相變儲能材料應用于外墻的性能研究

沈娟

（中國建筑上海設計研究院有限公司，上海 200000）

相變儲能材料是符合新型暖通技術的一種節(jié)能材料。將相變材料應用于建筑圍護結構中，不僅降低了圍護結構的傳熱系數(shù)，而且增加了圍護結構的熱惰性，使得相變蓄熱材料在發(fā)生物相變化時可放出或吸收一定的能量，從而使室內(nèi)外的熱擾量通過該圍護結構向另一側(cè)傳遞時產(chǎn)生延遲和衰減，從而降低室內(nèi)溫度的波動，提高室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性。相變材料的節(jié)能被各國學者所關注，并從理論、實驗、數(shù)值模擬等方面，分析了用于建筑節(jié)能的相變儲能材料的配比、封裝技術和應用形式等。

由于相變建筑材料間歇性的蓄放熱特性，其傳熱過程為非線性過程，較傳統(tǒng)常物性材料的傳熱過程更加復雜化。本文開展了不同相變復合石膏板的傳熱特性的冷熱箱試驗研究，對比分析相變儲能材料的傳熱特性，并驗證焓法相變傳熱計算模型的可靠性，為相變儲能材料的建筑應用做支撐。

1 試驗對象及裝置

1.1 試驗對象

制作了四個試驗件，其具體的熱工參數(shù)及尺寸見表1。實驗中，假設相變變材料板在不同相態(tài)時的物性參數(shù)為常數(shù)；相變材料板兩側(cè)表面與環(huán)境之間的傳熱只有對流換熱，忽略輻射換熱；凈熱流只按厚度方向傳遞（即傳熱過程為一維傳熱）；忽略相變過程中的體積變化；忽略相變材料在熔化狀態(tài)時的自然對流和凝固時的過冷效應。

表1 試驗件的熱工參數(shù)

1.2 試驗裝置

圖1 試驗件實物圖

本文中所用到的試驗裝置包括JW-I型墻體熱阻測試裝置、直流電源（供均熱風扇用）、熱工巡檢儀、銅－康銅熱電偶，如圖2，測試裝置的技術指標見表2。

圖2 冷熱箱原理圖及試驗裝置實物

表2 測試裝置的技術指標見

將預制的相變材料石膏板塊置入試件架內(nèi)，并且將其周邊與試件架之間的空隙用發(fā)泡聚氨酯密封，保證相變石膏板完全隔斷冷熱箱之間的空隙，并且認為冷熱箱之間的傳熱只能通過相變石膏板進行傳遞。將熱電偶粘貼到石膏板的兩個側(cè)面，每個側(cè)面粘貼6個熱電偶，冷箱側(cè)空氣側(cè)與熱箱空氣側(cè)也分別布置2個熱電偶。巡檢儀開始工作后，每隔10min記錄一次墻板左右兩表面的溫度。

2 不同類型墻板的內(nèi)表面溫度波動

不同類型墻板的內(nèi)表面溫度波動見圖3。對于普通石膏板，在13點左右（圖中相當于第80格左右）其內(nèi)表面溫度值達到峰值27.6℃，隨著冷箱側(cè)（模擬室外側(cè)）溫度的降低，其內(nèi)表面溫度逐漸減小。對于a板，在3點半～15點半期間（處于20～95格），其內(nèi)表面溫度低于普通板，此時，相變材料大部分已經(jīng)慢慢吸收潛熱發(fā)生相變，狀態(tài)逐漸由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，在15點半后，相變材料逐漸釋放之前吸收的潛熱，其內(nèi)表面溫度逐漸高于普通石膏板。c板與b板的組合板的內(nèi)表面溫度曲線也具有同樣的變化趨勢。

圖3 不同石膏板的內(nèi)表面溫度的實驗結果

c+b組合板與a板對比，在9點（處于55格）之前，組合板的內(nèi)表面溫度比a板的稍高，但是相差不大。在9點半后，此組合板的內(nèi)表面溫度逐漸比a板的低，最大溫差達0.5℃。對于其他板塊，溫度波動的大體曲線也是先升高，達到某一峰值后再下降。相對于普通板，其他相變石膏板內(nèi)表面溫度的波動明顯更小，且達到最高溫度的時間也有一定的延遲。通過對比，發(fā)現(xiàn)相變墻板可以降低蓄熱階段墻板內(nèi)側(cè)溫度。

3 實驗結果與模擬結果對比

將利用焓法相變傳熱計算模型求解的模擬結果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，見圖4，即當室外側(cè)（冷箱側(cè)）溫度升高時，室內(nèi)側(cè)（熱箱側(cè)）溫度也逐漸升高，反之則降低。數(shù)值模擬結果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。不同結構與數(shù)值模擬結果的最大誤差分別為3.5%、4.8%、1.8%、3.2%；說明在一定誤差范圍內(nèi)，使用焓法模型用以求解相變傳熱問題是行之有效的，其誤差在接受范圍之內(nèi)。分析產(chǎn)生誤差可能的主要原因如下。

圖4 不同類型墻板的內(nèi)表面溫度的實驗結果與模擬結果對比

（1）相變材料處于固態(tài)與液態(tài)時的密度一般不相同。

（2）數(shù)值計算時，假設相變材料在每個固-液相變的實驗循環(huán)后，其物性參數(shù)與初始狀態(tài)一致性好，并且認為在石膏板中一直均勻分布，然而，相變石膏板在多次實驗后，相變材料的位置會有一定程度的變化，且在石膏板內(nèi)的填充不夠均勻。

（3）模擬過程中完全忽略了相變材料的過冷效應，且不計較相變材料在發(fā)生相變時伴隨的自然對流傳熱對整個系統(tǒng)傳熱的影響。

（4）實驗過程中，使用發(fā)泡聚氨酯噴劑對所有縫隙進行密封，并認為所有與箱體外側(cè)接觸的壁面全部為絕熱壁面，這點很難完全做到。

4 結語

在同樣的加熱和散熱條件下且處于相同環(huán)境下，單層相變蓄能石膏墻板與多層相變蓄能石膏板均比普通石膏墻板具有更強的蓄放熱能力，可以有效利用周圍環(huán)境溫度的變化進行蓄放熱，可以提高墻體的節(jié)能效果。焓法模型焓法相變傳熱計算模型的可靠性較高。