相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用于外墻的性能研究

沈娟

（中國建筑上海設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200000）

相變儲(chǔ)能材料是符合新型暖通技術(shù)的一種節(jié)能材料。將相變材料應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，不僅降低了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，而且增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性，使得相變蓄熱材料在發(fā)生物相變化時(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)向另一側(cè)傳遞時(shí)產(chǎn)生延遲和衰減，從而降低室內(nèi)溫度的波動(dòng)，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(xué)者所關(guān)注，并從理論、實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等方面，分析了用于建筑節(jié)能的相變儲(chǔ)能材料的配比、封裝技術(shù)和應(yīng)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(fù)雜化。本文開展了不同相變復(fù)合石膏板的傳熱特性的冷熱箱試驗(yàn)研究，對(duì)比分析相變儲(chǔ)能材料的傳熱特性，并驗(yàn)證焓法相變傳熱計(jì)算模型的可靠性，為相變儲(chǔ)能材料的建筑應(yīng)用做支撐。

1 試驗(yàn)對(duì)象及裝置

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

制作了四個(gè)試驗(yàn)件，其具體的熱工參數(shù)及尺寸見表1。實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)相變變材料板在不同相態(tài)時(shí)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(duì)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(shí)的自然對(duì)流和凝固時(shí)的過冷效應(yīng)。

表1 試驗(yàn)件的熱工參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置

圖1 試驗(yàn)件實(shí)物圖

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

圖2 冷熱箱原理圖及試驗(yàn)裝置實(shí)物

表2 測(cè)試裝置的技術(shù)指標(biāo)見

將預(yù)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(rèn)為冷熱箱之間的傳熱只能通過相變石膏板進(jìn)行傳遞。將熱電偶粘貼到石膏板的兩個(gè)側(cè)面，每個(gè)側(cè)面粘貼6個(gè)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(gè)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(dòng)

不同類型墻板的內(nèi)表面溫度波動(dòng)見圖3。對(duì)于普通石膏板，在13點(diǎn)左右（圖中相當(dāng)于第80格左右）其內(nèi)表面溫度值達(dá)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(duì)于a板，在3點(diǎn)半～15點(diǎn)半期間（處于20～95格），其內(nèi)表面溫度低于普通板，此時(shí)，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(diǎn)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(shì)。

圖3 不同石膏板的內(nèi)表面溫度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

c+b組合板與a板對(duì)比，在9點(diǎn)（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(diǎn)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(dá)0.5℃。對(duì)于其他板塊，溫度波動(dòng)的大體曲線也是先升高，達(dá)到某一峰值后再下降。相對(duì)于普通板，其他相變石膏板內(nèi)表面溫度的波動(dòng)明顯更小，且達(dá)到最高溫度的時(shí)間也有一定的延遲。通過對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

將利用焓法相變傳熱計(jì)算模型求解的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見圖4，即當(dāng)室外側(cè)（冷箱側(cè)）溫度升高時(shí)，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(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。不同結(jié)構(gòu)與數(shù)值模擬結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

（1）相變材料處于固態(tài)與液態(tài)時(shí)的密度一般不相同。

（2）數(shù)值計(jì)算時(shí)，假設(shè)相變材料在每個(gè)固-液相變的實(shí)驗(yàn)循環(huán)后，其物性參數(shù)與初始狀態(tài)一致性好，并且認(rèn)為在石膏板中一直均勻分布，然而，相變石膏板在多次實(shí)驗(yàn)后，相變材料的位置會(huì)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(yīng)，且不計(jì)較相變材料在發(fā)生相變時(shí)伴隨的自然對(duì)流傳熱對(duì)整個(gè)系統(tǒng)傳熱的影響。

（4）實(shí)驗(yàn)過程中，使用發(fā)泡聚氨酯噴劑對(duì)所有縫隙進(jìn)行密封，并認(rèn)為所有與箱體外側(cè)接觸的壁面全部為絕熱壁面，這點(diǎn)很難完全做到。

4 結(jié)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(qiáng)的蓄放熱能力，可以有效利用周圍環(huán)境溫度的變化進(jìn)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(jì)算模型的可靠性較高。