,相变潜热和导热系数,确定CPCM质量分数为35wt%的相变储热砂浆既有较好的力学性能表现,同时具备较高的相变潜热和导热系数,其抗压强度和抗折强度分别为5.54 MPa和2.6 MPa,相变潜热为35.1k J/kg,导热系数为2.056 W/（m·K）,可以作为既承重又具有保温性能的围护结构。然后经过泄露测试和微观SEM图的形状分析,表明制备的相变储热砂浆解决了石蜡熔化后流动性的问题。最后通过测试比热容、热重分析以及热循环测试,说明所制备的相变储热砂浆具备较高的比热容和稳定的热可靠性。接着,为了检验相变储热地板的实际应用效果,搭建了太阳能-热泵辐射采暖系统和地暖实验房间。按照相变储热砂浆的配比探究了相变储热地板制备方法,一共制备了16块,铺设在地暖实验房间,另外制备16块相同形状的普通砂浆地板作为对照。地暖实验房间搭建在冷气候模拟舱内,可以模拟冬季室外环境,使用太阳能集热器和空气源热泵为双热源,通过供热水管给房间地板热。测试了在50℃、55℃和60℃供水温度的供热情况下,实验房间室内空气和地板表面的升降温度变化,研究结果表明使用相变储热地板会降低地板表面温度和室内空气温度的变化速率,另外提高的供水温度和使用相变储热地板都可以提高房间的热性能,从而延长实验房室内热舒适的持续时间。最后,使用TRNSYS建筑仿真模拟软件,以广州地区的气候状况来模拟室外环境,对所搭建的太阳能-热泵采暖系统及地暖实验房间进行模拟研究。房间结构尺寸、围护结构的热工性能、等与实际测试的实验房间保持一致。另外,采暖系统模型运行方式也与实际保持一致,采取太阳能集热器与空气源热泵并联供热的方式。为了使实验房间具有更好的热舒适性能,地板采暖供水温度设置为60℃。模拟结果表明,使用相变储热地板可以减少室内温度波动,具有提升房间热舒适性的效果,还可以节约采暖系统的运行能耗,运行费用比使用普通地板的房间降低了15.8%。综上所述,本文所研制的相变储热地板在满足基本使用要求的前提下,还具有提高房间热舒适性、实现建筑节能的效果。另外该相变储热地板具备较为完善的生产技术规范,能够实现更广阔的应用。
关键词：建筑节能;相变储能;地板采暖;太阳能-热泵;TRNSYS
学科专业：供热、供燃气、通风及空调工程
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 前言
1.2 太阳能-空气源热泵耦合供暖系统
1.2.1 太阳能储热技术
1.2.2 热泵技术
1.2.3 太阳能-空气源热泵系统国内外研究现状
1.3 储热技术与相变材料
1.3.1 潜热储能技术
1.3.2 相变材料的概述
1.4 建筑应用相变材料的研究进展
1.4.1 被动式建筑节能技术国内外研究进展
1.4.2 主动式建筑节能技术国内外研究进展
1.5 本课题的研究内容、技术路线及创新之处
1.5.1 研究内容
1.5.2 技术路线
1.5.3 创新之处
第二章 相变储热砂浆的制备及表征
2.1 引言
2.2 实验部分
2.2.1 实验材料
2.2.2 实验仪器
2.2.3 相变储热砂浆试件的制备工艺流程
2.2.4 相变储热砂浆试件的性能表征
2.3 结果与讨论
2.3.1 复合相变材料的储热特性研究
2.3.2 相变储热砂浆最佳配比确定
2.3.3 相变储热砂浆微观形貌分析
2.3.4 相变储热砂浆热可靠性分析
2.4 本章小结
第三章 相变储热地板在太阳能-热泵辐射采暖系统中的应用
3.1 引言
3.2 相变储热地板的制备方法
3.2.1 复合相变材料的制备工艺
3.2.2 相变储热地板的制备过程
3.3 实验房间搭建及采暖系统设计
3.3.1 搭建地暖实验房间
3.3.2 搭建太阳能-热泵采暖系统
3.4 实验方法
3.4.1 实验目的
3.4.2 测试方法
3.4.3 地暖实验房间热性能评价指标
3.5 实验结果分析
3.6 本章小结
第四章 太阳能-热泵辐射采暖系统的仿真研究
4.1 TRNSYS介绍
4.2 实验房间仿真采暖系统的建立
4.2.1 广州地区气象模块
4.2.2 实验房间建筑模型建立
4.2.3 采暖系统模型建立
4.3 实验房间采暖系统模拟结果分析
4.3.1 模型可靠性分析
4.3.2 冬季实验房间室内温度模拟
4.3.3 采暖系统运行能耗模拟
4.4 本章小结
第五章 结论和展望
5.1 结论
5.2 展望
参考文献
致谢