CN102721720B - 一种相变储能复合板的热工性能测试装置、测试方法以及节能评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种相变储能复合板热工性能测试方法和装置及其节能评价方法，该测试装置为置于模拟气候的高低温试验箱内的箱体，箱体的一面安装有待测复合板，箱体内设置有制冷器、制热器和箱体测温探头、试件测温探头、控温探头；制冷器、制热器均与电能表相连，各测温探头与温度巡检仪相连。本发明将箱体视为一间房，将其置入高低温试验箱，由高低温试验箱模拟环境温度变化。检测***将对复合板内表面及箱体内温度变化进行实时记录。利用箱体内制冷及制热耗能，基于相变材料的测试数据和节能评价指标，可对复合板试件进行节能评价。

Description

一种相变储能复合板的热工性能测试装置、测试方法以及节能评价方法

技术领域

本发明涉及热工测试领域，尤其涉及一种相变材料节能测试及评价，包括测试方法及装置以及节能效果评价方法。

技术背景

随着经济的高速发展和能源供需矛盾的日益突出，节能降耗成为实现21世纪可持续发展战略的重要措施之一，建筑节能技术作为节能降耗的重要手段已引起国内外高度重视。相变储能复合材料是相变材料与传统建筑材料的结合，具有优异的节能性能和广泛的应用前景。相变储能材料即潜热储能材料，材料由固态向液态或液态向固态转变时会发生热能转变，当相变材料达到相变温度时，会通过吸收或释放热量保持温度恒定。

迄今为止，由相变材料制成的实用化建筑制品已有很多种，但作为一种新型材料，至今还鲜有相变材料性能测试的相关标准出台，特别是相变复合板的节能评价还比较落后。相变储能复合板用于建筑节能究竟有多大贡献，对室内温度调节，对人体舒适程度究竟有多大影响等等，这些目前仍较模糊，这显然不利于产品市场的宣传与推广。究其原因，在于目前尚没有可用于对建筑用相变复合板节能效果进行检测与评价的***。

发明内容

基于上述问题，本发明拟在建立一个相变储能复合板的节能测试与评价装置，基于节能评价指标，结合高低温试验箱，对相变储能复合板进行对比试验，使其具备评判相变储能复合板综合热工性能与节能程度的能力，以便进一步指导相变储能复合板制备、设计及安装。

本发明目的之一是提供一种相变储能复合板热工性能的测试装置。该装置配合一高低温试验箱工作，包括一箱体，所述箱体的一面留有用以安装待测复合板的位置，且待测复合板与箱体其余面形成封闭空间，在所述箱体内设置有制冷器、制热器和箱体测温探头、试件测温探头、控温探头；所述制冷器、制热器均通过导线与各自的电能表相连；所述箱体测温探头和试件测温探头通过导线与温度巡检仪相连，所述控温探头通过导线与控温仪相连；所述电能表通过导线与控温仪相连。

所述箱体的其余各面都使用保温隔热复合板。

在所述箱体内还设置有均热板，隔设在待测复合板与制冷器、制热器之间。

所述箱体测温探头、试件测温探头、控温探头插设在由均热板和待测复合板构成的空间内；所述试件测温探头为表面型测温探头，探测在待测复合板的内表面。

所述制冷器由冷风扇、半导体制冷片、水冷头、散热器、水泵、水桶构成，半导体制冷片的热面与水冷头相连，冷面连接冷风扇，冷风扇置于箱体内部，半导体制冷片经由导线与制冷电能表相连，水冷头进水口、散热器、水泵、水桶、水冷头出水口依次通过水管相连。

所述散热器采用水冷排散热器，水泵采用隔膜泵或磁力泵。

所述制热器由发热片和散热风扇构成，发热片的发热面和散热风扇连接，散热风扇置于箱体内部，所述发热片经由导线与制热电能表相连。

所述发热片为PTC陶瓷发热片或硅橡胶发热片。

所述装置还包括一外接计算机，其与电能表和温度巡检仪数据连接。

本发明进一步目的是提供一种相变储能复合板热工性能的测试方法。该方法使用前述的相变储能复合板热工性能的测试装置，具体是使用高低温试验箱模拟夏季或冬季的气候，将所述装置的箱体置于该高低温试验箱中，安装待测复合板，在控温仪上设定温度，启动制热器（模拟冬季气候）或制冷器（模拟夏季气候）、温度巡检仪、电能表，由温度巡检仪记录温度变化时间及温度变化值，电能表记录相应电耗，持续12小时，得到该相变储能复合板的热工性能数据。

本发明进一步目的是提供一种相变储能复合板节能效果评价方法。按前述测试方法分别测试待测复合板（试件）和对照复合板（对照件）的热工性能，然后按间接节能评价指标和/或直接节能评价指标评价试件的节能效果；

所述间接节能指标的表达公式为：

γ=（τ2-τ1）/τ1

其中，γ为相对时间滞后率，τ1为温度巡检仪记录的对照件由低温上升到达舒适温度上限值的时间，τ2为温度巡检仪记录的试件由低温上升到达舒适温度上限值的时间；γ值越大，表明试件维持室内舒适温度的时间延长的倍数大，节能效果越好；

所述直接节能评价指标的表达公式为：

η=(E₁-E₂)/E₁

其中，η为相对节能效率，E₁为电能表记录的对照件在一定时间内维持室内舒适温度所耗电能，E₂为电能表记录的试件在同样时间内维持室内舒适温度所耗电能；η值越大，表明试件维持室内舒适温度期间所耗电能降低的越多，节能效果越好。

本发明由于采取以上技术方案，可获得以下技术效果：1、本发明通过箱体模拟房屋，通过高低温试验箱模拟室外环境。箱体内设置有制冷装置、制热装置、温控装置和温检装置，温控装置设置有目标室温；试验箱内预设有温度变化规律；在箱体上安装待测复合板，通过箱体内外的温差带来的制冷或制热所消耗的电能，来评判待测复合板的热工性能。本装置真实模拟性强，并且室内外温度都可控、可调，试验应用性强。2、本发明模拟房屋只在一面安装待测复合板，其它面采用绝热保温材料，使得试验针对性强，更能准确测试待测复合板的热工效果。3、***设置电能表，可实时记录用电情况。4、采用半导体制冷片的特性，进行冷热交换，使得装置变得简单。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明测试及评价实例中温度巡检仪记录的普通发泡石膏板和相变发泡石膏板时间-温度曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明的设计构思为：以一箱体模拟实际房屋，房屋一个面使用复合板试件，其它面隔热保温。箱体内设置有升温和降温装置，分别模拟实际中的取暖装置和空调制冷装置。将整个箱体置于高低温试验箱内，模拟屋外气温变化。箱体内设置控温和测温装置,箱体外设置测温装置。箱体由于其它几个面绝热，有一面传热，箱体内部温度将随着外部温度变化而变化，此时为保持屋内温度处于人体舒适温度，控温仪将启动制热或制冷。由于使用的复合板材料不同，制热或制冷启动的频繁程度就不同，利用箱体内的温度传感器、电能表，即可实时记录该“房屋”内温度变化情况和用电情况，最后达到评价相变储能复合板热工和节能性能的目的。

因此，从功能上划分，本发明基本可包括被检主体、制冷/制热***、温控***和温检***几部分。具体讲，其结构如图1所示，包括一封闭箱体1，箱体1的一个面使用待测复合板2，其余各面都使用保温隔热板（图1中箱体1以斜线表示部分）。在箱体1内部设置有均热板3、制冷器4、制热器5，其中均热板3隔设在待测复合板2与制冷器4、制热器5之间，使得待测复合板均匀受热或致冷。

在由均热板3和待测复合板2构成的均温空间内，插设有箱体测温探头6、试件测温探头7和控温探头8；箱体测温探头6和试件测温探头7通过导线与一外置于箱体1的温度巡检仪9相连，控温探头8通过导线与一外置于箱体1的控温仪10相连。

制冷器4和制热器5均通过导线分别与各自的电能表11和11’相连，以记录耗电能量。电能表11和11’均外置于箱体1，同时与控温仪10导线相连。

上述的制冷器4可以采用半导体制冷片12、水冷头13、散热器14、水泵15、水桶16、冷风扇18构成。半导体制冷片12的热面与水冷头13相连，冷面与冷风扇18相连，该冷风扇18需置于箱体1内部，半导体制冷片12并经由导线与制冷电能表11相连；水冷头13进水口、散热器14、水泵15、水桶16、水冷头13出水口依次通过水管相连（图1中粗线表示水管线）形成一水流循环，散热器14通常采用水冷排散热器，水泵15通常采用隔膜泵或磁力泵。

上述的制热器5可以采用发热片17和散热风扇18’构成。发热片17为PTC陶瓷发热片或硅橡胶发热片，其发热表面附有散热风扇18’，该散热风扇18’需置于箱体1内部，发热片17并经由导线与制热电能表11’相连。

上述的试件测温探头7为表面型测温探头，探头设置在在待测复合板的内表面。

将带有上述布置的箱体1整体置于一模拟室外环境的高低温试验箱19内，箱体1上的管线通过高低温试验箱19侧面开口与外部仪器相连。可采用已有的高低温试验箱19。

该测试装置，还可以设一外接计算机（图中未示），与电能表11和11’数据连接，与温度巡检仪9数据连接，用于以预装算式对提供的数据进行分析处理并给出评价指标和评价结果。

测试复合板热工性能的方法可以包括以下步骤：

1、将待测复合板置于箱体1的一面，各电路、水路连接；在控温仪10上设置好人体舒适温度（如夏季为24-28℃，冬季为16-20℃），以确保箱体内温度低于或高于舒适温度时，启动制热器5或制冷器4以维持箱体1内温度；启动温度巡检仪9、控温仪10和电能表11’或11，检测***就绪。

2、将高低温试验箱19按其说明预先设置温度编程，以确保试验运行时，高低温试验箱内温度能按设定程序变化以模拟出室外环境。

上述步骤1、2不严格按照此顺序，可以先做步骤2，后做步骤1。

3、将箱体1置入高低温试验箱19内，关上高低温试验箱19柜门。

4、启动高低温试验箱19，试验开始，观察温度巡检仪9变化，由控温仪10发出制冷或制热指令，电能表11或11’记录电耗。

5、根据温度变化情况，由箱体测温探头6得出的室内温度变化及由试件测温探头7得出的复合板内表面温度变化(由温度巡检仪9记录)和电耗情况，可直观地了解试件的热工性能，例如由温度巡检仪采集时间-温度曲线，由电能表记录电耗。

可在前述步骤基础上进一步结合步骤6和/或7来评价复合板的节能效果：

6、利用相对时间滞后率作为间接节能指标来评价复合板特别是相变储能复合板的热工性能。该过程需在同样条件下对普通复合板和相变储能复合板进行对照测试。

其表达公式如下：

γ=（τ2-τ1）/τ1

其中，γ为相对时间滞后率，τ1为普通复合板在外界热环境的传热下，由低温上升到达舒适温度上限值的时间(由温度巡检仪9记录)，τ2为相变储能复合板在外界热环境的传热下，由低温上升到达舒适温度上限值的时间(由温度巡检仪9记录)。该间接节能指标表达的意义是：外界热流透过复合板或相变复合板进入室内引起室内升温的情况下，相变储能复合板相对普通复合板阻止室内温度升高，直至高过室内舒适温度的时间相对值。该指标可用于评价普通复合板或者相变复合板维持室内舒适温度时间长短的能力。γ值越大，表明相变储能复合板维持室内舒适温度的时间延长的倍数大，节能效果越好。

7、利用相对节能效率作为直接节能指标来评价复合板特别是相变储能复合板的热工性能。该过程需在同样条件下对普通复合板和相变储能复合板进行对照测试。

其表达公式如下：

η=(E₁-E₂)/E₁

其中，η为相对节能效率，E₁为普通复合板在一定时间内（通常为12h）维持室内舒适温度所耗电能（由电能表记录），E₂为相变储能复合板在一定时间内（通常为12h）维持室内舒适温度所耗电能（由电能表记录）。该直接节能指标从能量的角度衡量普通复合板或者相变储能复合板对室内舒适温度的贡献能力。η值越大，表明相变储能复合板在相同时间内维持室内舒适温度期间所耗电能降低的越多，节能效果越好。

步骤6或7的指标同样适用于冬季用相变储能复合板节能评价。

测试及评价实例：

在测试实例中，以本发明装置对空白发泡石膏板和添加10%相变材料的相变发泡石膏板的节能性能进行对比测试。由于所添加的相变材料其相变温度为26℃，符合夏季室内舒适温度，冬季使用效果不佳，因此以夏季模拟试验为例。

实验步骤如下：将待测试件固定于箱体1上，并将箱体1置于高低温试验箱中。在控温仪上设置箱体1（室内）初始温度为22-23℃，开启致冷器（由于箱体1外温度高于箱内温度，箱内温度只升不降，因此此处只有致冷器单独工作。冬季模拟与此类似，通常只有制热器工作），使箱体内温度达到并维持这一温度，将其作为室内初始温度。该温度是长江中下游冬冷夏热地区夏季晚上平均温度，考虑到夏季晚上采取通风措施，使得室内温度接近室外温度，故采用该温度作为初始温度有一定合理性。

在高低温试验箱上（室外）设置温度为34℃，这个温度也是根据夏季典型日气温计算得出的，因此具有普遍性和合理性。关闭柜门，一切就绪后，启动高低温试验箱，此时箱外温度将很快上升至34℃。启动温度巡检仪，对箱体内温度进行实时采集，并用PC保存数据。在控温仪上预制好箱体内温度区间为26-28℃，使得当箱体内温度超过28℃时，控温仪启动致冷器对箱体进行降温，直至降到26℃，当温度再度升高，则再次启动制冷器，如此反复，使箱体内温度维持在26-28℃这一人体舒适温度。连接于制冷器4与控温仪10之间的电能表11，对其电耗进行记录，整个实验过程持续12h。

利用该法对普通发泡石膏板和相变发泡石膏板分别试验后，多路温度巡检仪9采集的时间-温度曲线如图2所示。

由该图可以看出，普通发泡石膏板从24℃达到28℃所用时间为3580s，而添加相变材料的石膏板则耗时8560s，根据间接节能评价指标，其相对时间滞后率为：

γ=(8560-3580)/3580×100%=139.1%

该结果表明：发泡石膏板内添加10%的相变材料之后，维持室内舒适温度的时间比普通石膏板延长了1.39倍。

在12h内，由电能表上记录的普通发泡石膏板维持舒适温度所耗电量为0.132KWH，相变发泡石膏板耗电量为0.0891KWH。根据直接评价指标，其相对节能效率为：

η=(0.132-0.09405)/0.132×100%=28.7%

该结果表明添加了相变材料的相变储能石膏板比普通石膏板在12h内维持室内舒适温度期间所耗电能要低了28.7%。

经过试验测试结果分析得知：

进行夏季模拟试验时，未添加相变材料的普通复合板（对照件）由于其热容小，“房屋”内温度变化较快，且温度上升至舒适温度值的时间（由温度巡检仪记录）较短，因此“房屋”启动制冷装置较快，启动也更加频繁，因此耗电量（由电能表记录）较多；添加相变材料的储能复合板（试件），由于储能复合板所添加的相变材料有相对较高的热容，其相变温度处于人体舒适温度附近，当外界温度高于相变温度时，其发生固液相变吸热，导致“房屋”内温度升高相对滞后，因此启动制冷装置相对较迟（时间较长，由温度巡检仪记录），总耗电量较少（由电能表记录）。相变储能复合板冬季模拟试验跟夏季模拟试验类似。通过模拟对比试验，可用于评价相变储能复合板热工性能和节能效果，指导相变储能复合板的制备、设计及安装。

上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的具体结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡基于本发明技术方案的等同变换和改变均属于本发明。

Claims (8)

1.一种相变储能复合板热工性能的测试装置，配合一高低温试验箱工作，其特征在于：包括一箱体，所述箱体的一面留有用以安装待测复合板的位置，所述箱体的其余各面都使用保温隔热复合板，且待测复合板与箱体其余面形成封闭空间，在所述箱体内设置有制冷器、制热器和箱体测温探头、试件测温探头、控温探头；所述制冷器、制热器均通过导线与各自的电能表相连；所述箱体测温探头和试件测温探头通过导线与温度巡检仪相连，所述控温探头通过导线与控温仪相连；所述电能表通过导线与控温仪相连；

所述制冷器由冷风扇、半导体制冷片、水冷头、散热器、水泵、水桶构成，半导体制冷片的热面与水冷头相连，冷面连接冷风扇，冷风扇置于箱体内部，半导体制冷片经由导线与制冷电能表相连，水冷头进水口、散热器、水泵、水桶、水冷头出水口依次通过水管相连。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于：在所述箱体内还设置有均热板，隔设在待测复合板与制冷器、制热器之间。

3.如权利要求2所述装置，其特征在于：所述箱体测温探头、试件测温探头、控温探头插设在由均热板和待测复合板构成的空间内；所述试件测温探头为表面型测温探头，探测在待测复合板的内表面。

4.如权利要求3所述装置，其特征在于：所述散热器采用水冷排散热器，水泵采用隔膜泵或磁力泵。

5.如权利要求1或2或3或4所述装置，其特征在于：所述制热器由发热片和散热风扇构成，发热片的发热面和散热风扇连接，散热风扇置于箱体内部，所述发热片经由导线与制热电能表相连。

6.如权利要求5所述装置，其特征在于：所述发热片为PTC陶瓷发热片或硅橡胶发热片。

7.一种相变储能复合板热工性能的测试方法，使用权利要求1至6任一所述的装置，使用高低温试验箱模拟夏季或冬季的气候，将所述装置的箱体置于该高低温试验箱中，安装待测复合板，在控温仪上设定温度，启动制热器或制冷器、温度巡检仪、电能表，由温度巡检仪记录温度变化时间及温度变化值，电能表记录相应电耗，持续12小时，得到该相变储能复合板的热工性能数据。

8.一种相变储能复合板节能效果评价方法，按权利要求7的方法分别测试待测复合板即试件和对照复合板即对照件的热工性能，按间接节能评价指标评价试件的节能效果；

所述间接节能指标的表达公式为：

γ=（τ2-τ1）/τ1

其中，γ为相对时间滞后率，τ1为温度巡检仪记录的对照件由低温上升到达舒适温度上限值的时间，τ2为温度巡检仪记录的试件由低温上升到达舒适温度上限值的时间；γ值越大，表明试件维持室内舒适温度的时间延长的倍数大，节能效果越好。

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