添加相變石蠟RT28的建筑墻體的傳熱性能分析

吳曉東，雷　聲，*，朱銀峰，潘　勇，王　雅,沈振豪

(1安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601;2安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，

安徽 合肥 230601;3安慶市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，安徽 安慶 246001)

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添加相變石蠟RT28的建筑墻體的傳熱性能分析

吳曉東1，雷聲1，2*，朱銀峰2，潘勇3，王雅2,沈振豪2

(1安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601;2安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，

安徽 合肥 230601;3安慶市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，安徽 安慶 246001)

摘要：相變材料作為一種新型的功能性材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域被人們逐漸認(rèn)識(shí)并開(kāi)始重視。為了解相變儲(chǔ)能材料的節(jié)能效果，通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)比分析相變儲(chǔ)能墻體與普通墻體的傳熱效果。模擬結(jié)果顯示：混凝土墻體在降溫的過(guò)程中，加入了相變石蠟RT28的墻體平均溫度要比普通墻體的平均溫度高出約3 ℃，而且在相變墻體的峰值溫度附近溫度下降趨勢(shì)比較平緩，這表明相變材料有阻礙溫度變化的效果，可以使環(huán)境溫度保持穩(wěn)定，既舒適又節(jié)能。

關(guān)鍵詞：相變儲(chǔ)能材料；節(jié)能；模擬；傳熱

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)能源的需求日益增加，對(duì)能源的利用率提出了越來(lái)越高的要求。儲(chǔ)能技術(shù)“削峰填谷”的作用對(duì)提升能源的利用效率具有重要意義。

本研究研究一種新型材料——相變儲(chǔ)能材料，將相變儲(chǔ)能材料加入到普通混凝土中制成相變儲(chǔ)能建筑墻體，利用相變材料的蓄熱、放熱特性，可以調(diào)整、控制建筑物內(nèi)部及周?chē)h(huán)境的溫度，減輕能源供求在時(shí)間和速度上的不匹配，使建筑物達(dá)到自調(diào)溫效果[1]。對(duì)于這項(xiàng)研究，目前國(guó)內(nèi)已有學(xué)者展開(kāi)了詳細(xì)的ANSYS的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。ANSYS最強(qiáng)大的熱分析功能之一就是分析相變問(wèn)題,而相變問(wèn)題一般都是一種非線(xiàn)性的瞬態(tài)熱分析問(wèn)題[2]。非線(xiàn)性與線(xiàn)性問(wèn)題的唯一差別在于非線(xiàn)性問(wèn)題需要考慮相變過(guò)程中吸收或釋放的潛熱[3-4]。郭志強(qiáng)等[5]利用ANSYS有限元軟件對(duì)相變材料的相變過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模擬計(jì)算結(jié)果表明，ANSYS模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。孫瀟和鄒鉞[6]利用ANSYS 強(qiáng)大的非線(xiàn)性分析功能，對(duì)相變材料的溫度變化過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)單的模擬，將石蠟與石膏混合后制成復(fù)合相變墻體，通過(guò)簡(jiǎn)化復(fù)合材料的物理模型并仿真了墻體溫度的變化過(guò)程。研究結(jié)果表明，在一側(cè)受熱的情況下溫度沿厚度方向逐漸升高，但是升高速率緩慢，肋片狀結(jié)構(gòu)有助于相變材料吸熱融化、儲(chǔ)存潛熱，提高吸收效率。

以上實(shí)例表明，ANSYS軟件已經(jīng)能夠模擬仿真加入相變儲(chǔ)能材料的溫度變化規(guī)律。本研究將相變儲(chǔ)能材料RT28加入到普通墻體中，通過(guò)觀察墻體內(nèi)部受熱情況，分析相變儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)能特性。

1墻體傳熱的數(shù)學(xué)模型

墻體傳熱采用長(zhǎng)方體模型，長(zhǎng)方體中間部分為相變材料RT28，左右兩邊是混凝土墻體。左邊部分作為外層面向室外，與露天環(huán)境接觸；右邊部分作為里層面向室內(nèi)。

相變材料導(dǎo)熱方程：

(1)

1)第1類(lèi)邊界條件是墻外層與室外環(huán)境界面的溫度T|x=0=TW(t)。

本次模擬實(shí)驗(yàn)計(jì)算所采用的外界日常溫度變化示意圖如圖1所示，最低溫度為22 ℃，最高溫度為36 ℃，日氣溫最大變化溫差為14 ℃ 。

2)第2類(lèi)邊界條件為室內(nèi)環(huán)境溫度與墻體內(nèi)部的接觸面溫度，即給定的環(huán)境溫度和與墻體的對(duì)流交換系數(shù)q''|X=L=h[T(L,Y,t)-T∞]。

3)初始條件。

初始溫度取：T(x,y,0)=T∞。

2計(jì)算分析

2.1實(shí)驗(yàn)步驟

模型尺寸為：120 mm×15 mm×35 mm；單元類(lèi)型：Solid 70(由于本次模擬主要是熱分析，對(duì)于墻體使用實(shí)體單元更方便)；單元邊長(zhǎng)：1 mm，采用映射網(wǎng)格劃分單元。定義室內(nèi)初始溫度：20 ℃；蒸壓加氣混凝土初始溫度：17 ℃；在有限元模型的兩端分別設(shè)置邊界條件，同時(shí)在中間相變材料部分和兩邊的墻體部分交界處設(shè)置對(duì)流交換系數(shù)為0.86。求解步長(zhǎng)為240 s，求解時(shí)間為86 400 s,每隔5步保存一次數(shù)據(jù)。

2.2墻體傳熱分析

相變儲(chǔ)能混凝土墻體和普通混凝土墻體室內(nèi)外空氣對(duì)流換氣系數(shù)不同，使得墻體表面溫度有所不同[8]。相變混凝土墻體的內(nèi)部溫度分布云圖如圖2所示。圖2(a)～(b)分別是選取T=480 s和T=86 400 s時(shí)刻的墻體內(nèi)部溫度分布云圖，顯示外界熱量從墻體的外表面通過(guò)墻體內(nèi)部傳導(dǎo)至墻體內(nèi)表面，中間經(jīng)過(guò)了相變材料部分。相變材料的全部融化過(guò)程所用時(shí)間經(jīng)歷了32 000 s，而所有凝固過(guò)程所用時(shí)間持續(xù)了20 000 s。普通混凝土墻體T=480 s和T=86 400 s時(shí)刻的溫度分布云圖如圖3所示。

在傳熱初期兩者區(qū)別不大，但隨著時(shí)間的推移，傳熱發(fā)生了明顯的變化，從圖2(b)與圖3(b)中可知，前者在熱量經(jīng)過(guò)相變材料時(shí)有一區(qū)間的溫度基本保持不變，原因是隨著溫度的降低，相變石蠟?zāi)滩⑨尫懦鰺崃?，使得墻體的溫度降低得到延緩，使周?chē)鷾囟群愣ㄒ欢螘r(shí)間，直到石蠟完全融化為止。隨著時(shí)間的推移，直到相變石蠟完全凝固時(shí)，溫度才逐漸降低，表明相變材料能保持某一溫度范圍，從而實(shí)現(xiàn)保溫、節(jié)能的效果。

2.3分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

相變混凝土墻體表面溫度分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]的對(duì)比如圖4所示，紅色曲線(xiàn)表示實(shí)際測(cè)量結(jié)果，黑色曲線(xiàn)表示分析結(jié)果。從圖4中可以看出模擬數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差，其主要原因是相變材料在發(fā)生相變階段和相變結(jié)束的時(shí)期，模擬時(shí)相變材料的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間比實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)所需要的時(shí)間要長(zhǎng)，以致熱量的傳遞、吸收和釋放都存在延遲現(xiàn)象。圖5是普通混凝土墻體的表面溫度曲線(xiàn)對(duì)比情況，由圖5可知，2種墻體的模擬結(jié)果基本吻合，且最大誤差不超過(guò)2%。

圖6是相變混凝土墻體和普通混凝土墻體表面溫度的數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，由圖6可知加入相變材料RT28的墻體溫度要比沒(méi)有添加相變材料的普通墻體的溫度平均大約高出3 ℃，而且在相變墻體的溫度峰值附近相對(duì)于普通墻體所對(duì)應(yīng)的溫度比較平緩，表明其溫度下降程度得到了延遲，即延長(zhǎng)了某一溫度范圍時(shí)間。隨著環(huán)境溫度的不斷變化，直到超過(guò)了材料的相變溫度區(qū)間，相變墻體的表面溫度才逐漸下降。

3結(jié)論

1)加入相變材料RT28的墻體溫度要比沒(méi)有添加相變材料的普通墻體溫度高3 ℃。

2)相變混凝土墻體的溫度峰值相對(duì)于普通墻體所對(duì)應(yīng)的溫度比較平緩，說(shuō)明該溫度峰值可保持一段時(shí)間，即延長(zhǎng)了某一溫度范圍時(shí)間。

3)相變混凝土墻體可以降低室內(nèi)溫度變化幅度，緩解房間的熱量流失，既環(huán)保又節(jié)能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]D C Hittle C,T L Andre.A new test instrumentand procedure for evaluation of fabrics containing phase-change material[J].Ashrae Transactions,2002,108:175-182.

[2]邵蘊(yùn)秋.ANSYS 8.0熱分析教程與實(shí)例解析(下)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2004：70.

[3]金麗麗.相變墻體的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].北京:北京建筑大學(xué),2013.

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[9]石超. 相變儲(chǔ)能材料RT28在建筑墻體中的應(yīng)用研究[D].合肥：安徽建筑大學(xué)，2015.

(責(zé)任編輯吳鴻霞)

Analysis of Heat Transfer Performance of Building Wall with Paraffin RT28

WuXiaodong1,LeiSheng1，2*,ZhuYinfeng2，PanYong3,WangYa2,ShenZhenhao2

(1School of Civil Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei Anhui 230022;2School of Mechanical and Electrical Engineering,

Anhui Jianzhu University,Hefei Anhui 230022;3Anqing Housing and Urban-rural Construction Committee,Anqing Anhui 246001)

Abstract：As a new functional material,phase change material plays an increasing important role in the field of building energy-saving.In order to understand the energy-saving effect of the phase change energy storage material, heat transfer effect of phase change energy storage wall is analyzed and compared with ordinary wall through the finite element software ANSYS.The simulating results indicate that the average temperature of the wall with the change paraffin RT28 is about 3 ℃ higher than the average temperature of conventional wall,in addition, the downward trend of the peak temperature of the phase change wall is not remarkable,which means the peak temperature can last much longer time.As a result, phase change materials have heat-insulating effect on the temperature change,which can keep the environment temperature stability,both comfortable and energy saving.

Key words：phase change energy storage material;energy saving;simulation;heat transfer

中圖分類(lèi)號(hào)：TU59

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-4565(2016)02-0033-04

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.02.008

*通訊作者：雷聲,教授，博士，研究方向:材料科學(xué)和材料成形技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介：吳曉東，碩士生。

基金項(xiàng)目：安徽省科技廳2013年度第二批科技計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：1305073037);2015年度安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：1508085ME84);安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：KJ2014A040)。

收稿日期：2015-10-12