相變蓄能墻板基本構(gòu)造的熱工分析

張 源， 魏燕麗， 許錦峰

(1. 江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司 江蘇省綠色建筑與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210008； 2. 江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為了滿足日益提高的建筑節(jié)能要求，通常在建筑墻板內(nèi)使用保溫材料以提高墻板的熱阻.然而，建筑墻板主要由熱容幾乎可以忽略的保溫材料與較薄的面層組成，這就造成該種墻體往往具有較高的熱阻和很低的熱容值，從而造成室內(nèi)空間有較大幅度的溫度波動(dòng)，降低了建筑的熱舒適度.將相變材料(PCM)引入到較為輕質(zhì)的建筑墻板結(jié)構(gòu)中是一種極具潛力的解決方法[1].建筑用PCM是一類在室溫下可以發(fā)生相轉(zhuǎn)變的材料.在PCM相變(熔化和凝固)過程中，大量熱量被PCM儲(chǔ)存和釋放，同時(shí)其自身溫度不變或變化很小，達(dá)到能量的蓄存和釋放，從而維持周圍環(huán)境熱穩(wěn)定的效果.目前，已有部分學(xué)者，諸如LEE K.O.等[2]、M. AHMAD等[3]、K. EL OMARI等[4]和C. ARKAR等[5]對(duì)含PCM墻板進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明PCM可以顯著提高墻板的熱性能.

然而，目前對(duì)含PCM墻板的合理構(gòu)造還沒有較為系統(tǒng)的研究.對(duì)于含PCM墻板的實(shí)際應(yīng)用來說，諸如何種PCM墻板熱性能較好、PCM墻板的適用熱環(huán)境條件、PCM墻板的合理構(gòu)造等問題尚未得到較好的解決.為此，筆者運(yùn)用焓法計(jì)算模型，對(duì)多種典型含PCM的墻板熱性能狀況進(jìn)行系統(tǒng)性分析，以期為相變蓄能墻板的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)參考.

1 數(shù)學(xué)模型

所用數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)際傳熱過程作以下假定：① 所計(jì)算的各材料層各向同性且均勻；② 忽略PCM在相變過程中的密度和體積的變化；③ 忽略PCM的過冷和自然對(duì)流現(xiàn)象；④ 忽略墻體材料接觸面的接觸熱阻.計(jì)算中采用一維焓法數(shù)學(xué)模型求解各墻板非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，即

(1)

式中：ρ為PCM的密度，kg·m-3；λ為PCM的導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)-1；H為PCM的焓，J·kg-1；x為厚度，m；T為τ時(shí)刻的溫度，K.

PCM的焓按下式計(jì)算：

H=[cp,s(1-η)+cp,lη]T+Lη，

(2)

式中：cp,s和cp,l分別為PCM處于固態(tài)和液態(tài)時(shí)的比熱容，J·(kg·K)-1；L為相變潛熱，J·kg-1；η為PCM的液相率.

計(jì)算的初始條件為溫度定值.厚度方向的邊界按第三類熱邊界條件計(jì)算，其余邊界按絕熱邊界條件計(jì)算.該數(shù)學(xué)模型的計(jì)算過程由MATLAB程序?qū)崿F(xiàn).數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與相同條件下試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差小于5%[6-8]，可以滿足相變傳熱問題中熱工分析的需要.

2 分析與討論

建筑用墻板的種類和構(gòu)造各不相同，大體上可以分為3種類型，即基本墻板、輕質(zhì)墻板和重質(zhì)墻板.3種墻板基本構(gòu)造如圖1所示，圖中左側(cè)為室外側(cè)，右側(cè)為室內(nèi)側(cè).

圖1 3種墻板基本構(gòu)造

筆者著眼于熱工性能相關(guān)指標(biāo)，對(duì)含PCM的3種墻板構(gòu)造進(jìn)行分析和研究.根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》，混凝土和3種墻板材料的熱物性參數(shù)見表1.

表1 混凝土和墻板材料的熱物性參數(shù)

2.1 基本墻板

圖1a中的基本墻板(如彩鋼板等)是建筑墻板的基本結(jié)構(gòu).墻板中保溫材料與PCM的結(jié)合方式可分為保溫材料與PCM的均勻混合以及不混合這兩種情況.

2.1.1保溫材料與PCM均勻混合

對(duì)于墻板中保溫材料與PCM均勻混合的情況,例如，保溫砂漿與PCM材料混合的墻板等，主要分析不同墻板厚度(30 mm與50 mm)以及PCM材料體積分?jǐn)?shù)為0～50%時(shí)墻板的熱性能狀況.算例1-12的設(shè)置情況及計(jì)算結(jié)果見表2.根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，室外熱環(huán)境的日均溫度值為30 ℃，晝夜溫差為20 ℃，溫度波周期為24 h.該溫度波代表我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)的典型室外空氣綜合溫度.室內(nèi)溫度為定值30 ℃.算例1-12的計(jì)算結(jié)果比較如圖2所示.

表2 算例1-12的設(shè)置及計(jì)算結(jié)果

圖2 算例1-12的計(jì)算結(jié)果比較

由表2及圖2可以看到，在各算例的墻板內(nèi)表面達(dá)到穩(wěn)定波動(dòng)后，厚度為50 mm的墻板熱性能顯著高于厚度為30 mm的墻板.這表明墻板熱阻決定了1 d中進(jìn)入墻板的熱流，從而在很大程度上影響了墻板內(nèi)表面的溫度波動(dòng).無論墻板中含有多少PCM，足量的保溫材料，即足夠的熱阻是墻板中PCM熱性能發(fā)揮的基本保障.

由表2及圖2還可以看到，由于PCM導(dǎo)熱系數(shù)通常高于保溫材料，用PCM代替保溫材料會(huì)導(dǎo)致墻板熱阻有一定程度的降低.因此，即使PCM種類的選取合適，用PCM代替等體積保溫材料并不總能提升墻板的熱性能.當(dāng)PCM的體積分?jǐn)?shù)低于25%時(shí)，增加保溫材料可提升墻板熱性能，而增加PCM會(huì)適得其反(見算例1-3和7-9).當(dāng)PCM的體積分?jǐn)?shù)高于25%時(shí)，增加保溫材料或PCM均能顯著提升墻板熱性能，且增加PCM對(duì)熱性能的提升遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于增加保溫材料所帶來的效果(見算例4-6和10-12).

2.1.2保溫材料與PCM不混合

對(duì)于墻板中保溫層與PCM層不混合的情況(例如保溫板與定形PCM組合的墻板等)，主要分析在相同且足夠的墻板厚度(50 mm)下，PCM層分別處于墻板外側(cè)與內(nèi)側(cè)，以及PCM體積分?jǐn)?shù)為0～50%等情況下對(duì)墻板熱性能的影響.另外，算例23-28為將保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)降低至0.03 W·(m·K)-1時(shí)的情況.算例13-28的設(shè)置情況及計(jì)算結(jié)果如表3所示.算例13-22的計(jì)算結(jié)果比較如圖3所示.

表3 算例13-28的設(shè)置及計(jì)算結(jié)果

圖3 算例13-22的計(jì)算結(jié)果比較

由表3和圖3可以看到，PCM層處于保溫層內(nèi)側(cè)的墻板熱性能顯著高于PCM層處于外側(cè)的墻板，這表明，PCM層處于墻板外側(cè)時(shí)，墻板中的PCM極易由于室外較大溫度波動(dòng)而被“擊穿”[9-10]，從而喪失應(yīng)有的蓄、放熱特性.在墻板內(nèi)，各材料體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，不同墻板熱性能由小到大的順序依次為PCM層處于保溫層外側(cè)的墻板、保溫材料與PCM均勻混合的墻板以及PCM層處于保溫層內(nèi)側(cè)的墻板.同時(shí)，以足量保溫層、適宜相變溫度的PCM以及將PCM置于保溫層內(nèi)側(cè)為前提，用PCM代替等體積保溫材料可以顯著地提升墻板的熱性能.

由算例23-28的計(jì)算結(jié)果可以看到，在相同條件下，降低保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)(即增加墻板的熱阻)可使墻板熱性能得到進(jìn)一步提升；但此時(shí)用PCM代替等體積保溫材料并不能使墻板熱性能得到更大幅度的提升，這是由于減少保溫材料的體積造成的熱性能損失更大.

2.2 輕質(zhì)墻板

圖1b中的輕質(zhì)墻板是建筑墻板常見結(jié)構(gòu).該墻板是在基本墻板的基礎(chǔ)上增加了木板層或PVC層等相對(duì)輕質(zhì)的面板層.主要分析面板層(算例中設(shè)置了木板層)處于墻板外側(cè)或內(nèi)側(cè)，以及PCM體積分?jǐn)?shù)為0～50%等情況對(duì)墻板熱性能的影響.其中，PCM層處于保溫層的內(nèi)側(cè)，木板層厚度取30 mm、墻板厚度為50 mm.算例29-40的設(shè)置情況及見表4.計(jì)算結(jié)果比較如圖4所示.

由表4和圖4可以看到：在基本墻板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了木板層后，由于墻板熱阻升高，墻板整體熱性能得到顯著提升；用PCM代替等體積保溫材料，墻板的熱性能提升更加顯著.與2.1.2節(jié)中降低保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的情況相比，二者墻板熱阻均增加，但輕質(zhì)墻板中保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)沒有變化，因此用PCM代替保溫材料，墻板的熱性能損失沒有增加，這使得保溫材料被PCM取代的可行性更好.

由表4和圖4還可看到，將木板層設(shè)置在墻板內(nèi)側(cè)比設(shè)置在外側(cè)的熱性能更高.這表明該種設(shè)置更有利于墻板中PCM性能的發(fā)揮，而木板層所起到的作用沒有明顯變化.

表4 算例29-40的設(shè)置及計(jì)算結(jié)果

圖4 算例29-40的計(jì)算結(jié)果比較

2.3 重質(zhì)墻板

圖1c中的重質(zhì)墻板也是建筑墻板的常見結(jié)構(gòu)之一.該種墻板是在基本墻板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了混凝土層或水泥層等重質(zhì)材料，以提高墻板的力學(xué)性能.主要分析面板層(算例中設(shè)置的混凝土層)處于墻板外側(cè)或內(nèi)側(cè)，以及PCM體積分?jǐn)?shù)為0～50%等情況對(duì)墻板熱性能的影響.算例41-52的設(shè)置情況及計(jì)算結(jié)果見表5.計(jì)算結(jié)果比較如圖5所示.

表5 算例41-52的設(shè)置及計(jì)算結(jié)果

圖5 算例41-52計(jì)算結(jié)果比較

由表5和圖5可以看到，盡管重質(zhì)墻板的熱容高于輕質(zhì)墻板，一定程度上提高了熱性能，但由于重質(zhì)墻板的熱阻相對(duì)減少，又會(huì)使其熱性能相應(yīng)地降低.總之，重質(zhì)墻板熱性能相對(duì)于輕質(zhì)墻板有所降低.由此可知，常物性材料熱阻變化對(duì)熱性能造成的影響一般大于熱容變化帶來的影響.然而，重質(zhì)墻板的熱性能仍然高于基本墻板.另外，將混凝土層設(shè)置在墻板內(nèi)側(cè)的熱性能比外側(cè)更高.

3 結(jié) 論

1) 足量的保溫材料(即足夠的熱阻)是墻板中PCM性能發(fā)揮的基本保障.

2) 當(dāng)墻板內(nèi)各材料體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，各墻板熱性能由小到大依次為PCM處于保溫層外側(cè)、保溫材料與PCM均勻混合及PCM處于內(nèi)側(cè)；對(duì)于PCM位于保溫層內(nèi)側(cè)的墻板，用PCM代替等體積保溫材料可以顯著提升墻板的熱性能；對(duì)于保溫材料與PCM均勻混合的墻板，只有當(dāng)PCM在墻板中的體積分?jǐn)?shù)高于25%時(shí)，才能體現(xiàn)出PCM熱性能優(yōu)勢(shì).

3) 在實(shí)際應(yīng)用范圍內(nèi)，常物性材料熱阻的變化對(duì)熱性能的影響一般大于熱容變化的影響.

4) 盡可能將保溫材料和PCM以外的材料層設(shè)置在墻板內(nèi)側(cè)，并以輕質(zhì)材料為佳.PCM墻板熱性能由小到大依次為基本墻板、重質(zhì)墻板和輕質(zhì)墻板.