組合式相變房間圍護結構冬季換熱性能研究

孟二林，于航,劉成剛，孫志高，周波

（1.蘇州科技學院環(huán)境科學與工程學院，江蘇蘇州215009；2.同濟大學機械與能源工程學院，上海201804）

組合式相變房間圍護結構冬季換熱性能研究

孟二林1，于航2,劉成剛1，孫志高1，周波1

（1.蘇州科技學院環(huán)境科學與工程學院，江蘇蘇州215009；2.同濟大學機械與能源工程學院，上海201804）

搭建了組合式相變圍護結構和普通圍護結構的實驗房間，測試并計算了兩個房間的室內(nèi)空氣溫度、不同朝向圍護結構的熱流密度。通過對比分析可知，組合式相變房間能有效改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境，其圍護結構換熱性能也與普通房間存在一定的差異。

組合式相變房間圍護結構；室內(nèi)空氣溫度；熱流密度

相變材料與建筑圍護結構的結合可以提高室內(nèi)舒適性，降低建筑能耗，一直是目前國內(nèi)外研究的熱點問題[1-2]。Neeper[3]計算得到相變墻板能轉移居民空調(diào)負荷中90%的顯熱負荷到用電低谷期，可降低30%的設備容量。Stovall等人[4]對含相變材料的石膏板用于冬季輔助供暖進行了經(jīng)濟性分析。Kedl等人[5]對吸收了石蠟的混凝土墻體的性能進行了研究。結果表明,采用浸泡法研制的相變混凝土比在其中加入裝有石蠟的相變小球效果更好。Heimut等[6]研究一種新型的透明相變外墻，與傳統(tǒng)的不透明保溫材料相比，此種新型墻體更能充分利用太陽輻射，提高相變材料的蓄放熱效率。Maria Telkes[7]在相變材料的配制、相變材料封裝、相變儲能系統(tǒng)設計等方面做了大量工作，并在馬薩諸賽州建起了世界上第一座PCM被動式太陽房。

葉宏等人[8-9]開展了定形相變材料電纜加熱地板輻射供暖的研究,建立了該系統(tǒng)熱性能的數(shù)學模型。林坤平等人[10]建立了相變貯能地板電供暖系統(tǒng)地板和房間的熱性能理論模型，分析評價了該系統(tǒng)在我國不同氣候地區(qū)冬季使用的效果。張群力等人[11]研究了定形相變材料的相變溫度、相變潛熱和導熱系數(shù)變化對地板表面平均熱流密度和蓄能比的影響。

另外，目前有學者[12-15]研究了相變墻體內(nèi)表面對流換熱情況對墻體蓄、放熱性能的影響。然而關于相變房間墻體內(nèi)表面的換熱方式是以對流為主還是輻射為主尚不明確。為了改善室內(nèi)全年熱環(huán)境，孟二林等[16]提出了組合式相變房間的構思，即在房間不同朝向的圍護結構上布置兩種不同相變溫度的相變材料。文章搭建了組合式相變圍護結構和普通圍護結構的實驗房間，對兩個房間的室內(nèi)空氣溫度、圍護結構熱流密度等參數(shù)進行了測量和比較分析。

1 實驗房間概況

1.1 實驗房間介紹

該文采用模型實驗的方式，實驗對象見圖1，兩個縮尺寸房間的規(guī)格都是1 m×1 m×1 m，在兩房間的南墻上都開有0.7 m×0.7 m的窗戶。兩房間圍護結構從外到內(nèi)的材料構成見表1。

圖1 測試房間實物圖

表1 兩房間圍護結構從外到內(nèi)的材料構成

在組合式相變房間的內(nèi)表面貼有兩種不同相變溫度的相變材料板，分別為SP29（西墻、屋頂和地板）和RT18（東墻和北墻），兩種相變材料的物性參數(shù)見表2。兩種材料的封裝方式見圖2。

1.2 測試參數(shù)及測點布置

實驗過程中測試的參數(shù)包括：兩房間內(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、房間墻體內(nèi)表面熱流密度。測點布置情況見圖3。

表2 相變材料的物性參數(shù)

圖2 相變材料封裝方式

圖3 測點布置示意圖

2 室內(nèi)熱環(huán)境實驗結果

如圖4所示，實驗過程中室外溫度大約在10℃至20℃之間波動，普通房間室內(nèi)空氣的最高溫度為42.8℃，最低溫度為7.3℃，組合式相變房間室內(nèi)空氣溫度最高值為32.1℃，最低值為9.3℃。組合式相變房間相對普通房間最高溫度下降了10.7℃，最低溫度提高了2.0℃，室內(nèi)空氣溫度波動幅度下降了12.7℃。另外從圖中還可以看出普通房間室內(nèi)空氣溫度的峰值大約出現(xiàn)在中午12:00，而相變房間空氣溫度的峰值出現(xiàn)時間比普通房間晚了約2 h。需要說明的是冬季時候兩個房間白天的室內(nèi)空氣溫度都比較高，主要是因為實驗房間較大的窗戶面積導致其太陽輻射得熱量也比較大，有類似被動式太陽房的作用。

圖4 兩房間室內(nèi)空氣溫度比較

3 圍護結構內(nèi)表面輻射和對流換熱熱流

3.1 輻射和對流熱流的計算

房間內(nèi)某一朝向的圍護結構內(nèi)表面與其他5個內(nèi)表面的輻射換熱熱流計算公式為

式中，ε1為計算圍護結構表面發(fā)射率；σ為斯忒藩－波爾茲曼常量，值為5.67×10-8W/（m2·K4）；T1為計算圍護結構表面的溫度，K；Ti為除計算圍護結構外的房間其他五個圍護結構的內(nèi)表面的面積加權平均溫度，K。

由于通過圍護結構內(nèi)表面的總熱流qz已經(jīng)通過熱流儀測得，因此其對流熱流qc為

3.2 屋頂內(nèi)表面輻射和對流熱流

從圖5可以看出，組合式相變房間屋頂在中午的時候主要以對流的方式從室內(nèi)吸熱，由于屋頂內(nèi)相變材料SP29的相變溫度較高，因此相變屋頂在下午約15:00左右便開始放熱，其放熱方式以輻射為主。放熱約持續(xù)到晚上21:00。

普通房間屋頂在中午的時候對流熱流為負值，而輻射熱流為正值，說明屋頂內(nèi)表面溫度低于房間空氣溫度，但是卻高于其他幾個表面的平均溫度，在對流熱流和輻射熱流中，對流熱流的絕對值更大，即普通房間屋頂白天主要以輻射的方式從室內(nèi)吸熱，夜晚時其對流和輻射熱流都比較小，沒有明顯的強弱關系。

圖5 兩房間屋頂輻射和對流熱流

3.3 西墻內(nèi)表面輻射和對流熱流

如圖6所示，組合式相變房間西墻白天主要以對流的方式從室內(nèi)吸熱，傍晚放熱時主要以輻射的方式，放熱時間較短，在夜晚時候，室內(nèi)換熱方式?jīng)]有明顯的主次關系。

普通房間西墻白天主要以對流的方式從室內(nèi)吸熱，在13:00左右對流熱流減小的原因是西墻受太陽輻射的直射，壁面溫度升高，與室內(nèi)空氣之間的溫差減小。夜晚時候，輻射和對流熱流沒有明顯的強弱關系。

圖6 兩房間西墻輻射和對流熱流

3.4 地板內(nèi)表面輻射和對流熱流

從圖7可以看出：由于本次實驗中天氣以陰天為主，白天時通過窗戶的輻射得熱量較小，室內(nèi)空氣溫度較低，兩房間地板的對流熱流都幾乎為0，只有比較小的輻射熱流，原因是受混凝土地面的影響，兩房間的地板溫度都相對較高，向其他壁面放熱。在第一天和第二天的中午時刻，都出現(xiàn)了短暫的晴天，這時地板的對流熱流迅速降低，兩房間地板都主要以對流的方式從室內(nèi)吸熱。夜晚時候，兩房間的對流熱流又基本降為0，地板以輻射的方式放熱。

圖7 兩房間地板輻射和對流熱流

3.5 東墻內(nèi)表面輻射和對流熱流

從圖8中可以看出，相變房間和普通房間在白天時候都主要以對流的方式從室內(nèi)吸熱，其原因是白天時候受太陽輻射的影響，使得兩房間的室內(nèi)空氣溫度都比較高，墻體和空氣之間的對流換熱比較強烈。夜晚時候，空氣溫度下降，壁面和空氣之間的對流換熱量減小，對于普通房間而言，由于不同朝向的壁面溫差很小，導致壁面之間的輻射換熱量也比較小，然而對于組合式相變房間，由于不同朝向的壁面溫差較大，導致壁面之間的輻射換熱量也較大。

圖8 兩房間東墻輻射和對流熱流

3.6 北墻內(nèi)表面輻射和對流熱流

從圖9可以看出，組合式相變房間北墻換熱方式的變化規(guī)律與東墻比較相似，白天時對流和輻射熱流都為負值，主要以對流的方式從室內(nèi)吸熱，夜晚時對流和輻射都為正值，主要以輻射方式向室內(nèi)放熱。

普通房間北墻白天對流和輻射熱流都為負值，主要以對流的方式從室內(nèi)吸熱，夜晚時，對流和輻射熱流都比較小，沒有明顯的強弱關系。

圖9 兩房間北墻輻射和對流熱流

4 兩房間圍護結構熱性能比較和總結

從表3中可以看出，白天時候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，原因是白天時候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，導致對流熱流較大。

表3 兩房間圍護結構主要換熱方式

夜晚時候通過兩房間圍護結構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)不同圍護結構含有兩種不同的相變材料，其中RT18發(fā)生相變，而SP29沒有發(fā)生相變，導致組合式相變房間內(nèi)圍護結構內(nèi)壁面溫度差別較大，因此輻射換熱熱流也較大。普通房間由于圍護結構本身的蓄熱能力有限，夜晚時各面墻的溫度差別不大，其輻射換熱和對流換熱無明顯強弱關系。

5 結論

（1）組合式相變房間可以有效改善冬季的室內(nèi)熱環(huán)境。（2）組合式相變房間白天時室內(nèi)的換熱方式以對流為主，夜晚以輻射為主。普通房間白天時室內(nèi)的換熱方式以對流為主，夜晚時對流和輻射沒有明顯的強弱關系。（3）為了進一步研究這種新型相變房間的熱性能，有必要對其進行夏季工況的實驗研究。另外還需要對這種新型相變房間進行數(shù)值研究，以確定其在典型年氣象參數(shù)下的室內(nèi)熱環(huán)境和圍護結構熱性能。該文的實驗結果可以作為數(shù)值研究的驗證。

[1]Khudhair A M,Farid M M.A review on energy conservation in building applications with thermal storage by latent heat using phase change materials[J].Energy Conversion and Management,2004,45（2）：263-275.

[2]Tyagi V V,Buddhi D.PCM thermal storage in buildings:a state of art[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2007（11）：1146-1166.

[3]Peippo K,Kauranen P,Lund P D．A multi-component PCM wall optimized for passive solar heating[J]．Energy Buildings,1991,17（4）：259-270.

[4]Stovall T K,Tomlinson J J.What are the potential benefits of including latent storage in common wallboard[J].Journal of Solar Energy Engineering,1995,117（4）：318-325.

[5]Kedl R J,Stovall T K.Activities in support of the wax-impregnated wallboard concept[M]//U.S.Department of energy thermal energy storage research activities review,New Orleans,Louisiana,U S Department of Energy,1989：467-476.

[6]Helmut Weinlader,Andreas Beck,Jochen Fricke.PCM-facade-panel for daylighting and room heating[J].Solar Energy，2005，78：177-186.

[7]Telkes M.Thermal storage in salt-hydrates[M].New York：Academic press,1980.

[8]葉宏，葛新石，焦冬生.帶定形PCM的相變貯能式地板輻射采暖系統(tǒng)熱性能的數(shù)值模擬[J].太陽能學報，2002，23（4）：482-487.

[9]葉宏，程丹鵬，葛新石，等.定形相變貯能式地板輻射采暖系統(tǒng)數(shù)值模型的實驗驗證及參數(shù)分析[J].太陽能學報，2004，25（2）：189-194.

[10]林坤平，張寅平.電加熱相變材料蓄熱地板采暖的熱性能模擬[J].太陽能學報，2003，24（5）：633-637.

[11]張群力，狄洪發(fā)，張寅平，等.定形相變材料蓄能式地板供暖模塊熱性能及其影響因素研究[J].暖通空調(diào)，2006，36（增刊）：11-14.

[12]Neeper D A.Thermal dynamics of wallboard with latent heat storage[J].Solar Energy,2000,68（5）：393-403.

[13]Koo J,So H,Hong S W,et al.Effects of wallboard design parameters on the thermal storage in buildings[J].Energy and Buildings,2011,43（8）：1947-1951.

[14]Guobing Zhou,Yinping Zhang,Kunping Lin,et al.Thermal analysis of a direct-gain room with shape-stabilized PCM plates[J].Renewable Energy,2008,33（6）：1228-1236.

[15]Damien David,Frédéric Kuznik,Jean-Jacques Roux.Numerical study of the influence of the convective heat transfer on the dynamical behavior of a phase change material wall[J].Applied thermal engineering,2011,31（16）：3117-3124.

[16]Meng ErLin,Yu Hang,Zhan GuangYi,et al.Experimental and numerical study of the thermal performance of a new type of phase change material room[J].Energy Conversion and Management,2013,74:386-394.

Research on the winter heat exchange performance of envelops of combined phase change material rooms

MENG Erlin1,YU Hang2,LIU Chenggang1,SUN Zhigao1,ZHOU Bo1
（1.School of Environment Science and Engineering,SUST,Suzhou 215009,China;2.College of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China）

In this paper,two experimental rooms of combined phase change material and ordinary material are built.The indoor air temperature the two rooms and the heat fluxes of envelops in different directions are measured and calculated.The results of the comparison show that the combined phase change material room can effectively improve the indoor thermal environment during the winter,and the performance of the building envelopes thermal also differs from that of the ordinary room.

envelops of combined phase change material room;indoor air temperature;heat fluxes

TK02

A

1672-0679（2015）04-0001-05

（責任編輯：經(jīng)朝明）

2015-05-18

國家自然科學基金項目（51578386）；先進土木工程材料教育部重點實驗室開放基金（201304）

孟二林（1982-），男，江蘇淮安人，講師，博士，主要從事相變儲能技術研究。