定形相變板材制備及相變墻體熱工性能研究

劉瑞麗，高瓊旻，馬 靜，王 薇

(河南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院(建筑學(xué)院籌)，河南 鄭州 450001)

0 引言

中國是世界能源消費(fèi)大國，其中建筑能耗占全國總能耗的30%以上。2017年全國總建筑面積已高達(dá)630億平方米，非節(jié)能建筑占比達(dá)99%[1]。因此,大力發(fā)展建筑節(jié)能技術(shù)，尤其是對(duì)已有高能耗建筑進(jìn)行升級(jí)改造，顯得至關(guān)重要。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)是建筑能耗的關(guān)鍵影響參數(shù)?，F(xiàn)有的節(jié)能方式是在基層圍護(hù)結(jié)構(gòu)上增設(shè)保溫隔熱層，如輕質(zhì)多孔材料、聚苯顆粒混合物砂漿等[2]，這些材料密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低，在一定程度上能增加墻體傳熱熱阻，但其蓄熱性能的提升仍難以滿足節(jié)能要求[3]。在溫度不變或變化較小的情況下，相變材料能夠通過相態(tài)變化吸收并暫存大量熱量。將相變材料應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，通過潛熱的吸收或釋放，可以改變墻體的傳熱特性，增加熱惰性，降低建筑制冷或供暖負(fù)荷，因此，相變蓄能技術(shù)與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的有效途徑。涂航等[4]將宏觀封裝的相變材料顆粒與混凝土混合,制備出儲(chǔ)能墻體，降低了室內(nèi)溫度波動(dòng)和冷熱負(fù)荷。陳瀟囡等[5]對(duì)比了相變墻體與普通墻體的傳熱性能，結(jié)果表明，石蠟類相變墻體蓄熱能力更優(yōu)，室內(nèi)溫度波動(dòng)幅值可控制在±2.5 ℃。劉朋等[6-7]模擬研究了相變墻體的溫度衰減倍數(shù)、延遲時(shí)間等指標(biāo)，結(jié)果表明，相變材料的加入有效提高了室內(nèi)環(huán)境舒適性。上述研究已證實(shí)相變儲(chǔ)能墻體可有效改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，從而降低建筑能源消耗。

但是，目前相變材料在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中并沒有得到廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)橄嘧儾牧厦媾R易泄露、熱導(dǎo)率低、熱工參數(shù)不匹配、與建材混合技術(shù)不成熟等問題[8]。在蓄熱過程中相變材料轉(zhuǎn)化為液態(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)生流動(dòng)和泄露。在建筑墻體中，現(xiàn)有相變材料的封裝技術(shù)包括相變微膠囊、表皮物理封裝等，技術(shù)成本較為復(fù)雜，工程應(yīng)用較難推廣。低熱導(dǎo)率易引起相變材料潛熱容利用效率低，難以發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有熱導(dǎo)提升技術(shù)多采用添加石墨法，效果有限[9]。要發(fā)揮相變建筑最佳節(jié)能效果，需根據(jù)氣候特點(diǎn)、房屋功能選取適宜的相變溫度、潛熱等熱物性參數(shù)。相變材料與建筑材料的組合形式直接決定了相變儲(chǔ)能建筑技術(shù)的可行性?，F(xiàn)有相變墻體的搭建一般采用封裝相變材料顆粒與建筑材料混合，如劉朋[6]將砂漿混合相變材料構(gòu)成節(jié)能型墻體抹灰層。田國華[10]以石蠟基相變陶粒與砂漿按比例配合制備出相變儲(chǔ)能砂漿。Pomianowski等[11]將微膠囊封裝的石蠟加入混凝土制備出相變混凝土。為保證力學(xué)強(qiáng)度，上述混合式相變墻體須控制相變材料含量，因而導(dǎo)致此類墻體相變潛熱容較低，節(jié)能效果有限，并且較難應(yīng)用于已有高能耗建筑的節(jié)能改造。制備相變板材，將其作為獨(dú)立層嵌入到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空隙或外層表面，構(gòu)成裝配式相變墻體[12]，可簡化儲(chǔ)能墻體的搭建工藝，能夠解決高能耗建筑節(jié)能改造的技術(shù)難題[13]。此類嵌入式相變墻體熱工特性的研究多采用軟件模擬，但高性能相變板材的成本較高，導(dǎo)致工程應(yīng)用推廣受限。針對(duì)上述問題，以某地高能耗建筑改造為背景，首先研究封裝性能好、熱導(dǎo)率高、相變潛熱高的建筑板材的制備，基于該相變板材的熱物性參數(shù)搭建相變墻體的傳熱模型，利用ANSYS軟件模擬研究其傳熱特性，分析建筑熱工參數(shù)和節(jié)能效果。

1 定形相變板材制備及熱物性

1.1 定形相變板材制備

基于某地區(qū)夏季氣溫變化特性，本文選用高潛熱工業(yè)級(jí)石蠟(相變點(diǎn)為26.2 ℃，相變潛熱為201.6 J/g)為相變主體，高密度聚乙烯作為支撐材料，采用高溫熔融融合法，設(shè)計(jì)出板材成形模具，制備定形相變板材。其中石蠟與高密度聚乙烯按照質(zhì)量比為4∶1進(jìn)行混合。結(jié)合文獻(xiàn)[14]中復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)提升技術(shù)，選用3%(石蠟和高密度聚乙烯總質(zhì)量的占比)的膨脹石墨作為導(dǎo)熱增強(qiáng)劑添加至相變?nèi)廴诨旌弦褐?。制備流程如圖1所示。制備出的定形相變板材如圖2所示。

圖1 定形相變板材的制備過程Figure 1 Preparation process of shaped PCMB

圖2 定形相變板材Figure 2 Shaped PCMB

1.2 定形相變板材熱物性表征

采用差式掃描量熱儀(DSC)測(cè)試相變板材相變溫度和潛熱。安特?zé)嵛镄詼y(cè)量儀(Quikline TM30)測(cè)量熱導(dǎo)率。嵌入式(尤其是外貼式)相變墻體需確保相變板材具有高度封裝性、相態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)無泄漏。因此，本文采用恒溫加熱-稱重法測(cè)量封裝性能。

1.3 熱物性測(cè)量結(jié)果

相變參數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，制備的相變板材相變溫度與石蠟相變基體保持一致，為26.2 ℃，相變潛熱較高為152.1 J/g。相變板材的熱物性測(cè)量結(jié)果如表1所示。由表1可知，相變板材熱導(dǎo)率為1.66 W/(m·K)，約為熱導(dǎo)強(qiáng)化前的5倍。封裝性能測(cè)試結(jié)果如圖4所示，該定形相變板材在發(fā)生相態(tài)變化時(shí)宏觀上仍能保持固體形態(tài)，并且重量無變化，持續(xù)加熱至110 ℃時(shí)仍能保持原始形狀，直至高溫120 ℃才呈現(xiàn)出液態(tài)。由此可知，該相變板材具有優(yōu)良的熱物性參數(shù)和高度封裝性能，可應(yīng)用于高溫夏季。

圖3 相變板材DSC測(cè)量曲線Figure 3 DSC measurement curves of PCMB

圖4 定形相變板材試樣形態(tài)隨溫度變化Figure 4 Shaped PCMB morphology changing with temperature

表1 相變板材熱物性參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of PCMB

2 定形相變墻體熱工特性分析

2.1 定形相變墻體模型

2.1.1 物理模型

現(xiàn)有建筑多采用磚混-水泥抹灰砂漿結(jié)構(gòu)，為便于其建筑節(jié)能改造技術(shù)的實(shí)施，定形相變板材直接裝配于墻體外側(cè)，構(gòu)建裝配式儲(chǔ)能墻體模型，不加相變板材的普通墻體作為對(duì)照模型?；诙ㄐ蜗嘧儼宀膶?shí)測(cè)物性參數(shù)建立傳熱模型，如圖5所示，各層材料厚度及熱導(dǎo)率如表2所示。外界環(huán)境溫度從當(dāng)?shù)貧庀笳精@取，以2020年年度最高溫度所在周為例，選取6月3日0時(shí)到6月6日0時(shí)的考慮太陽輻射的綜合空氣溫度作為計(jì)算用室外環(huán)境溫度。

圖5 裝配式定形相變墻體結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Prefabricated phase-change wall structure

表2 相變墻體各層厚度及熱導(dǎo)率Table 2 Thickness and heat conductivity of PCM wall

2.1.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

假定室外各處的空氣瞬時(shí)、均勻一致地發(fā)生變化，即將外界空氣作為一個(gè)整體來考慮。本文采用顯熱容法對(duì)墻體結(jié)構(gòu)建立熱傳遞平衡方程的數(shù)學(xué)模型。

磚混/抹灰層導(dǎo)熱方程為

(1)

式中：λ1、ρ1、c2分別為磚混/抹灰層的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容；τ為時(shí)間；t為溫度。

相變層導(dǎo)熱方程為

(2)

墻體外側(cè)表面邊界條件：

(3)

墻體內(nèi)側(cè)表面邊界條件：

(4)

式中：hout為墻體外表面對(duì)流換熱系數(shù)；tout為墻外溫度；hin為墻體內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)；tin為墻內(nèi)空氣溫度。

絕熱邊界：

(5)

(6)

初始條件：

t=t0，0 mm≤x≤300 mm，τ=0 s；

(7)

tin=t0，τ=0 s。

(8)

室內(nèi)空氣溫度設(shè)定為恒溫25 ℃，室內(nèi)外壁面與空氣自然對(duì)流系數(shù)hout、hin分別采用文獻(xiàn)[3]數(shù)據(jù)17.5 W/(m2·K)、5 W/(m2·K)。利用ANSYS軟件模擬計(jì)算該儲(chǔ)能墻體傳熱過程。

2.2 定形相變墻體熱工特性

2.2.1 傳熱效果

該裝配式相變墻體與普通墻體的網(wǎng)格劃分如圖6所示，墻體第72 h的溫度云圖如圖7所示，內(nèi)壁溫度隨室外空氣溫度的變化關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，隨室外溫度波動(dòng)，墻體內(nèi)壁面溫度均發(fā)生波動(dòng)，但相變墻體的溫度波動(dòng)較普通墻體滯后，如圖7所示，同在第72 h，相變墻體高溫區(qū)主要集中在墻體外部區(qū)域，而普通墻體高溫區(qū)已傳遞至墻體中間部位。圖8中相變墻體在溫度達(dá)到相變點(diǎn)26.2 ℃時(shí)，溫升速率開始降低，表明相變墻體的熱惰性高于普通墻體，并且相變潛熱在溫升過程中發(fā)揮作用。同時(shí)，相變墻體內(nèi)壁面溫度波動(dòng)幅度明顯低于普通墻體，在48～72 h內(nèi)相變墻體波動(dòng)幅值約為0.8 ℃，而普通墻體約為1.5 ℃，表明相變板材提升了墻體的調(diào)溫性能。

圖6 墻體局部網(wǎng)格Figure 6 Mesh of local wall

圖7 墻體72 h溫度云圖(℃)Figure 7 Temperature nephogram of wall at 72 h(℃)

圖8 相變墻體與普通墻體隨室外溫度變化的關(guān)系Figure 8 Relationship between phase-change wall and ordinary wall with outdoor air temperature

通過墻體向室內(nèi)的傳熱量為空調(diào)熱負(fù)荷的重要組成部分。分別計(jì)算兩類墻體在72 h內(nèi)向室內(nèi)的傳熱量，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，在不同的傳熱周期內(nèi)，加入相變板材層的墻體向室內(nèi)傳遞的熱負(fù)荷較低。在第24、48、72 h時(shí)，兩類墻體累計(jì)傳熱量對(duì)比如圖10所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，初始24 h內(nèi)相變墻體的傳熱量由10.76 W/m2降至6.37 W/m2，降低了約40%，表明相變墻體具有優(yōu)良的隔熱性能。

圖9 相變墻體與普通墻體向室內(nèi)的傳熱量Figure 9 Heat transfer of phase-change wall compared with ordinary wall

圖10 相變墻體與普通墻體24、48、72 h累計(jì)傳熱量Figure 10 Heat transfer of phase-change wall compared with ordinary wall at 24 h,48 h and 72 h

2.2.2 熱工參數(shù)

熱阻R、蓄熱系數(shù)S24、熱惰性指標(biāo)D等是衡量墻體傳熱特性的關(guān)鍵參數(shù)。基于墻體各層材料的物性參數(shù)，結(jié)合模擬結(jié)果，采用GB/T50504《民用建筑設(shè)計(jì)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》[15]中的公式進(jìn)行計(jì)算。

(9)

(10)

D=∑Di=∑Ri·S24。

(11)

式中：i為第i層材料；λ為熱導(dǎo)率；δ為材料層的厚度；ρ為密度；Z為傳熱時(shí)長；c為材料比熱容。其中，相變材料在相變區(qū)間的比熱容采用等效熱容法計(jì)算，即將相變潛熱折算成顯熱熱容形式，為Cp+δ(T)ΔH，采用式(12)所示的高斯分布曲線進(jìn)行擬合。

(12)

式中：T為溫度；Tm為相變溫度；2ΔT為相變溫度區(qū)間。

相變墻體熱工參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知，雖然相變板材自身熱導(dǎo)率最高，但由于厚度的原因，相變板材的加入將墻體總熱阻提升了約4.0%。蓄熱系數(shù)反映了諧波作用下材料表面溫度波動(dòng)速率，由計(jì)算可知，相變板材的蓄熱系數(shù)為34.12 W/(m2·K)，明顯高于磚混和抹灰層，表明相變板材的加入能提升總墻體的蓄熱能力，降低墻體溫度隨環(huán)境溫度的響應(yīng)速率?？倝w的熱惰性指標(biāo)為42.51，較普通墻體提升了16.7%，表明相變板材的加入能夠強(qiáng)化環(huán)境周期性溫度波在墻體內(nèi)部溫度的衰減程度，提升墻體的熱穩(wěn)定性。

表3 相變墻體熱工參數(shù)Table 3 Thermal parameters of PCM wall

2.2.3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

以單戶100 m2居民住宅在初始24 h墻體的傳熱量為例，層高取2.7 m，單一房間外墻寬取3 m，參考GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[16]，窗墻比取0.35，則單戶外墻總面積約為36 m2。由上述ANSYS計(jì)算結(jié)果可知，相變墻體單位面積可降低熱負(fù)荷約4.39 W，則單戶1 h可節(jié)約能耗約158.04 W。考慮到居民住宅多采用家用空調(diào)器調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，根據(jù)空調(diào)市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告，三級(jí)能效占比最高。假定居民用戶空調(diào)能效約為3.2，根據(jù)國標(biāo)GB 21455—2019《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級(jí)》[17]，制冷季節(jié)空調(diào)制冷運(yùn)行時(shí)長約為1 366 h，按照居民用電每度0.56元，則整個(gè)制冷季節(jié)相變墻體可為單戶節(jié)約空調(diào)耗電費(fèi)用約為31.32元，表明相變板材有利于降低建筑使用能耗。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研制獲得了可裝配式安裝的高性能定形相變板材，相變潛熱高，熱導(dǎo)率得到大幅提升，封裝性能好?；谠摪宀臒嵛镄詤?shù)，模擬研究相變儲(chǔ)能墻體的傳熱特性，發(fā)現(xiàn)相變板材的加入可降低墻體內(nèi)壁面溫度波動(dòng)幅度，削弱外界環(huán)境溫度對(duì)室內(nèi)溫度的影響；可將圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷降低約40%；相變墻體熱惰性指標(biāo)提升了16.7%，可有效改善墻體的熱穩(wěn)定性；從空調(diào)耗電角度分析節(jié)能效果，在整個(gè)制冷季節(jié)可為單戶節(jié)約空調(diào)耗電費(fèi)用約為31.32元。