外貼定形相變材料的混凝土墻體節能特性分析

柴 國 榮

(國家知識產權局，北京 100088)

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外貼定形相變材料的混凝土墻體節能特性分析

柴 國 榮

(國家知識產權局，北京 100088)

采用ANSYS軟件對混凝土外貼定形相變材料組成的相變墻體的節能特性進行了模擬研究，并對其計算結果進行了分析，結果表明：定形相變材料的相變溫度在一定程度上影響墻體節能性能和相變材料能力的發揮，需要根據氣候條件進行合理的選擇。

相變材料，外貼式，節能

相變墻體是建筑節能行業一個新的研究熱點。相變墻體利用相變材料的相變潛熱存儲多余的能量，需要時再釋放出來，起到節能的效果。相變材料的潛熱吸收或放出的能量比顯熱高出1個～2個數量級，因此利用相變材料的潛熱設計出相變墻體在節能效果上優勢非常明顯。然而由于傳統相變貯能材料在相變過程中在固液狀態間不斷轉化，因此需要設計密封容器，不但熱阻大、效果差，美觀性差、占用空間大等弱點也阻礙了這項新技術的廣泛應用。近期出現的定形相變材料不需要再設計容器，成本低、設計和施工方便，對于眾多舊建筑也是業主比較容易接納的一種安裝方式。因此很多學者對定形相變材料進行了數值模擬和實驗方面的相關研究工作。數值模擬工作包括郭志強、胡小芳、孫瀟，采用ANSYS軟件進行模擬計算研究，研究結果表明，利用ANSYS軟件在非線性分析方面的功能，能夠很好的模擬相變材料的溫度變化，并且ANSYS模擬計算結果和試驗結果一致性較好，表明采用ANSYS軟件進行定形相變材料的模擬計算研究是可行的。肖偉等模擬研究了北京地區定形相變墻體的相變溫度和相變板厚度。目前混凝土墻體在建筑行業中大量應用，但目前還缺乏采用定形相變材料的混凝土墻體節能效果方面的研究。為研究混凝土墻體在安裝了相變材料對于不同氣候情況下的節能特性，本文采用ANSYS軟件對混凝土墻體外貼安裝定形相變材料后的傳熱和相變特性進行計算，并對計算結果進行了分析。

1 數學模型

本文研究的墻體如圖1所示，由定形相變材料(0～L1)、混凝土(L1～L2)組成。混凝土面向室內環境；定形相變材料面向室外，采用外貼的形式安裝在混凝土墻體上。外貼式安裝方式的主要優點是不占用室內空間、舊建筑施工方便、易維修。

混凝土的導熱方程為：

(1)

其中，α0為混凝土熱擴散系數。定形相變材料導熱方程采用焓的形式：

(2)

其中，H為焓值;k1，ρ1分別為導熱系數和密度。邊界條件為：

混凝土與外環境采用定溫邊界，外環境溫度為Tout：

(3)

混凝土與室內環境界面的邊界條件給出環境溫度及換熱系數hin，室內環境溫度為Tin：

(4)

計算中采用的室外氣溫曲線見圖2，氣溫曲線1和曲線2的最低氣溫分別為21.5 ℃和16.5 ℃，最高氣溫分別為37.5 ℃和32.5 ℃，變化范圍均為16.0 ℃。室溫取T∞=24.0 ℃，換熱系數hin=6 W/(m2·K)。

初始溫度取室溫,即T0=T∞。

2 計算及結果分析

數值計算中分別采用表1所示的兩種不同定形相變材料，為比較相變溫度對節能效果的影響，兩種相變材料相變溫度不同，導熱系數、密度、比熱采用的值相同。研究的混凝土墻體厚度為100 mm，定形相變材料采用外貼的方式安裝在混凝土墻體上，相變材料的厚度為20 mm。計算模型網格如圖3所示。

表1 熱物性參數取值

圖4為無定形相變材料的混凝土墻體內表面溫度隨兩種室外環境溫度的變化情況。從圖4中可以看到，在無相變材料、墻體僅由混凝土組成時，墻體內表面隨室外環境溫度變化較大。在兩種氣溫曲線情況下，室外環境溫度波動幅度均為16.0 ℃，墻體內表面溫度隨室外環境溫度波動幅度為10.0 ℃，單位面積墻體所需室內制冷裝置制冷量分別為2 671 kJ和1 274 kJ。

厚度為100 mm混凝土墻體在外貼了20 mm厚、相變溫度為30.0 ℃的定形相變材料時，墻體內表面溫度隨兩種室外環境溫度的變化情況如圖5所示。從圖5a)中可以看到，在氣溫曲線1情況下，墻體內表面溫度的波動幅度由外貼定形相變材料前的10.0 ℃減小到3.0 ℃，單位面積墻體所需室內制冷裝置制冷量減少到1 894 kJ，節能29%；圖5b)中可以看出，在氣溫曲線2情況下，墻體內表面溫度的波動幅度由外貼定形相變材料前的10.0 ℃減小到3.5 ℃，單位面積墻體所需室內制冷裝置制冷量減小到734 kJ，節能42%(見表2)。

表2 單位面積墻體節能效果

在室外環境溫度高于室內溫度的情況下，室內環境溫度需要室內制冷裝置來維持，因此墻體內表面溫度波動大，需要的制冷裝置的峰值功率和每日制冷量也大。減小墻體內表面溫度波動，降低了制冷裝置的峰值功率和每日制冷量。比較圖5a)和圖5b)可以看到，兩種氣溫曲線波動幅度相同的情況下，墻體內表面波動幅度相差0.5 ℃的原因是定形相變材料的相變溫度為30.0 ℃，氣溫曲線2的溫度上升到最高值時，相變材料還未完全發生相變，室外環境溫度就已開始下降，相變材料未能完全發揮作用。如果選用相變溫度低一些的定形相變材料，就能夠使相變材料完全發揮作用。圖6為氣溫曲線2情況下、厚度為100 mm混凝土墻體在外貼了20 mm厚、相變溫度為27.0 ℃的定形相變材料時，墻體內表面溫度曲線。由圖6可看到，相變溫度降低使得相變材料完全熔化，因此更好的發揮了相變儲能的作用，墻體內表面溫度的波動幅度由降低相變溫度前的3.5 ℃減小到了3.0 ℃，單位面積墻體所需室內制冷裝置制冷量減小到670 kJ，節能量提高到了48%。但是，相變材料的相變溫度并不是越低越好，如果相變溫度低于室外環境日氣溫變化的最低值，則相變材料一直處于熔化狀態、不能發揮相變潛熱的蓄熱能力。因此，相變材料的相變溫度需要根據當地日氣溫變化水平進行適當的選擇。

3 結語

本文采用ANSYS軟件分析了混凝土外貼定形相變材料組成的相變墻體的節能特性，結果表明：1)100 mm厚的混凝土墻體外貼安裝20 mm的定形相變材料后，減小了墻體內表面的溫度波動幅度，降低了室內制冷裝置每日的峰值功耗和制冷量。2)定形相變材料的相變溫度在一定程度上影響墻體節能性能和相變材料能力的發揮，需要根據氣候條件進行合理的選擇。

[1]郭志強,吳文健,滿亞輝,等.基于ANSYS有限元方法對相變材料相變過程的分析.新技術新工藝,2007(11):87-89. 胡小芳,肖 迪.基于ANSYS的相變儲能建筑材料溫度響應特性的研究.材料導報,2009,23(22):83-86.

[2]孫 瀟,鄒 鉞.相變墻體溫度變化的計算機模擬.建筑節能,2010(9):58-60.

[3]肖 偉,王 馨，張寅平.定形相變墻板改善輕質墻體夏季隔熱性能研究.工程熱物理學報,2009,30(9):1561-1563.

Analysis of the energy-saving characteristic of outside mounted phase change power storage wall

Chai Guorong

(StateIntellectualPropertyOfficeoftheP.R.C.,Beijing100088，China)

The paper studies the energy-saving features of external shape-stabilized PCM with ANSYS software, and analyzes its computation results. The result shows that: the shape-stabilized PCM temperature influences the wall energy-saving performance and PCM capability, which needs to select rationally according to climate conditions.

Phase Change Material(PCM), outer adhering type, energy-saving

1009-6825(2015)01-0191-02

2014-10-27

柴國榮(1981- )，女，四級審查員

TU201.5

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