一種新型相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱性能研究

朱信宇，孟二林，曹閆，倪榮妹，張威威，陳建梅

（蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

一種新型相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱性能研究

朱信宇，孟二林，曹閆，倪榮妹，張威威，陳建梅

（蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

我國夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)是夏季悶熱，冬季濕冷。一種新型的相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)（組合式相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)）被提出。利用顯熱容法建立了相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱模型，在此基礎(chǔ)上利用數(shù)值模型對(duì)組合式相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)在上海地區(qū)典型氣候條件下的室內(nèi)空氣溫度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面熱流密度進(jìn)行了模擬，并將模擬結(jié)果與普通圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示這種新型相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效改善冬季和夏季的室內(nèi)熱環(huán)境。

組合式相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)；冬季和夏季；空氣溫度；熱流密度

利用相變儲(chǔ)能建筑材料構(gòu)筑建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性，提高蓄熱能力；可以與建筑物供暖、空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合使用，緩解建筑物的能量供求在時(shí)間和強(qiáng)度上不匹配的矛盾，起到電力“削峰填谷”的作用；可以減少外墻厚度，從而達(dá)到減輕建筑物自重、節(jié)約建筑材料的目的。因此，日益受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，成為目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題[1-2]。

Athienitis通過研究得出相變墻體應(yīng)用于被動(dòng)式太陽房的內(nèi)墻時(shí)，白天室溫比常規(guī)墻體低4℃，而夜間放熱可以延續(xù)7 h以上，夜間相變墻體表面溫度比常規(guī)墻體高3.2℃[3]。

Ibanez M將相變材料與混凝土進(jìn)行摻混并將其布置在西墻和屋頂，結(jié)果顯示最佳的相變溫度在25～27.5℃，相變墻體最大可以使室內(nèi)溫度降低3℃[4]。Stritih U研究了該相變材料與夜間通風(fēng)聯(lián)合應(yīng)用時(shí)室內(nèi)的空氣溫度、熱流等參數(shù)[5]。他們指出如果要獲得充分的傳熱量,空氣溫度和相變材料的相變溫度之差應(yīng)為3～5℃。Bogdan M提出了雙層相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的概念，研究顯示雙層相變材料能減少冬夏的室內(nèi)負(fù)荷，有利于全年節(jié)能[6]。Jin X在地板了布置了兩種相變溫度的相變材料，并指出地板采暖時(shí)，相變材料最佳相變溫度為38℃；地板供冷時(shí)，相變材料最佳相變溫度為18℃[7]。Helmut等人研究了相變溫度為25℃的石蠟做成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與夜間通風(fēng)聯(lián)合使用時(shí)室內(nèi)空氣溫度、墻體表面溫度等參數(shù)[8]。結(jié)果表明,該相變墻板可使室內(nèi)空氣溫度波幅下降2～3℃。Kalousck和Hirs對(duì)應(yīng)用了PCM墻板的房間屋頂進(jìn)行了模擬，通過對(duì)夏季兩個(gè)房間的熱舒適性比較，第一個(gè)房間是傳統(tǒng)墻板，第二個(gè)房間是PCM墻板[9]。與普通房間相比PCM墻板能夠維持夏季室內(nèi)的熱舒適性，并且房間表面的溫度和空氣溫度分別降低了3.5℃和2.1℃。張群力對(duì)結(jié)合夜間通風(fēng)的相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱性能進(jìn)行了理論研究和模擬分析，指出相變墻適用于平均溫度低于25℃、溫差較大的氣候條件[10]。丁理峰研究了相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)在夏季和冬季的使用效果，由于夏季相變溫度較高，冬季相變溫度較低，因此很難找到一種材料同時(shí)滿足全年舒適性[11]。

由上述可見，相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)不論是在被動(dòng)式建筑中改善室內(nèi)熱環(huán)境還是在主動(dòng)式建筑中減小室內(nèi)負(fù)荷方面都有積極作用。另外，早期的研究多是針對(duì)相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)在某一個(gè)季節(jié)的應(yīng)用，近期已經(jīng)有越來越多的學(xué)者開始關(guān)注相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)全年的應(yīng)用效果。該文構(gòu)建了一種組合式相變房間模型，利用顯熱容法建立了相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱模型，在此基礎(chǔ)上利用數(shù)值模型對(duì)組合式相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)在上海地區(qū)典型氣候條件下的熱性能進(jìn)行了模擬，并將模擬結(jié)果與普通圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括一個(gè)普通房間以及一個(gè)組合式相變房間，兩房間的尺寸都是1 m×1 m×1 m，在兩房間的南墻上都有一面雙層玻璃窗戶，窗戶尺寸為0.7 m×0.7 m。組合式相變房間中兩種相變材料在室內(nèi)的布置方式見圖1，其墻體結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中使用的兩種相變材料分別為RT18和SP29，相變材料封裝方式為鋁板宏觀封裝。兩種相變材料的物性參數(shù)見表1。

圖1 兩種相變材料在室內(nèi)的布置

圖2 相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的形式

表1 相變材料的物性參數(shù)

2 相變傳熱數(shù)值模型建立與驗(yàn)證

2.1 數(shù)值模型的建立

在建立相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型的過程中作以下假設(shè)：（1）相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳熱過程為一維；（2）所有墻體材料都是各向同性的；（3）忽略相變材料在融化過程中的自然對(duì)流和凝固過程中的過冷效應(yīng)。

該文選擇使用顯熱容法建立相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的數(shù)值模型如下：

其中邊界條件為

式中，ρ為相變材料密度，kg/m3；c為相變材料比熱，kJ/（kg·℃）；t為相變材料溫度，℃；λ為相變材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；q1為x=0邊界處熱流密度，W/m2;qn為x=L邊界處熱流密度，W/m2。

其中液相百分比的定義[12]為

式中，tm為相變溫度，℃；Δt為相變區(qū)間，℃；cs，lq為液相或固相相變材料的比熱，J/（kg·℃）；M為相變潛熱，kJ/ kg;f為液相百分比。

該文借助于瞬時(shí)系統(tǒng)模擬程序TRNSYS（Transient System Simulation program）平臺(tái)，根據(jù)以上顯熱容法建立的相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱模型，通過FORTRAN語言在TRNSYS中建立了新的相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱模塊，并將該文建立的新模塊與TRNSYS中的“多區(qū)域建筑模型”（type56）聯(lián)合運(yùn)行計(jì)算，這樣便可以模擬組合式相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)下室內(nèi)的空氣溫度及熱流密度等參數(shù)。

2.2 數(shù)值模型的驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測量的氣象參數(shù)以及組合式相變房間、普通房間的參數(shù)，利用TRNSYS中建立的相變傳熱模型，該文模擬了實(shí)驗(yàn)條件下的室內(nèi)空氣溫度以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面熱流密度，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的比較

從圖3中可以看出：普通房間和組合式相變房間的室內(nèi)空氣溫度以及內(nèi)壁面熱流密度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果都具有較好的吻合度。說明該文建立的組合式相變房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型可以用于其傳熱性能的描述。

3 典型氣候條件下組合式相變房間熱性能模擬

為了更加深入的研究組合式相變房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)和普通圍護(hù)結(jié)構(gòu)在不同季節(jié)下?lián)Q熱性能方面的差別，選取了夏熱冬冷地區(qū)的上海作為研究對(duì)象，其典型年氣候條件下的室外空氣溫度以及太陽輻射強(qiáng)度見圖4。由于東墻和北墻是RT18的相變材料，而屋頂、地板和西墻是SP29的相變材料，在夏季時(shí)RT18的相變材料基本處于液態(tài)（液相百分比為1），而在冬季時(shí)，SP29的相變材料基本處于固態(tài)（液相百分比為0），因此在分析液相百分比時(shí)，夏季僅僅針對(duì)含有SP29的屋頂,冬季僅僅針對(duì)含有RT18的東墻。

圖4 上海地區(qū)典型年夏季（a）和冬季（b）室外空氣溫度和太陽輻射強(qiáng)度

3.1 室內(nèi)空氣溫度模擬

圖5為兩房間室內(nèi)空氣溫度以及屋頂SP29和東墻RT18的液相百分比。在夏季時(shí)候，組合式相變房間的室內(nèi)空氣最高溫度為56.5℃，最低溫度為27.4℃，而普通房間的室內(nèi)最高和最低氣溫分別為59.7℃和26.3℃。在冬季條件下，相變房間室內(nèi)最高溫度為30.7℃，最低溫度為7.5℃，普通房間室內(nèi)氣溫的最高和最低值為41.8℃和4.4℃。相變房間可以在夏季減小室內(nèi)溫度變化幅度達(dá)4.3℃，在冬季減小室內(nèi)溫度變化幅度達(dá)14.2℃。

圖5 夏季（a）和冬季（b）情況下兩房間的室內(nèi)空氣溫度以及相變材料的液相百分比

相變房間在冬季減小室內(nèi)溫度波動(dòng)的作用更顯著的原因主要是，冬季條件下RT18的相變材料每天都發(fā)生相變作用，而在夏季條件下，SP29的相變材料在大約兩天后就全部融化了，而且在后面的幾天中一直處于液態(tài)，沒能發(fā)揮其相變儲(chǔ)能的作用。

3.2 墻體內(nèi)表面熱流密度模擬

圖6為屋頂和東墻內(nèi)表面熱流密度的變化以及SP29和RT18的液相百分比。在夏季工況下的開始階段白天的時(shí)候，相變房間屋頂內(nèi)表面的熱流密度為負(fù)值，這表明相變材料從室內(nèi)吸熱。在夜晚的時(shí)候，相變房間屋頂?shù)臒崃鳛檎担蓓斚蚴覂?nèi)放熱，但是由于夜晚時(shí)候相變房間的室內(nèi)空氣溫度比較接近29℃，因此夜晚時(shí)候相變房間屋頂向室內(nèi)的放熱的熱流密度比較小。

圖6 夏季（a）和冬季（b）組合式相變房間屋頂和東墻內(nèi)表面的熱流密度及液相百分比

夏季工況下，相變房間東墻內(nèi)的RT18都為液態(tài)，沒有發(fā)生相變，因此東墻內(nèi)表面白天的熱流密度為正值，夜晚時(shí)候的熱流密度為負(fù)值。在夏季的后面幾天，當(dāng)SP29相變材料的液相百分比為1時(shí)（全部融化），相變房間屋頂內(nèi)表面的熱流密度方向和東墻內(nèi)表面的熱流密度方向基本相同。即在開始階段組合式相變房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的傳熱為“異向傳熱”，當(dāng)兩種材料全部融化后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的傳熱為“同向傳熱”。

在冬季條件下，相變房間屋頂?shù)腟P29基本一直處于固態(tài)，沒有發(fā)生相變，因此屋頂內(nèi)表面的熱流密度方向僅僅取決于室內(nèi)外空氣溫度的高低。但是RT18在每天的白天吸熱融化，夜晚放熱凝固，起到了相變儲(chǔ)能的作用，使得東墻內(nèi)表面熱流密度的方向和室內(nèi)外溫差呈現(xiàn)出相反的方向。組合式相變房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的傳熱表現(xiàn)為“異向傳熱”。

4 結(jié)論

（1）在上海地區(qū)典型年氣候條件下，相變房間可以在夏季減小室內(nèi)溫度變化幅度達(dá)4.3℃，在冬季減小室內(nèi)溫度變化幅度達(dá)14.2℃。冬季和夏季的室內(nèi)熱環(huán)境都得到了一定的改善。

（2）當(dāng)組合式相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)兩種相變材料一種發(fā)生相變，另一種不發(fā)生相變時(shí)，兩種圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的熱流傳遞表現(xiàn)為“異向傳熱”，當(dāng)兩種相變材料都沒有發(fā)生相變時(shí)，兩種圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的熱流傳遞表現(xiàn)為“同向傳熱”。

該文只對(duì)實(shí)驗(yàn)的建筑類型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬研究，當(dāng)組合式相變的構(gòu)思應(yīng)用于其他類型建筑，比如多層建筑時(shí)，文中所建立的數(shù)值模型仍然可以為其傳熱性能的研究提供平臺(tái)。該文的研究成果可以為組合式相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

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Study of the thermal performance of a new type of phase change material wall

ZHU Xinyu,MENG Erlin,CAO Yan,NI Rongmei,ZHANG Weiwei,CHEN Jianmei
（School of Environmental Science and Engineering,SUST,Suzhou 215009,China）

The hot summer and cold winter region in our country is characterized by high temperature and high humility in summer,low temperature and high humility in winter.A new type of phase change material wall（combined phase change wall）was proposed.That is to lay two different kinds of phase change materials（PCM）on envelopes of different orientations.The PCM with relatively high phase change temperature works during summer to improve the indoor thermal environment,while the PCM with relatively low phase change temperature works during winter to improve the indoor thermal environment.The heat capacity method was used to establish a numerical model of the PCM wall.Numerical results were compared with experimental results.The verified numerical model was then used to study the indoor air temperature and the heat flux of the internal surface of the combined PCM wall under the typical climatic condition in Shanghai.Results show that this new type of wall can effectively improve indoor thermal environment during summer.

combined phase change wall;winter and summer;air temperature;heat flux

TK02

A

1672-0679（2016）04-0017-05

（責(zé)任編輯：經(jīng)朝明）

2016-08-09

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20160354）；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201610332066X）

朱信宇（1992-），男，江蘇徐州人，在讀本科生。

孟二林（1982-），男，講師，博士，主要從事相變儲(chǔ)能技術(shù)的研究，Email：m20_njnu@126.com。