相變墻體冬季傳熱性能評(píng)價(jià)及相變參數(shù)優(yōu)化

王詩(shī)文 孟二林 許靜 顏昕 于奇 左堅(jiān)

蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

相變參數(shù)的選擇是相變材料應(yīng)用中一個(gè)重要的研究方向[1]，Arnault A 等[2]認(rèn)為在優(yōu)化相變墻體的相變參數(shù)時(shí)，其優(yōu)化目標(biāo)的建立非常重要，有時(shí)會(huì)直接影響優(yōu)化的結(jié)果。研究中常見(jiàn)的優(yōu)化目標(biāo)包括：相變墻體內(nèi)表面的平均熱流密度[3]，相變墻體轉(zhuǎn)移室內(nèi)峰值負(fù)荷的能力[4]，圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱量[5]，室內(nèi)溫度以及地板表面熱流密度的波動(dòng)[6]，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面熱流修正因子以及穿透時(shí)間[7]，室內(nèi)空氣溫度不低于舒適溫度下限的時(shí)間[8]，加入相變材料后室內(nèi)空氣溫度下降的幅度[9]，室內(nèi)熱負(fù)荷[10]，相變墻體吸熱量[11]。

本文從相變墻體傳熱角度出發(fā)建立相變墻體傳熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，接著建立其傳熱模型，分析不同因素對(duì)傳熱性能的影響，從而為相變參數(shù)的優(yōu)化選擇提供支持。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

本文以冬季工況為研究對(duì)象，此時(shí)假設(shè)室內(nèi)溫度高于室外溫度，相變墻體與室內(nèi)外的傳熱情況主要可以分為以下兩種（見(jiàn)圖1）。

圖1 相變墻體傳熱情況分類(lèi)

在case(1)下，室內(nèi)空氣溫度比較高，室外空氣溫度比較低，相變溫度介于這兩者之間。在這種情況下，相變墻體凝固過(guò)程中將從室內(nèi)側(cè)吸收的熱量、相變墻體融化釋放的潛熱量以及相變材料本身的顯熱量一起釋放到室外，為了發(fā)揮相變墻體的保溫作用，此時(shí)希望相變墻體向外釋放的熱量中比較少的來(lái)自室內(nèi)。本文定義保溫因子“η1”用于評(píng)價(jià)相變墻體的保溫性能，具體定義為：

式中：qin為墻體內(nèi)表面熱流；qout為墻體外表面熱流。

在冬季情況下，為了提高相變墻體的保溫效果，需要盡量減小保溫因子。

在case(2)下，室內(nèi)和室外的溫度都比較低，這時(shí)候相變材料同時(shí)向室內(nèi)和室外放熱。為了使得相變墻體放出的熱量盡可能多的用于改善室內(nèi)熱環(huán)境，本文定義放熱因子“η2”用于評(píng)價(jià)相變墻體的放熱性能，具體定義為：

在冬季情況下，為了增強(qiáng)相變墻體的放熱性能，必須增大放熱因子η2。

2 傳熱模型的建立

本文采用熱阻法建立相變墻體的傳熱模型，在模型的建立過(guò)程中做如下假設(shè)：1）相變材料的顯熱和潛熱都集中于相界面處釋放。2）相變層兩邊的普通建材的熱容相對(duì)相變材料而言比較小，可以忽略不計(jì)，即可以簡(jiǎn)化成內(nèi)外的兩層熱阻R1和R2。根據(jù)以上假設(shè)便可以使用熱阻法對(duì)相變墻體的傳熱過(guò)程進(jìn)行求解。相界面處釋放出的熱流q 包含三部分：相變潛熱熱流qlate，液相相變材料顯熱熱流qliq，以及固相相變材料顯熱熱流qsol。因此可得：

相變材料在凝固過(guò)程中，液相相變材料溫度變化較大，而固相相變材料溫度變化較小，因此固相相變材料的顯熱可以忽略，即：

相變材料的初始溫度假設(shè)為相變溫度，因此：

式中：ρl為相變材料處于液相時(shí)的密度，kg/m3；cl為相變材料處于液相時(shí)的比熱，kJ/(kg·℃)；ξ1為室外側(cè)已經(jīng)發(fā)生相變的材料厚度，m；τ 為時(shí)間為平均過(guò)余溫度，℃。

式中：tm為相變溫度，℃；t 為墻體內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度，℃；x 為橫坐標(biāo)，m。

由于相變材料的顯熱和潛熱都集中于相界面處釋放，因此墻體內(nèi)部的溫度分布為線(xiàn)性，可得：

式中：tout為室外空氣溫度，℃；hout為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；λ 為相變材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；R1為相變層外側(cè)墻體材料熱阻，(m2·K)/W。

根據(jù)式（5）～（7）可得：

相變墻體釋放的潛熱熱流為：

式中：ρs為相變材料處于固相時(shí)的密度，kg/m3；H 為相變材料的相變潛熱，kJ/kg。

在冬季的傳熱工況case(1)下，其能量平衡方程具體為：

在冬季的傳熱工況case(2)下，其能量平衡方程具體為：

因此可得，保溫因子η1為：

放熱因子η2為：

3 不同參數(shù)對(duì)傳熱性能影響分析

本文采用單因素分析的方法研究不同因素對(duì)傳熱性能的影響，具體的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)式（10）～（14）可以計(jì)算出不同參數(shù)下相變墻體內(nèi)外表面熱流密度和保溫因子、放熱因子。

3.1 外層熱阻R1 的影響

從圖2 可以看出，在case(1)和case(2)兩種傳熱情況下，外層熱阻R1對(duì)相變墻體外表面熱流密度的影響都比較大，隨著R1的增大，外表面熱流顯著下降。然而R1對(duì)內(nèi)表面熱流密度的影響非常小。

圖2 R1對(duì)相變墻體傳熱特性的影響

保溫因子和放熱因子都隨著R1的增加而增大，當(dāng)R1從0.2(m2·K)/W 增大到0.5(m2·K)/W，η1大約從0.2 變化到0.4，這說(shuō)明相變墻體向室外釋放的熱量中只有大約20%～40%是來(lái)著室內(nèi)側(cè)的，相變墻體起到很好的保溫作用。

此時(shí)，η2大約從0.05 變化到0.08，這說(shuō)明相變層凝固過(guò)程中釋放出的熱量中90%以上都傳向內(nèi)室外，放出的熱量大多還是去了室外，主要原因是室外空氣溫度相對(duì)室內(nèi)空氣溫度比較低。

3.2 內(nèi)層熱阻R2的影響

從圖3 中可以看出，內(nèi)層熱阻R2對(duì)相變墻體內(nèi)表面熱流密度的影響比較大，在傳熱情況case(2)時(shí)，內(nèi)層熱阻R2對(duì)外表面熱流密度沒(méi)有影響，這是相變層內(nèi)外兩側(cè)是相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)傳熱過(guò)程，在case(1)時(shí)，外表面熱流密度隨R2的增大而減小，因?yàn)楦鶕?jù)式（10）此時(shí)外表面的熱流中包含了內(nèi)表面的熱流，而內(nèi)表面熱流受R2影響較大。

當(dāng)R2從0.2(m2·K)/W 增加到0.5(m2·K)/W 時(shí)，η1大約從0.8 減小到0.4，即R2為0.2(m2·K)/W 的時(shí)候，相變墻體向外釋放的熱量80%左右都來(lái)自室內(nèi)，而當(dāng)R2為0.5(m2·K)/W 的時(shí)候，相變層傳向室外的熱量只有40%左右來(lái)自室內(nèi)。

此時(shí)，η2大約從0.08 增大到0.15，相變層凝固所釋放的熱量只有10%不到的部分傳向了室內(nèi)。

圖3 R2對(duì)相變墻體傳熱特性的影響

3.3 相變溫度的影響

從圖4 可以看出，相變溫度對(duì)兩種傳熱情況下的墻體內(nèi)外表面熱流密度都有較大影響。當(dāng)相變溫度從16 ℃增加到19 ℃的時(shí)候，保溫因子η1大約從0.3～0.4減小到約0.08，相變層的保溫性能得到了極大的改善。此時(shí)，放熱因子η2大約從0.08 增加到0.22，放熱性能得到較大提升。當(dāng)然，在傳熱情況case(2)下，過(guò)高的相變溫度也會(huì)導(dǎo)致相變材料融化較難，因此，在保證相變材料能融化的前提下，相變溫度越高，越有利于其放熱性能的提升。

圖4 tm對(duì)相變墻體傳熱特性的影響

4 結(jié)論

本文建立了評(píng)價(jià)相變墻體傳熱性能的指標(biāo)，利用熱阻法建立了相變墻體的傳熱模型，對(duì)影響相變墻體傳熱性能的參數(shù)進(jìn)行了單因素分析，得出主要結(jié)論有：

1）當(dāng)相變墻體的作用是保溫的情況下，從減小保溫因子的角度出發(fā)，應(yīng)該減小R1，增大R2，即應(yīng)該將相變層布置在相變墻體的外側(cè)，相變溫度應(yīng)該接近室內(nèi)空氣溫度。

2）當(dāng)相變墻體的作用是放熱的情況下，從增大放熱因子角度出發(fā)，應(yīng)該增大R1，減小R2，即應(yīng)該將相變層布置在相變墻體的內(nèi)側(cè)，在保證相變材料能融化的前提下，相變溫度越高，越有利于其放熱性能的提升。