糧倉相變墻體改造及熱工特性初步研究

徐 寧 曾長女 李皖皖 曲晶瑩

河南工業大學土木工程學院（450000）

0 引言

相變材料(PCM)是一種理想的儲能材料，在建筑圍護結構中的應用是當前低能耗建筑研究的熱點[1]。當PCM的溫度達到相變溫度時，PCM將通過自身相態的改變儲存熱量。因此，PCM的加入使墻體具備潛熱儲能能力，能夠大幅降低向室內傳遞的熱量，有效提升墻體保溫隔熱性能[2]。

為提升老舊糧倉的保溫隔熱性能，文章提出一種構建相變墻體的技術。首先研究了熱導強化、可直接外貼安裝的相變板材制備。其次，利用數值模擬進行系統分析，研究該墻體在夏高溫下的傳熱性能旨在為相變糧倉圍護結構的設計及推廣應用提供有利參考。

1 相變板材制備與墻體模型設置

相變材料選取石蠟，高密度聚乙烯被做為支撐材料，對復合相變材料熱導計算模型，膨脹石墨為導熱增強劑。文章研制的定形相變板材相變潛熱高、熱穩定性優良、熱導率大幅提升，可直接外貼至糧倉墻體外側，為舊倉相變儲能墻體的改造提供技術支撐。圖1 為制備的相變板材。

圖1 試驗制備相變板材

建立了普通加厚改造墻體、外貼PCM改造墻體兩種物理模型。設置兩種墻體厚度為240 mm，高度為2 000 mm。普通糧倉墻體材料為鋼筋混凝土；相變儲能墻體材料包括PCM和鋼筋混凝土，如圖2 所示，其中PCM層厚為L1，鋼筋混凝土層厚為L2。

圖2 模型示意圖

將墻體的內、外表面邊界設為對流換熱邊界，上、下邊界為絕熱邊界。墻外表面對流換熱系數為19 W/m2·K，墻體內表面換熱系數為8.7 W/m2·K。

當墻體厚度遠小于長度和寬度時，厚度方向對溫度傳熱影響較大，文章中墻體物理模型為考慮沿墻體厚度方向進行傳熱的一維模型。各層墻體的材料均勻分布且熱物理性為各向同性；相變材料發生固- 液相變時只存在熱傳導；忽略PCM相變體積變化及各層材料接觸面上的接觸熱阻等影響。

復合PCM與鋼筋混凝土構成相變儲能墻體，其傳熱過程隨時間、外界溫度發生變化，為非線性瞬態傳熱過程。文章采用顯熱容法對墻體結構建立一維傳熱數學模型。

2 傳熱性能評價指標

為了定量描述墻體結構的傳熱性能和對糧倉內溫度的調控效果，選取墻體內表面溫度、熱通量及節能率作為評價指標。

1）墻體內表面溫度:外界熱能逐漸傳遞到墻體內，改變墻體的溫度。墻體內表面溫度越低，說明PCM的儲能效果越好。

2）墻體內表面熱通量:又稱為墻體內表面熱流量，指單位時間通過墻體內表面的熱能。熱通量越小，PCM儲存的熱量就越多。

3）冷負荷:采用一周內（168 h）通過墻體內表面降低熱量的總和。節能率為通過普通墻體與相變墻體的冷負荷差值，與普通墻體冷負荷的比值表示。

Q為冷負荷，W·h/m2；Φ T（）為墻體內表面熱通量，W；QPCM-0編號為i 的PCM墻體冷負荷；ΔQi為節能率，%。

3 相變儲能墻體厚度傳熱模擬分析

取不同的PCM層厚應用于糧倉墻體中，模擬墻體7 d 的傳熱效果。PCM-0 為普通墻體；后面數字代表為PCM 層厚，如PCM-20、PCM-80 分別代表PCM層厚為20 mm、80 mm。其中PCM-30 為試驗制備的相變儲能墻體材料。

3.1 墻體內表面溫度

圖3 為不同PCM 層厚7 d 墻體內表面溫度變化。由圖可知，隨著PCM層厚增加，墻體內表面溫度逐漸下降。其中PCM-0 墻體內表面最高溫度為27.63 ℃，PCM-80 墻體內表面最高溫度為25.41℃，相比溫度下降2.22 ℃。而且，隨著PCM層厚的增加，墻體內表面溫度波動逐漸趨緩。而PCM-30增加10 mm PCM 后墻體內表面溫度下降最大，為0.64 ℃。

圖3 墻體內表面溫度

綜上分析，隨著PCM層厚的增加，墻體內表面溫度逐漸下降，但達到一定厚度后，PCM的儲能效果逐漸減小。文章模擬范圍內，當PCM層厚度為30 mm 時，PCM的儲能效果最大，需要進行PCM層厚度的優化設計，以達到最佳的使用效果。

3.2 節能分析

圖4 為不同PCM層厚下糧倉墻體內表面熱通量變化。由圖可知，與普通糧倉墻體相比，相變儲能墻體內表面熱通量波動小，墻體熱性能更為穩定。PCM-0 墻內表面熱通量最大達到32.09 W·m-2，而PCM-20 至PCM-80 的墻體內表面熱通量變化隨著PCM 層厚的增加而遞減，最終趨于穩定。與PCM-20 相比，PCM-30 的墻體內表面熱通量下降幅度最大為3.46 W·m-2。圖5 為根據計算獲得的不同PCM層厚下墻體的節能率。由圖可知，PCM-20墻體的節能率相比于無PCM 墻體降低最小，為7.06%；PCM-80 墻體與無PCM 墻體相比節能率降低最大，為19.81%。由此可知，隨著PCM層厚的增加，節能率也隨之增大。

圖4 熱通量

圖5 節約率對比

4 結論

文章研制出可直接外貼至舊倉墻體外側的高導熱相變板材，并物理構建相變儲能墻體結構，模擬研究其傳熱特性、對墻體結構進行參數優化，為提升舊倉保溫隔熱性能提供工程基礎和理論指導。文中得出以下主要結論:

1）研制的復合相變板材，相變潛熱高達200 kJ/kg，熱導提升約4 倍，熱穩定性高，表面平整，可直接外貼至糧倉墻體外側。經模擬計算發現，該相變儲能墻體可降低墻內表面溫度和提高節能率，相變板材的高熱導率可提升相變速率，增加潛熱利用率。

2）PCM層厚增加，墻體內表面溫度逐漸降低，溫度傳遞至墻體內表面的時間得到延遲，墻體節能率不斷增加，但節能效率卻不同。因此，需要選擇一個合適的相變層厚。當相變層厚為80 mm 時，墻體內表面溫度降低最大，相比于普通糧倉墻體節能率最大為19.81%；當相變層厚為30 mm 時，相變糧倉墻體的潛熱利用率最大。