專利名稱：一種相變儲能復合板的熱工性能測試裝置、測試方法以及節能評價方法
技術領域：
本發明涉及熱工測試領域，尤其涉及一種相變材料節能測試及評價，包括測試方法及裝置以及節能效果評價方法。
背景技術：
隨著經濟的高速發展和能源供需矛盾的日益突出，節能降耗成為實現21世紀可持續發展戰略的重要措施之一，建筑節能技術作為節能降耗的重要手段已引起國內外高度重視。相變儲能復合材料是相變材料與傳統建筑材料的結合，具有優異的節能性能和廣泛的應用前景。相變儲能材料即潛熱儲能材料，材料由固態向液態或液態向固態轉變時會發生熱能轉變，當相變材料達到相變溫度時，會通過吸收或釋放熱量保持溫度恒定。 迄今為止，由相變材料制成的實用化建筑制品已有很多種，但作為一種新型材料，至今還鮮有相變材料性能測試的相關標準出臺，特別是相變復合板的節能評價還比較落后。相變儲能復合板用于建筑節能究竟有多大貢獻，對室內溫度調節，對人體舒適程度究竟有多大影響等等，這些目前仍較模糊，這顯然不利于產品市場的宣傳與推廣。究其原因，在于目前尚沒有可用于對建筑用相變復合板節能效果進行檢測與評價的系統。
發明內容
基于上述問題，本發明擬在建立一個相變儲能復合板的節能測試與評價裝置，基于節能評價指標，結合高低溫試驗箱，對相變儲能復合板進行對比試驗，使其具備評判相變儲能復合板綜合熱工性能與節能程度的能力，以便進一步指導相變儲能復合板制備、設計及安裝。本發明目的之一是提供一種相變儲能復合板熱工性能的測試裝置。該裝置配合一高低溫試驗箱工作，包括一箱體，所述箱體的一面留有用以安裝待測復合板的位置，且待測復合板與箱體其余面形成封閉空間，在所述箱體內設置有制冷器、制熱器和箱體測溫探頭、試件測溫探頭、控溫探頭；所述制冷器、制熱器均通過導線與各自的電能表相連；所述箱體測溫探頭和試件測溫探頭通過導線與溫度巡檢儀相連，所述控溫探頭通過導線與控溫儀相連；所述電能表通過導線與控溫儀相連。所述箱體的其余各面都使用保溫隔熱復合板。在所述箱體內還設置有均熱板，隔設在待測復合板與制冷器、制熱器之間。所述箱體測溫探頭、試件測溫探頭、控溫探頭插設在由均熱板和待測復合板構成的空間內；所述試件測溫探頭為表面型測溫探頭，探測在待測復合板的內表面。所述制冷器由冷風扇、半導體制冷片、水冷頭、散熱器、水泵、水桶構成，半導體制冷片的熱面與水冷頭相連，冷面連接冷風扇，冷風扇置于箱體內部，半導體制冷片經由導線與制冷電能表相連，水冷頭進水口、散熱器、水泵、水桶、水冷頭出水口依次通過水管相連。所述散熱器采用水冷排散熱器，水泵采用隔膜泵或磁力泵。
所述制熱器由發熱片和散熱風扇構成,發熱片的發熱面和散熱風扇連接，散熱風扇置于箱體內部，所述發熱片經由導線與制熱電能表相連。所述發熱片為PTC陶瓷發熱片或硅橡膠發熱片。所述裝置還包括一外接計算機，其與電能表和溫度巡檢儀數據連接。本發明進一步目的是提供一種相變儲能復合板熱工性能的測試方法。該方法使用前述的相變儲能復合板熱工性能的測試裝置，具體是使用高低溫試驗箱模擬夏季或冬季的氣候，將所述裝置的箱體置于該高低溫試驗箱中，安裝待測復合板，在控溫儀上設定溫度，啟動制熱器(模擬冬季氣候)或制冷器(模擬夏季氣候)、溫度巡檢儀、電能表，由溫度巡檢儀記錄溫度變化時間及溫度變化值，電能表記錄相應電耗，持續12小時，得到該相變儲能復合板的熱工性能數據。本發明進一步目的是提供一種相變儲能復合板節能效果評價方法。按前述測試方法分別測試待測復合板(試件)和對照復合板(對照件)的熱工性能，然后按間接節能評價指 標和/或直接節能評價指標評價試件的節能效果；所述間接節能指標的表達公式為y = ( T 2-Tl) / Tl其中，Y為相對時間滯后率，T I為溫度巡檢儀記錄的對照件由低溫上升到達舒適溫度上限值的時間，T 2為溫度巡檢儀記錄的試件由低溫上升到達舒適溫度上限值的時間；Y值越大，表明試件維持室內舒適溫度的時間延長的倍數大，節能效果越好；所述直接節能評價指標的表達公式為n = (E1-E2) /E1其中，n為相對節能效率，E1為電能表記錄的對照件在一定時間內維持室內舒適溫度所耗電能，E2為電能表記錄的試件在同樣時間內維持室內舒適溫度所耗電能；n值越大，表明試件維持室內舒適溫度期間所耗電能降低的越多，節能效果越好。本發明由于采取以上技術方案，可獲得以下技術效果1、本發明通過箱體模擬房屋，通過高低溫試驗箱模擬室外環境。箱體內設置有制冷裝置、制熱裝置、溫控裝置和溫檢裝置，溫控裝置設置有目標室溫；試驗箱內預設有溫度變化規律；在箱體上安裝待測復合板，通過箱體內外的溫差帶來的制冷或制熱所消耗的電能，來評判待測復合板的熱工性能。本裝置真實模擬性強，并且室內外溫度都可控、可調，試驗應用性強。2、本發明模擬房屋只在一面安裝待測復合板，其它面采用絕熱保溫材料，使得試驗針對性強，更能準確測試待測復合板的熱工效果。3、系統設置電能表，可實時記錄用電情況。4、采用半導體制冷片的特性，進行冷熱交換，使得裝置變得簡單。
圖I是本發明的結構示意圖。圖2是本發明測試及評價實例中溫度巡檢儀記錄的普通發泡石膏板和相變發泡石膏板時間-溫度曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
本發明的設計構思為以一箱體模擬實際房屋，房屋一個面使用復合板試件，其它面隔熱保溫。箱體內設置有升溫和降溫裝置，分別模擬實際中的取暖裝置和空調制冷裝置。將整個箱體置于高低溫試驗箱內，模擬屋外氣溫變化。箱體內設置控溫和測溫裝置，箱體外設置測溫裝置。箱體由于其它幾個面絕熱，有一面傳熱，箱體內部溫度將隨著外部溫度變化而變化，此時為保持屋內溫度處于人體舒適溫度，控溫儀將啟動制熱或制冷。由于使用的復合板材料不同，制熱或制冷啟動的頻繁程度就不同，利用箱體內的溫度傳感器、電能表，即可實時記錄該“房屋”內溫度變化情況和用電情況，最后達到評價相變儲能復合板熱工和節能性能的目的。
因此，從功能上劃分，本發明基本可包括被檢主體、制冷/制熱系統、溫控系統和溫檢系統幾部分。具體講，其結構如圖I所示，包括一封閉箱體1，箱體I的一個面使用待測復合板2，其余各面都使用保溫隔熱板(圖I中箱體I以斜線表示部分)。在箱體I內部設置有均熱板3、制冷器4、制熱器5，其中均熱板3隔設在待測復合板2與制冷器4、制熱器5之間，使得待測復合板均勻受熱或致冷。在由均熱板3和待測復合板2構成的均溫空間內，插設有箱體測溫探頭6、試件測溫探頭7和控溫探頭8 ;箱體測溫探頭6和試件測溫探頭7通過導線與一外置于箱體I的溫度巡檢儀9相連，控溫探頭8通過導線與一外置于箱體I的控溫儀10相連。制冷器4和制熱器5均通過導線分別與各自的電能表11和11’相連，以記錄耗電能量。電能表11和11’均外置于箱體1，同時與控溫儀10導線相連。上述的制冷器4可以采用半導體制冷片12、水冷頭13、散熱器14、水泵15、水桶
16、冷風扇18構成。半導體制冷片12的熱面與水冷頭13相連,冷面與冷風扇18相連,該冷風扇18需置于箱體I內部，半導體制冷片12并經由導線與制冷電能表11相連；水冷頭13進水口、散熱器14、水泵15、水桶16、水冷頭13出水口依次通過水管相連(圖I中粗線表示水管線)形成一水流循環，散熱器14通常采用水冷排散熱器，水泵15通常采用隔膜泵或磁力泵。上述的制熱器5可以采用發熱片17和散熱風扇18’構成。發熱片17為PTC陶瓷發熱片或娃橡膠發熱片，其發熱表面附有散熱風扇18’，該散熱風扇18’需置于箱體I內部，發熱片17并經由導線與制熱電能表11’相連。上述的試件測溫探頭7為表面型測溫探頭，探頭設置在在待測復合板的內表面。將帶有上述布置的箱體I整體置于一模擬室外環境的高低溫試驗箱19內，箱體I上的管線通過高低溫試驗箱19側面開口與外部儀器相連。可采用已有的高低溫試驗箱19。該測試裝置，還可以設一外接計算機(圖中未示)，與電能表11和11’數據連接，與溫度巡檢儀9數據連接，用于以預裝算式對提供的數據進行分析處理并給出評價指標和評價結果。測試復合板熱工性能的方法可以包括以下步驟I、將待測復合板置于箱體I的一面，各電路、水路連接；在控溫儀10上設置好人體舒適溫度(如夏季為24-28°C，冬季為16-20°C)，以確保箱體內溫度低于或高于舒適溫度時，啟動制熱器5或制冷器4以維持箱體I內溫度；啟動溫度巡檢儀9、控溫儀10和電能表11’或11,檢測系統就緒。2、將高低溫試驗箱19按其說明預先設置溫度編程，以確保試驗運行時，高低溫試驗箱內溫度能按設定程序變化以模擬出室外環境。上述步驟1、2不嚴格按照此順序，可以先做步驟2，后做步驟I。3、將箱體I置入高低溫試驗箱19內，關上高低溫試驗箱19柜門。4、啟動高低溫試驗箱19，試驗開始，觀察溫度巡檢儀9變化，由控溫儀10發出制冷或制熱指令，電能表11或11’記錄電耗。5、根據溫度變化情況，由箱體測溫探頭6得出的室內溫度變化及由試件測溫探頭7得出的復合板內表面溫度變化(由溫度巡檢儀9記錄)和電耗情況，可直觀地了解試件的熱工性能，例如由溫度巡檢儀采集時間-溫度曲線，由電能表記錄電耗。可在前述步驟基礎上進一步結合步驟6和/或7來評價復合板的節能效果 6、利用相對時間滯后率作為間接節能指標來評價復合板特別是相變儲能復合板的熱工性能。該過程需在同樣條件下對普通復合板和相變儲能復合板進行對照測試。其表達公式如下y = ( T 2-Tl) / Tl其中，Y為相對時間滯后率，T I為普通復合板在外界熱環境的傳熱下，由低溫上升到達舒適溫度上限值的時間(由溫度巡檢儀9記錄)，T 2為相變儲能復合板在外界熱環境的傳熱下，由低溫上升到達舒適溫度上限值的時間(由溫度巡檢儀9記錄)。該間接節能指標表達的意義是外界熱流透過復合板或相變復合板進入室內引起室內升溫的情況下，相變儲能復合板相對普通復合板阻止室內溫度升高，直至高過室內舒適溫度的時間相對值。該指標可用于評價普通復合板或者相變復合板維持室內舒適溫度時間長短的能力。Y值越大，表明相變儲能復合板維持室內舒適溫度的時間延長的倍數大，節能效果越好。7、利用相對節能效率作為直接節能指標來評價復合板特別是相變儲能復合板的熱工性能。該過程需在同樣條件下對普通復合板和相變儲能復合板進行對照測試。其表達公式如下n = (E1-E2) /E1其中，n為相對節能效率，E1為普通復合板在一定時間內(通常為12h)維持室內舒適溫度所耗電能(由電能表記錄)，E2為相變儲能復合板在一定時間內(通常為12h)維持室內舒適溫度所耗電能(由電能表記錄)。該直接節能指標從能量的角度衡量普通復合板或者相變儲能復合板對室內舒適溫度的貢獻能力。n值越大，表明相變儲能復合板在相同時間內維持室內舒適溫度期間所耗電能降低的越多，節能效果越好。步驟6或7的指標同樣適用于冬季用相變儲能復合板節能評價。測試及評價實例在測試實例中，以本發明裝置對空白發泡石膏板和添加10%相變材料的相變發泡石膏板的節能性能進行對比測試。由于所添加的相變材料其相變溫度為26°C，符合夏季室內舒適溫度，冬季使用效果不佳，因此以夏季模擬試驗為例。實驗步驟如下將待測試件固定于箱體I上，并將箱體I置于高低溫試驗箱中。在控溫儀上設置箱體I (室內)初始溫度為22-23°C，開啟致冷器(由于箱體I外溫度高于箱內溫度，箱內溫度只升不降，因此此處只有致冷器單獨工作。冬季模擬與此類似，通常只有制熱器工作)，使箱體內溫度達到并維持這一溫度，將其作為室內初始溫度。該溫度是長江中下游冬冷夏熱地區夏季晚上平均溫度，考慮到夏季晚上采取通風措施，使得室內溫度接近室外溫度，故采用該溫度作為初始溫度有一定合理性。在高低溫試驗箱上(室外)設置溫度為34°C，這個溫度也是根據夏季典型日氣溫計算得出的，因此具有普遍性和合理性。關閉柜門，一切就緒后，啟動高低溫試驗箱，此時箱外溫度將很快上升至34°C。啟動溫度巡檢儀，對箱體內溫度進行實時采集，并用PC保存數據。在控溫儀上預制好箱體內溫度區間為26-28°C，使得當箱體內溫度超過28°C時，控溫儀啟動致冷器對箱體進行降溫，直至降到26°C，當溫度再度升高，則再次啟動制冷器，如此反復，使箱體內溫度維持在26-28°C這一人體舒適溫度。連接于制冷器4與控溫儀10之間的電能表11，對其電耗進行記錄，整個實驗過程持續12h。利用該法對普通發泡石膏板和相變發泡石膏板分別試驗后，多路溫度巡檢儀9采集的時間-溫度曲線如圖2所示。由該圖可以看出，普通發泡石膏板從24°C達到28°C所用時間為3580s，而添加相變材料的石膏板則耗時8560s，根據間接節能評價指標，其相對時間滯后率為 y = (8560-3580)/3580X100%=139. 1%該結果表明發泡石膏板內添加10%的相變材料之后，維持室內舒適溫度的時間比普通石膏板延長了 I. 39倍。在12h內，由電能表上記錄的普通發泡石膏板維持舒適溫度所耗電量為
0.132KWH，相變發泡石膏板耗電量為0. 0891KWH。根據直接評價指標，其相對節能效率為11 = (0. 132-0. 09405)/0. 132X100%=28. 7%該結果表明添加了相變材料的相變儲能石膏板比普通石膏板在12h內維持室內舒適溫度期間所耗電能要低了 28. 7%。經過試驗測試結果分析得知進行夏季模擬試驗時，未添加相變材料的普通復合板(對照件)由于其熱容小，“房屋”內溫度變化較快，且溫度上升至舒適溫度值的時間(由溫度巡檢儀記錄)較短，因此“房屋”啟動制冷裝置較快，啟動也更加頻繁，因此耗電量(由電能表記錄)較多；添加相變材料的儲能復合板(試件)，由于儲能復合板所添加的相變材料有相對較高的熱容，其相變溫度處于人體舒適溫度附近，當外界溫度高于相變溫度時，其發生固液相變吸熱，導致“房屋”內溫度升高相對滯后，因此啟動制冷裝置相對較遲(時間較長，由溫度巡檢儀記錄)，總耗電量較少(由電能表記錄)。相變儲能復合板冬季模擬試驗跟夏季模擬試驗類似。通過模擬對比試驗，可用于評價相變儲能復合板熱工性能和節能效果，指導相變儲能復合板的制備、設計及安裝。上述實施例僅用于說明本發明，其中各部件的具體結構、連接方式等都是可以有所變化的，凡基于本發明技術方案的等同變換和改變均屬于本發明。
權利要求
1.一種相變儲能復合板熱工性能的測試裝置，配合一高低溫試驗箱工作，其特征在于包括一箱體，所述箱體的一面留有用以安裝待測復合板的位置，且待測復合板與箱體其余面形成封閉空間，在所述箱體內設置有制冷器、制熱器和箱體測溫探頭、試件測溫探頭、控溫探頭；所述制冷器、制熱器均通過導線與各自的電能表相連；所述箱體測溫探頭和試件測溫探頭通過導線與溫度巡檢儀相連，所述控溫探頭通過導線與控溫儀相連；所述電能表通過導線與控溫儀相連。
2.如權利要求I所述裝置，其特征在于所述箱體的其余各面都使用保溫隔熱復合板。
3.如權利要求I或2所述裝置，其特征在于在所述箱體內還設置有均熱板，隔設在待測復合板與制冷器、制熱器之間。
4.如權利要求3所述裝置，其特征在于所述箱體測溫探頭、試件測溫探頭、控溫探頭插設在由均熱板和待測復合板構成的空間內；所述試件測溫探頭為表面型測溫探頭，探測在待測復合板的內表面。
5.如權利要求I所述裝置，其特征在于所述制冷器由冷風扇、半導體制冷片、水冷頭、散熱器、水泵、水桶構成，半導體制冷片的熱面與水冷頭相連，冷面連接冷風扇，冷風扇置于箱體內部，半導體制冷片經由導線與制冷電能表相連，水冷頭進水口、散熱器、水泵、水桶、水冷頭出水口依次通過水管相連。
6.如權利要求5所述裝置，其特征在于所述散熱器采用水冷排散熱器，水泵采用隔膜泵或磁力泵。
7.如權利要求I所述裝置，其特征在于所述制熱器由發熱片和散熱風扇構成，發熱片的發熱面和散熱風扇連接，散熱風扇置于箱體內部，所述發熱片經由導線與制熱電能表相連。
8.如權利要求7所述裝置，其特征在于所述發熱片為PTC陶瓷發熱片或硅橡膠發熱片。
9.一種相變儲能復合板熱工性能的測試方法，使用權利要求I至8任一所述的裝置，使用高低溫試驗箱模擬夏季或冬季的氣候，將所述裝置的箱體置于該高低溫試驗箱中，安裝待測復合板，在控溫儀上設定溫度，啟動制熱器或制冷器、溫度巡檢儀、電能表，由溫度巡檢儀記錄溫度變化時間及溫度變化值，電能表記錄相應電耗，持續12小時，得到該相變儲能復合板的熱工性能數據。
10.一種相變儲能復合板節能效果評價方法，按權利要求9的方法分別測試待測復合板(試件)和對照復合板(對照件)的熱工性能，按間接節能評價指標和/或直接節能評價指標評價試件的節能效果； 所述間接節能指標的表達公式為Y = ( T 2- Tl) / Tl 其中，Y為相對時間滯后率，T I為溫度巡檢儀記錄的對照件由低溫上升到達舒適溫度上限值的時間，T 2為溫度巡檢儀記錄的試件由低溫上升到達舒適溫度上限值的時間；Y值越大，表明試件維持室內舒適溫度的時間延長的倍數大，節能效果越好； 所述直接節能評價指標的表達公式為 n = (E1-E2) /E1 其中，n為相對節能效率，E1為電能表記錄的對照件在一定時間內維持室內舒適溫度所耗電能，E2為電能表記錄的試件在同樣時間內維持室內舒適溫度所耗電能；n值越大，表明試件維持室內舒適溫度期間 所耗電能降低的越多，節能效果越好。
全文摘要
本發明公開一種相變儲能復合板熱工性能測試方法和裝置及其節能評價方法，該測試裝置為置于模擬氣候的高低溫試驗箱內的箱體，箱體的一面安裝有待測復合板，箱體內設置有制冷器、制熱器和箱體測溫探頭、試件測溫探頭、控溫探頭；制冷器、制熱器均與電能表相連，各測溫探頭與溫度巡檢儀相連。本發明將箱體視為一間房，將其置入高低溫試驗箱，由高低溫試驗箱模擬環境溫度變化。檢測系統將對復合板內表面及箱體內溫度變化進行實時記錄。利用箱體內制冷及制熱耗能，基于相變材料的測試數據和節能評價指標，可對復合板試件進行節能評價。
文檔編號G01N25/20GK102721720SQ20121015448
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月17日 優先權日2012年5月17日
發明者周全, 李東旭, 李清海, 郭紅斌 申請人:中國建筑材料科學研究總院