一种新型相变围护结构的热性能研究

一种新型相变围护结构的热性能研究 一种新型相变围护结构的热性能研究

朱信宇，孟二林，曹闫，倪荣妹，张威威，陈建梅

（苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州215009）

摘要：我国夏热冬冷地区的气候特点是夏季闷热，冬季湿冷。一种新型的相变围护结构（组合式相变围护结构）被提出。利用显热容法建立了相变围护结构的传热模型，在此基础上利用数值模型对组合式相变围护结构在上海地区典型气候条件下的室内空气温度和围护结构内表面热流密度进行了模拟，并将模拟结果与普通围护结构进行了比较，结果显示这种新型相变围护结构可以有效改善冬季和夏季的室内热环境。

关键词：组合式相变围护结构；冬季和夏季；空气温度；热流密度

利用相变储能建筑材料构筑建筑围护结构可以增加围护结构的热惰性，提高蓄热能力；可以与建筑物供暖、空调系统结合使用，缓解建筑物的能量供求在时间和强度上不匹配的矛盾，起到电力“削峰填谷”的作用；可以减少外墙厚度，从而达到减轻建筑物自重、节约建筑材料的目的。因此，日益受到国内外学者的重视，成为目前国内外研究的热点问题[1-2]。

Athienitis通过研究得出相变墙体应用于被动式太阳房的内墙时，白天室温比常规墙体低4℃，而夜间放热可以延续7 h以上，夜间相变墙体表面温度比常规墙体高3.2℃[3]。

Ibanez M将相变材料与混凝土进行掺混并将其布置在西墙和屋顶，结果显示最佳的相变温度在25～27.5℃，相变墙体最大可以使室内温度降低3℃[4]。Stritih U研究了该相变材料与夜间通风联合应用时室内的空气温度、热流等参数[5]。他们指出如果要获得充分的传热量,空气温度和相变材料的相变温度之差应为3～5℃。Bogdan M提出了双层相变围护结构的概念，研究显示双层相变材料能减少冬夏的室内负荷，有利于全年节能[6]。Jin X在地板了布置了两种相变温度的相变材料，并指出地板采暖时，相变材料最佳相变温度为38℃；地板供冷时，相变材料最佳相变温度为18℃[7]。Helmut等人研究了相变温度为25℃的石蜡做成的围护结构与夜间通风联合使用时室内空气温度、墙体表面温度等参数[8]。结果表明,该相变墙板可使室内空气温度波幅下降2～3℃。Kalousck和Hirs对应用了PCM墙板的房间屋顶进行了模拟，通过对夏季两个房间的热舒适性比较，第一个房间是传统墙板，第二个房间是PCM墙板[9]。与普通房间相比PCM墙板能够维持夏季室内的热舒适性，并且房间表面的温度和空气温度分别降低了3.5℃和2.1℃。张群力对结合夜间通风的相变围护结构的热性能进行了理论研究和模拟分析，指出相变墙适用于平均温度低于25℃、温差较大的气候条件[10]。丁理峰研究了相变围护结构在夏季和冬季的使用效果，由于夏季相变温度较高，冬季相变温度较低，因此很难找到一种材料同时满足全年舒适性[11]。

由上述可见，相变围护结构不论是在被动式建筑中改善室内热环境还是在主动式建筑中减小室内负荷方面都有积极作用。另外，早期的研究多是针对相变围护结构在某一个季节的应用，近期已经有越来越多的学者开始关注相变围护结构全年的应用效果。该文构建了一种组合式相变房间模型，利用显热容法建立了相变围护结构的传热模型，在此基础上利用数值模型对组合式相变围护结构在上海地区典型气候条件下的热性能进行了模拟，并将模拟结果与普通围护结构进行了比较。

1 实验台的搭建

实验设备包括一个普通房间以及一个组合式相变房间，两房间的尺寸都是1 m×1 m×1 m，在两房间的南墙上都有一面双层玻璃窗户，窗户尺寸为0.7 m×0.7 m。组合式相变房间中两种相变材料在室内的布置方式见图1，其墙体结构如图2所示。实验中使用的两种相变材料分别为RT18和SP29，相变材料封装方式为铝板宏观封装。两种相变材料的物性参数见表1。

图1 两种相变材料在室内的布置

图2 相变围护结构的形式

表1 相变材料的物性参数

相变材料 物性参数 数值 相变材料 物性参数 数值

2 相变传热数值模型建立与验证

2.1 数值模型的建立

在建立相变围护结构数值模型的过程中作以下假设：（1）相变围护结构内的传热过程为一维；（2）所有墙体材料都是各向同性的；（3）忽略相变材料在融化过程中的自然对流和凝固过程中的过冷效应。

该文选择使用显热容法建立相变围护结构传热的数值模型如下：

其中边界条件为

式中，ρ为相变材料密度，kg/m3；c为相变材料比热，kJ/（kg·℃）；t为相变材料温度，℃；λ为相变材料导热系数，W/（m·K）；q1为x=0边界处热流密度，W/m2;qn为x=L边界处热流密度，W/m2。

其中液相百分比的定义[12]为

式中，tm为相变温度，℃；Δt为相变区间，℃；cs，lq为液相或固相相变材料的比热，J/（kg·℃）；M为相变潜热，kJ/ kg;f为液相百分比。

该文借助于瞬时系统模拟程序TRNSYS（Transient System Simulation program）平台，根据以上显热容法建立的相变围护结构的传热模型，通过FORTRAN语言在TRNSYS中建立了新的相变围护结构的传热模块，并将该文建立的新模块与TRNSYS中的“多区域建筑模型”（type56）联合运行计算，这样便可以模拟组合式相变围护结构下室内的空气温度及热流密度等参数。

2.2 数值模型的验证

根据实验中测量的气象参数以及组合式相变房间、普通房间的参数，利用TRNSYS中建立的相变传热模型，该文模拟了实验条件下的室内空气温度以及围护结构内表面热流密度，并将模拟结果与实验结果进行了对比，对比结果见图3。

图3 实验结果和数值计算结果的比较

从图3中可以看出：普通房间和组合式相变房间的室内空气温度以及内壁面热流密度的实验结果和数值计算结果都具有较好的吻合度。说明该文建立的组合式相变房间围护结构的数值模型可以用于其传热性能的描述。

3 典型气候条件下组合式相变房间热性能模拟

为了更加深入的研究组合式相变房间围护结构和普通围护结构在不同季节下换热性能方面的差别，选取了夏热冬冷地区的上海作为研究对象，其典型年气候条件下的室外空气温度以及太阳辐射强度见图4。由于东墙和北墙是RT18的相变材料，而屋顶、地板和西墙是SP29的相变材料，在夏季时RT18的相变材料基本处于液态（液相百分比为1），而在冬季时，SP29的相变材料基本处于固态（液相百分比为0），因此在分析液相百分比时，夏季仅仅针对含有SP29的屋顶,冬季仅仅针对含有RT18的东墙。

图4 上海地区典型年夏季（a）和冬季（b）室外空气温度和太阳辐射强度

3.1 室内空气温度模拟

图5为两房间室内空气温度以及屋顶SP29和东墙RT18的液相百分比。在夏季时候，组合式相变房间的室内空气最高温度为56.5℃，最低温度为27.4℃，而普通房间的室内最高和最低气温分别为59.7℃和26.3℃。在冬季条件下，相变房间室内最高温度为30.7℃，最低温度为7.5℃，普通房间室内气温的最高和最低值为41.8℃和4.4℃。相变房间可以在夏季减小室内温度变化幅度达4.3℃，在冬季减小室内温度变化幅度达14.2℃。

图5 夏季（a）和冬季（b）情况下两房间的室内空气温度以及相变材料的液相百分比

相变房间在冬季减小室内温度波动的作用更显著的原因主要是，冬季条件下RT18的相变材料每天都发生相变作用，而在夏季条件下，SP29的相变材料在大约两天后就全部融化了，而且在后面的几天中一直处于液态，没能发挥其相变储能的作用。

3.2 墙体内表面热流密度模拟

图6为屋顶和东墙内表面热流密度的变化以及SP29和RT18的液相百分比。在夏季工况下的开始阶段白天的时候，相变房间屋顶内表面的热流密度为负值，这表明相变材料从室内吸热。在夜晚的时候，相变房间屋顶的热流为正值，屋顶向室内放热，但是由于夜晚时候相变房间的室内空气温度比较接近29℃，因此夜晚时候相变房间屋顶向室内的放热的热流密度比较小。

图6 夏季（a）和冬季（b）组合式相变房间屋顶和东墙内表面的热流密度及液相百分比

夏季工况下，相变房间东墙内的RT18都为液态，没有发生相变，因此东墙内表面白天的热流密度为正值，夜晚时候的热流密度为负值。在夏季的后面几天，当SP29相变材料的液相百分比为1时（全部融化），相变房间屋顶内表面的热流密度方向和东墙内表面的热流密度方向基本相同。即在开始阶段组合式相变房间围护结构内表面的传热为“异向传热”，当两种材料全部融化后，围护结构内表面的传热为“同向传热”。

在冬季条件下，相变房间屋顶的SP29基本一直处于固态，没有发生相变，因此屋顶内表面的热流密度方向仅仅取决于室内外空气温度的高低。但是RT18在每天的白天吸热融化，夜晚放热凝固，起到了相变储能的作用，使得东墙内表面热流密度的方向和室内外温差呈现出相反的方向。组合式相变房间围护结构内表面的传热表现为“异向传热”。

4 结论

（1）在上海地区典型年气候条件下，相变房间可以在夏季减小室内温度变化幅度达4.3℃，在冬季减小室内温度变化幅度达14.2℃。冬季和夏季的室内热环境都得到了一定的改善。

（2）当组合式相变围护结构内两种相变材料一种发生相变，另一种不发生相变时，两种围护结构内表面的热流传递表现为“异向传热”，当两种相变材料都没有发生相变时，两种围护结构内表面的热流传递表现为“同向传热”。

该文只对实验的建筑类型进行了实验和模拟研究，当组合式相变的构思应用于其他类型建筑，比如多层建筑时，文中所建立的数值模型仍然可以为其传热性能的研究提供平台。该文的研究成果可以为组合式相变围护结构的设计提供参考。

参考文献：

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[2]KONG Xiangfei,LU Shilei,HUANG Jingyu,et al.Experimental research on the use of phase change materials in perforated brick rooms for cooling storage[J].Energy and Buildings,2013,62（7）：597-604.

[3]ATHIENITIS A K,LIU C,BANU D.Investigation of the thermal performance of a passive solar test-room with wall latent heat storage[J].Building and Environment,1997,32（5）：405-410.

[4]IBANEZ M,LAZARO A,ZALBA B,CABEZA,LF.An approach to the simulation of PCMs in building applications using TRNSYS[J].Applied Thermal Engineering,2005,25（11）：1796-1807.

[5]STRITIH U,BUTALA V.Energy saving in building with PCM cold storage[J].International Journal of Energy Research,2007,31（4）：1532-1544.

[6]BOGDAN M D.Novel concept of composite phase change material wall system for year round thermal energy savings[J].Energy and Buildings, 2010,10（42）：1759-1772.

[7]JIN X,ZHANG X S.Thermal analysis of a double layer phase change material floor[J].Applied thermal engineering,2011,10（31）：1576-1581.

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[9]KALOUSCK M，HIRS J.Simulation of the summer indoor thermal comfort by usingwallboard with phase change material[C]//Discover the world's research,Eurosun，Bologa，2002.

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[11]丁理峰.相变材料和隔热材料在不同地区建筑中应用效果之比较分析[D].合肥：中国科学技术大学，2009.

[12]BARBOUR J P,HITTLE D C.Modeling phase change materials with conduction transfer functions for passive solar applications[J].J Sol Energy Eng,2005,128（1）：58-68.

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）

Abstract：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.

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

中图分类号：TK02

文献标识码：A

文章编号：1672-0679（2016）04-0017-05

（责任编辑：经朝明）

[收稿日期] 2016-08-09

[基金项目] 江苏省自然科学基金项目（BK20160354）；江苏省大学生创新创业训练计划项目（[1**********]6X）

[作者简介] 朱信宇（1992-），男，江苏徐州人，在读本科生。

通信联系人：孟二林（1982-），男，讲师，博士，主要从事相变储能技术的研究，Email：[email protected]。