組合式相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)夏季換熱性能試驗研究

孟二林，于 航，張美玲，謝 濤

（1.同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海201804；2.同濟大學(xué) 暖通空調(diào)及燃?xì)庋芯克虾?01804）

相變材料（phase change material，PCM）與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)合可以提高室內(nèi)舒適性，降低建筑能耗，是目前國內(nèi)外研究的熱點問題［1－2］.Ibanez等［3］指出相變墻體在夏季應(yīng)用時相變材料應(yīng)該布置在西墻和屋頂，相變墻體最大可以使室內(nèi)溫度降低3℃.Pasupathy等［4］將2種不同相變溫度的相變材料布置在屋頂?shù)膬?nèi)層和外層，并對這種屋頂進(jìn)行了全年的試驗和模擬研究，結(jié)果顯示，雙層相變材料有利于減少室內(nèi)溫度波動，適用于全年所有季節(jié).張群力等［5］設(shè)計了一種利用不同相變溫度的定形相變材料蓄能的吊頂形式，通過對吊頂熱性能影響因素的敏感性分析得知，相變材料的熱導(dǎo)率主要影響吊頂蓄熱效率和蓄熱量，相變溫度和相變潛熱主要影響吊頂表面熱通量的衰減時間.Frederic Kuznik等［6］比較了相變房間和普通房間不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的熱流變化情況，得出相變房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的熱流密度比普通房間大、相變墻體的蓄熱量和放熱量都比普通墻體大的結(jié)論.Maha Ahmad等［7］研究了相變材料用于輕質(zhì)墻體時內(nèi)表面熱流變化情況，得出無PCM 的墻體1d中的蓄放熱量基本相等，而PCM 墻體1d的蓄熱量大于其放熱量.另外，目前有學(xué)者［8－11］研究了相變墻體內(nèi)表面對流換熱情況對墻體蓄、放熱性能以及室內(nèi)熱環(huán)境的影響.為了改善室內(nèi)全年熱環(huán)境，本文提出了組合式相變房間的方法，即在房間不同朝向的圍護(hù)結(jié)構(gòu)上布置2種不同相變溫度的相變材料，相變溫度較高的相變材料在夏季發(fā)生相變改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境，相變溫度較低的相變材料在冬季發(fā)生相變改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境.本文建立了組合式相變房間的試驗裝置，并對其室內(nèi)熱環(huán)境和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的換熱性能進(jìn)行了試驗研究.

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗裝置

如圖1 所示，試驗對象是2 個尺寸為1 m×1m×1m 的縮尺寸房間，在2房間的南墻上都開有0.7m×0.7m 的窗戶.2房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)的材料構(gòu)成見表1.

圖1 測試裝置Fig.1 Test equipments

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成Tab.1 Composition of the wall materials

在組合式相變房間的內(nèi)表面貼有2種不同相變溫度的相變材料板，分別為SP29 和RT18，其中SP29是無機材料，RT18是有機材料.2種相變材料在組合式相變房間內(nèi)的布置方式見表2.2種相變材料的物性參數(shù)見表3.2種材料的封裝方式如圖2所示.

表2 相變材料在室內(nèi)的布置方式Tab.2 PCMs arrangement in the room

1.2 測試參數(shù)及測點布置

試驗過程中測試的參數(shù)包括：2房間內(nèi)的空氣溫度以及各內(nèi)表面的壁面溫度、室外空氣溫度、室外太陽輻射強度、墻體內(nèi)表面熱流密度.各測試儀器及其精度見表4.

表3 相變材料的物性參數(shù)Tab.3 Physical characteristics of the PCM

圖2 相變材料封裝方式Fig.2 Encapsulation method of the PCM

表4 測試參數(shù)及儀器Tab.4 Parameters and instruments

測點布置情況見圖3，其中測點7 為室內(nèi)中心點，是室內(nèi)空氣溫度的測點，其他各點布置在各面墻體的中心點，在這6個點同時測量壁面溫度以及熱流密度.室外太陽輻射強度的測點布置在相變房間外的屋頂上（無任何遮擋），室外空氣溫度的測點布置在距離試驗房間1m 遠(yuǎn)的陰涼處.

圖3 測點布置Fig.3 Distribution of the measuring points

2 室內(nèi)熱環(huán)境試驗結(jié)果

從圖4可以看出：普通房間室內(nèi)空氣最高溫度達(dá)到48.0 ℃，而組合式相變房間的為42.5 ℃，溫差為5.5 ℃.普通房間室內(nèi)空氣最低溫度為29.5 ℃，組合式相變房間的為30.7 ℃，溫差為1.2 ℃.

試驗過程中普通房間室內(nèi)空氣溫度變化幅度為18.5 ℃，組合式相變房間的為11.8 ℃，后者波動更小.相變材料起到了改善室內(nèi)熱環(huán)境的作用.另外還可以發(fā)現(xiàn)由于相變材料增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性，組合式相變房間室內(nèi)空氣溫度的波動比普通房間有一定的延遲.

圖4 空氣溫度與太陽輻射強度的變化Fig.4 Air temperature and solar radiation

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱計算

3.1 熱流

房間某一圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面與其他5個內(nèi)表面的輻射換熱熱流qr計算公式為

式中：σ為斯忒藩－波爾茲曼常量，為5.67×10－8W·m－2·K－4；T1為計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度，K；Ti為除計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)外其他5個圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的面積加權(quán)平均溫度，K；ε1為計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面發(fā)射率；A1為計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面積，m2；Ai為除計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)外其他5個圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面積之和，m2；εi為其他5個圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面發(fā)射率.

通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的總熱流可以用熱流儀測得，因此其對流熱流即為

式中：qz為圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面總熱流.本文用圍護(hù)結(jié)構(gòu)中心點處的熱流密度代表該圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均熱流密度.

3.2 屋頂內(nèi)表面熱流

從圖5可以看出，白天時組合式相變房間屋頂?shù)妮椛錈崃鳛檎担ㄏ蚴覂?nèi)放熱），對流熱流為負(fù)值（從室內(nèi)吸熱），但是對流熱流的絕對值更大，因此總熱流為負(fù)值，即主要以對流的方式從室內(nèi)吸熱.

圖5 屋頂輻射熱流和對流熱流的變化Fig.5 Radiation and convection heat fluxes of the roof

普通房間白天屋頂?shù)妮椛錈崃鳛檎?，對流熱流為?fù)值，但是輻射熱流的絕對值更大，因此總熱流為正值，即主要以輻射的方式向室內(nèi)放熱.

夜晚時無論組合式相變房間還是普通房間，屋頂內(nèi)表面的熱流都比較小，其中普通房間屋頂內(nèi)表面的輻射熱流基本為零，對流熱流為負(fù)值，因此普通房間屋頂主要以對流的方式從室內(nèi)吸熱.組合式相變房間屋頂?shù)妮椛錈崃骰緸榱?，對流熱流為正值，其中對流熱流的絕對值更大，因此組合式相變房間屋頂主要以對流的方式向室內(nèi)放熱.

分別比較組合式相變房間和普通房間的輻射熱流和對流熱流可以發(fā)現(xiàn)：2個房間的屋頂和室內(nèi)的輻射換熱熱流差別不大，其峰值相差0.22 W·m－2，但是組合式相變房間屋頂和室內(nèi)空氣之間的對流換熱熱流卻遠(yuǎn)大于普通房間的屋頂，其峰值相差28.09 W·m－2.

3.3 西墻內(nèi)表面熱流

如圖6所示，白天時組合式相變房間和普通房間西墻都主要以對流的方式從室內(nèi)吸熱.在第2d 14：00左右，由于太陽直射的原因，普通房間西墻內(nèi)表面溫度升高，其輻射熱流出現(xiàn)短暫的正值.

圖6 西墻輻射熱流和對流熱流的變化Fig.6 Radiation and convection heat fluxesof the west wall

夜晚時組合式相變房間西墻的輻射和對流熱流基本都為正值，其中輻射的熱流更大，即主要以輻射的方式向室內(nèi)放熱.

普通房間西墻夜晚時的輻射和對流熱流基本都為負(fù)值，兩者之間沒有明顯的強弱關(guān)系.

由上述分析可知組合式相變房間西墻內(nèi)表面的輻射和對流熱流都大于普通房間的西墻，其中輻射熱流的峰值相差2.02 W·m－2，對流熱流的峰值相差3.91 W·m－2.

3.4 地板內(nèi)表面熱流

從圖7可以看出，白天時，組合式相變房間地板的對流和輻射熱流都為負(fù)值，其換熱方式以輻射為主.普通房間地板的對流和輻射熱流也都為負(fù)值，但是其換熱方式以對流為主.

圖7 地板輻射熱流和對流熱流的變化Fig.7 Radiation and convection heat fluxes of the floor

夜晚時，組合式相變房間和普通房間地板都主要以輻射的方式向室內(nèi)放熱.

組合式相變房間地板和普通房間地板內(nèi)表面的對流熱流差別較小，其峰值相差2.08W·m－2，但是組合式相變房間地板的輻射熱流遠(yuǎn)大于普通房間，其峰值相差16.42 W·m－2.

3.5 東墻內(nèi)表面熱流

如圖8所示，組合式相變房間東墻白天的輻射熱流為正值，原因是組合式相變房間的東墻布置的相變材料是RT18，其相變溫度為18 ℃左右，在試驗過程中一直處于液態(tài)，相變潛熱不能發(fā)揮作用，因此其內(nèi)表面溫度比較高，而西墻、屋頂和地板布置的是SP29相變材料，試驗過程中相變潛熱的作用使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度不會太高，而北墻雖然也是RT18相變材料，但由于其未受到太陽直射，其內(nèi)表面溫度也不會太高，因此組合式相變房間東墻內(nèi)表面的輻射熱流為正值.其對流熱流為負(fù)值的主要原因是白天時通過窗戶的得熱量較大，因此室內(nèi)空氣溫度比較高，大于東墻內(nèi)表面溫度.普通房間東墻的輻射和對流熱流呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，上午10：00 左右由于受太陽直射作用導(dǎo)致內(nèi)表面溫度突然上升，使內(nèi)表面熱流出現(xiàn)正值的峰值；12：00左右出現(xiàn)負(fù)值的峰值，此時受太陽輻射得熱的影響室內(nèi)空氣溫度比較高，導(dǎo)致室內(nèi)空氣和東墻內(nèi)表面的溫差增大.

圖8 東墻輻射熱流和對流熱流的變化Fig.8 Radiation and convection heat fluxes of the east wall

組合式相變房間東墻夜晚的對流熱流基本為零，輻射熱流為負(fù)值，即主要以輻射方式從室內(nèi)吸熱.普通房間東墻夜晚時的對流和輻射換熱沒有明顯的強弱關(guān)系.

組合式相變房間東墻的對流和輻射熱流均大于普通房間，其中輻射熱流的峰值相差14.78 W·m－2，對流熱流的峰值相差18.82 W·m－2.

3.6 北墻內(nèi)表面熱流

從圖9可以看出，組合式相變房間北墻白天時的輻射和對流熱流均為負(fù)值，其中對流熱流的絕對值更大，因此組合式相變房間北墻白天主要通過對流的方式從室內(nèi)吸熱.夜晚時輻射熱流為負(fù)值，且絕對值更大，即主要以輻射的方式從室內(nèi)吸熱.

圖9 北墻輻射熱流和對流熱流的變化Fig.9 Radiation and convection heat fluxes of the north wall

分別比較組合式相變房間和普通房間的輻射熱流和對流熱流可以發(fā)現(xiàn)，組合式相變房間東墻的對流和輻射熱流均略大于普通房間東墻，其中輻射熱流的峰值相差2.11 W·m－2，對流熱流的峰值相差1.46 W·m－2.

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱性能

4.1 輻射和對流熱流

4.1.1 白天

（1）對流熱流.組合式相變房間和普通房間各圍護(hù)結(jié)構(gòu)白天的對流熱流都為負(fù)值，只有房間屋頂和東墻、西墻在短時間內(nèi)出現(xiàn)短暫的正值.主要原因是白天時室內(nèi)空氣溫度高于各圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面的溫度.

（2）輻射熱流.組合式相變房間和普通房間的東墻和屋頂白天的輻射熱流都出現(xiàn)了正值，原因是組合式相變房間東墻的相變材料全部處于液態(tài)，不發(fā)生相變，受太陽直射時其內(nèi)表面溫度上升較快.而屋頂雖然有相變溫度較高的相變材料可以吸收部分太陽輻射熱量，但是其受太陽直射的時間較長，因此其內(nèi)表面溫度較高.普通房間西墻白天輻射熱流出現(xiàn)正值，而組合式相變房間西墻的輻射熱流始終為負(fù)值，原因是組合式相變房間西墻雖然在下午也受到太陽直射，但是其直射時間比較短，而且組合式相變房間西墻有相變溫度較高的相變材料發(fā)生相變，吸收了大部分太陽輻射熱量，避免內(nèi)壁面溫度上升過大.

4.1.2 夜晚

（1）對流熱流.組合式相變房間和普通房間夜晚時各壁面的對流熱流基本都為正值.只有普通房間屋頂?shù)膶α鳠崃鳛樨?fù)值.主要原因是房間通過窗戶的散熱量較大，使得室內(nèi)空氣溫度較低，低于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度.而普通房間屋頂對流熱流為負(fù)的原因是屋頂夜晚和天空的長波輻射量較大，使得其內(nèi)表面溫度較低.

（2）輻射熱流.組合式相變房間和普通房間夜晚除了地板外的其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)的輻射熱流基本都為負(fù)值，只有地板的輻射熱流是正值.主要原因是地板表面的溫度較高.

4.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面主要換熱方式

從表5中可以看出，白天無論組合式相變房間還是普通房間，其內(nèi)表面的換熱方式都主要以對流為主，原因是白天通過窗戶的得熱量較大，使得室內(nèi)空氣溫度上升較快，流動加速，導(dǎo)致對流熱流較大.組合式相變房間地板白天以輻射換熱為主的原因是其地板中含有的SP29的相變材料發(fā)生相變使得其表面溫度比室內(nèi)其他表面溫度都低，形成了比較大的輻射熱流.另外由于地板表面溫度低于室內(nèi)空氣溫度，形成了“冷面朝上”的對流換熱形式，其對流熱流相對較小.

表5 2房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要換熱方式Tab.5 Main heat exchange method of the two rooms

夜晚通過2房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的輻射和對流熱流都比較小，其中組合式相變房間內(nèi)的換熱方式主要以輻射為主，主要是由于房間內(nèi)不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)含有2種不同的相變材料，其中SP29相變材料發(fā)生相變，而RT18相變材料沒有發(fā)生相變，導(dǎo)致組合式相變房間內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度差別比較大，因此輻射換熱熱流也比較大.普通房間由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的蓄熱能力比較有限，夜晚時各面墻的溫度差別不大，其輻射換熱和對流換熱沒有明顯的強弱關(guān)系.

5 結(jié)論

（1）相對于普通房間而言，組合式相變房間改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境的效果更加明顯.

（2）白天組合式相變房間和普通房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的換熱方式都以對流為主，但是夜晚組合式相變房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的換熱方式主要以輻射為主，而普通房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的對流和輻射換熱則沒有明顯的強弱關(guān)系.

（3）組合式相變房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的對流和輻射熱流密度都比普通房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)大.

（4）本文的試驗結(jié)果可以作為數(shù)值研究的驗證.

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