相變石膏板應(yīng)用性能研究與數(shù)值模擬

劉迎新，莊偉，李海建，張洪才，孫義永

[1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；2.中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024；3.綠色建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；4.中國國檢測試控股集團(tuán)股份有限公司，北京 100024；5.菏澤城建工程發(fā)展集團(tuán)有限公司，山東菏澤 274000]

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，大眾對于生活空間品質(zhì)的要求越來越高，為了長期維持室內(nèi)熱舒適度，需要消耗更多的能源。相變儲(chǔ)能材料具有恒溫相變、吸放熱量大的特點(diǎn)，可在提升室內(nèi)熱舒適度的同時(shí)節(jié)約能源。因此，以石膏板為載體，以相變儲(chǔ)能材料為功能性成分復(fù)合而成的相變石膏板，正逐漸被廣泛研究。研究者采用物理方法制備相變石膏板。Jeong 等[1]將石膏板浸泡于十八烷和蜂蠟中，利用浸漬法制備相變石膏；為了防止液態(tài)相變材料滲漏，Abden 等[2]將硬脂酸甲酯與多孔硅藻土復(fù)合后摻入石膏板中，作為屋頂可節(jié)約16.2%的制冷量，Kumar 等[3]將月桂酸和多孔沸石復(fù)合至石膏板中，屋頂溫度降低13.86%，南墻溫度降低了7.78%；Errebai 等[4]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相變微膠囊質(zhì)量摻量為20%時(shí)，相變石膏板的儲(chǔ)熱性能最佳。Srinivasaraonaik 等[5]用葵酸和棕櫚酸復(fù)合制備相變微膠囊，摻入石膏板中，相變石膏板的舒適溫度保持時(shí)間延長了150%；Oliver[6]發(fā)現(xiàn)1.5 cm 厚的相變石膏板儲(chǔ)熱量相當(dāng)于普通石膏板的5 倍，與12 cm 磚墻相當(dāng)。

已有研究表明，相變石膏板的導(dǎo)熱系數(shù)較普通石膏板減少25%以上[4，7]，經(jīng)過1000 次以上的冷熱循環(huán)后，相變石膏板依然保持結(jié)構(gòu)和性能的完整性[3，8]，在夏季最高溫度40 ℃時(shí)，與普通石膏板屋頂和墻體相比較，相變石膏板屋面降溫3 ℃，南墻降溫4.54 ℃，屋面達(dá)到峰值溫度時(shí)間延遲200 min，南墻到達(dá)峰值溫度時(shí)間延遲180 min、制冷負(fù)荷降低了12.14%[9-10]。有學(xué)者研究了相變石膏板的節(jié)能效率。肖偉等[11]通過模擬相變石膏板的熱性能發(fā)現(xiàn)，與普通石膏板房間相比，采用相變石膏板的房間溫度波動(dòng)性減小54%。李鴻錦等[12]通過模擬定形相變石膏板在不同保溫位置及不同相變溫度時(shí)的傳熱發(fā)現(xiàn)，相變溫度為27℃的相變石膏板墻體比普通墻體節(jié)能約27.6%。李帆等[13]通過分析相變蓄能石膏板在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的熱影響，發(fā)現(xiàn)相變蓄能石膏板可改善室內(nèi)熱舒適，降低全年空調(diào)運(yùn)行能耗。張維維等[14]利用焓法模型和有效熱容法模型對相變墻板進(jìn)行了模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)夏季相變墻體相變溫度為26 ℃、冬季相變墻體相變溫度為7 ℃時(shí)房間節(jié)能效果最好。張正松等[15]研究發(fā)現(xiàn)，相變溫度為28 ℃的定形相變蓄能石膏板隔熱效果最好，以24 h 為1 個(gè)周期，其傳入室內(nèi)的熱量總和最小，由此引起的空調(diào)冷負(fù)荷最小，節(jié)能效果最好。

目前，相變石膏板的研究基本圍繞制備方法和基本性能進(jìn)行，相變石膏板的墻體傳熱機(jī)理和節(jié)能原理相關(guān)研究較少。本文采用實(shí)際測試和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，針對相變石膏板的應(yīng)用性能進(jìn)行分析，通過相變石膏板的實(shí)際應(yīng)用效果，確定相變板材的應(yīng)用性能測試方法以及相關(guān)數(shù)值模型，為相變墻體的設(shè)計(jì)提供參考。

1 原材料

普通石膏板和相變石膏板：北新建材集團(tuán)有限公司，相變石膏板的相變溫度為25 ℃，相變潛熱為5 kJ/kg。普通石膏板和相變石膏板的基本物理參數(shù)如表1 所示。

2 試驗(yàn)方法

采用樣品搭建試驗(yàn)箱，試驗(yàn)箱由6 塊尺寸為300 mm×300 mm×300 mm 的樣品組成，外層粘貼50 mm 厚的聚氨酯板，試驗(yàn)箱的最外層和內(nèi)層設(shè)有溫度探頭，試驗(yàn)箱構(gòu)造和測試系統(tǒng)見圖1。將試驗(yàn)箱放入環(huán)境試驗(yàn)箱中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用性能測試，環(huán)境試驗(yàn)箱中的溫度采用程序軟件控制，溫度按照正弦規(guī)律變化，溫度變化區(qū)間為10~40 ℃。溫度記錄儀自動(dòng)記錄保存溫度變化數(shù)據(jù)。

圖1 試驗(yàn)箱構(gòu)造和測試系統(tǒng)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

普通石膏板和相變石膏板實(shí)測溫度變化曲線見圖2。

圖2 普通石膏板和相變石膏板實(shí)測溫度變化曲線

由圖2 可見，環(huán)境溫度按照10~40 ℃正弦規(guī)律變化，普通石膏板和相變石膏板內(nèi)部溫度隨之規(guī)律變化，峰值溫度的降低和延遲，使得室內(nèi)熱舒適明顯提高。普通石膏板的峰值溫度降低了7.4 ℃，相變石膏板的峰值溫度降低了10.6 ℃，峰值溫度減少3.2 ℃，相變石膏板比普通石膏板表現(xiàn)出更優(yōu)異的熱性能。普通石膏板峰值延遲時(shí)間為171 min，相變石膏板峰值延遲時(shí)間為200 min，峰值延遲時(shí)間增加29 min。在相變溫度附近，相變材料的相變潛熱充分發(fā)揮出控溫的效能，讓室內(nèi)溫度保持在舒適溫度范圍的時(shí)間更長[9]，相變石膏板的熱惰性指標(biāo)更高。

4 相變石膏板數(shù)值模擬

4.1 建立數(shù)值模型

基于上述相變石膏板和普通石膏板的應(yīng)用性能試驗(yàn)方法建立數(shù)值模型見圖3。測試房間由普通石膏板或相變石膏板搭建而成，在普通石膏板/相變石膏板的外層粘貼聚氨酯保溫板。在模擬過程中，砂漿層外壁的溫度在10~40 ℃范圍內(nèi)以正弦規(guī)律變化。模擬過程采用焓法求解，傳熱過程設(shè)置為瞬態(tài)傳熱，空氣流動(dòng)設(shè)為層流。通過模擬相變石膏板/普通石膏板內(nèi)壁的溫度變化，驗(yàn)證數(shù)值模型的可行性后，再模擬層間熱流量變化情況。

圖3 數(shù)值模型

4.2 普通石膏板和相變石膏板數(shù)值模擬（見圖4、圖5）

圖4 普通石膏板實(shí)測和模擬數(shù)據(jù)對比

圖5 相變石膏板實(shí)測和模擬數(shù)據(jù)對比

由圖4 可見，普通石膏板的模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)規(guī)律基本一致，峰值溫度變化情況接近。造成差異的原因與保溫箱的密封性有關(guān)，表現(xiàn)出測試的溫度比模擬值稍高，總體規(guī)律基本一致。

由圖5 可見，相變石膏板實(shí)測和模擬數(shù)據(jù)變化規(guī)律相似。從峰值溫度的降低量和峰值延遲時(shí)間量來看，實(shí)測值和模擬值沒有差別，只是在相變溫度附近，模擬值表現(xiàn)出來的相變性能更加明顯，而實(shí)測值表現(xiàn)出來的相變過程比較舒緩，可能與實(shí)際測試過程中探頭與內(nèi)墻壁的貼合度有關(guān)，或者是相變材料是均勻分布的，相變材料不能同時(shí)發(fā)生相變，測試的只是局部相變材料的相變過程，過程相對較短，模擬值測試的是理想狀態(tài)下的相變過程，用的是層流過程，沒有考慮湍流的影響。

綜合圖4、圖5 可知，無論實(shí)測值還是模擬值，相變石膏板均表現(xiàn)出更優(yōu)異的熱性能，峰值溫度降低量和延遲量都大于普通石膏板，試驗(yàn)箱內(nèi)部的熱環(huán)境更加舒適。

5 相變石膏板傳熱機(jī)理和節(jié)能探討

從上述普通石膏板和相變石膏板的實(shí)測和模擬數(shù)據(jù)對比來分析，本文中設(shè)計(jì)的數(shù)值模型能夠真實(shí)模擬出整個(gè)實(shí)測試驗(yàn)的過程和溫變情況，和實(shí)際測試模型結(jié)果高度符合，因此，可使用本數(shù)值模型來模擬墻體板材的實(shí)際應(yīng)用性能。為了研究相變石膏板全面的實(shí)際效能，利用該模型進(jìn)一步模擬墻體的傳熱過程，以期獲得相變石膏板的儲(chǔ)/傳熱機(jī)理和節(jié)能效果。

利用數(shù)值模型針對試驗(yàn)箱各個(gè)墻體面的傳熱量進(jìn)行模擬計(jì)算，得出墻體外壁面（聚氨酯外壁面），墻體內(nèi)壁面（普通石膏板或相變石膏板內(nèi)壁面）和墻體中間壁面（聚氨酯與石膏板中間接觸壁面）的傳熱變化規(guī)律，然后分別將裝載普通石膏板和相變石膏板的各個(gè)壁面儲(chǔ)熱量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。普通石膏板和相變石膏板墻體傳熱量變化見圖6。

圖6 普通石膏板和相變石膏板墻體傳熱量變化

由圖6 可知，由于墻體的熱惰性，普通石膏板與相變石膏板墻體的傳熱量從外壁面到內(nèi)壁面直線下降，熱量被阻擋和吸收。相變材料的加入，使得墻體的傳熱過程更為復(fù)雜，從傳熱量的影響程度來看，對于外壁面影響最小，傳熱量增加了5.1%，中間壁面最大，傳熱量增加了13.1%，內(nèi)壁面次之，傳熱量減少了9.8%。其中，相變石膏板外壁面和中間壁面的傳熱量均大于普通石膏板，相變石膏板內(nèi)壁面的傳熱量小于普通石膏板，這說明相變石膏板房間與外界的熱交換量降低。

由圖6（c）可見，升溫過程的吸熱段和降溫過程的放熱段，相變石膏板內(nèi)壁面的傳熱過程中較普通石膏板明顯受到了相變材料的吸放熱過程的影響。結(jié)合圖5，外界溫度下降時(shí)，室內(nèi)開始向外界傳熱，溫度降低，當(dāng)溫度降低到相變溫度時(shí)，由于相變材料的放熱作用，室內(nèi)熱量變化較小，室內(nèi)溫度波動(dòng)減小，舒適度提高；外界溫度升高時(shí)，外界向室內(nèi)傳熱，室內(nèi)溫度升高，當(dāng)溫度升高到相變溫度時(shí)，相變材料發(fā)揮吸熱作用，吸收外界傳過來的熱量，室內(nèi)熱量不再增加，室內(nèi)溫度保持恒定，室內(nèi)溫度波動(dòng)減小，舒適度提高。

1 個(gè)冷熱循環(huán)過程中，普通石膏板內(nèi)壁面?zhèn)鳠崃繛?.74 kJ/m2，相變石膏板內(nèi)壁面?zhèn)鳠崃繛?.37 kJ/m2，相變石膏板內(nèi)壁面?zhèn)鳠崃勘绕胀ㄊ喟鍦p少了0.37 kJ/m2，節(jié)能率達(dá)9.8%。

6 結(jié) 論

本文針對相變石膏板和普通石膏板的實(shí)際應(yīng)用熱性能進(jìn)行了實(shí)際測試和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)相變石膏板內(nèi)壁面?zhèn)鳠崃繛?.37 kJ/m2，相變石膏板內(nèi)壁面?zhèn)鳠崃勘绕胀ㄊ喟鍦p少了0.37 kJ/m2，節(jié)能率達(dá)9.8%。而且采用相變石膏板的房間峰值溫度降低3~5 ℃，時(shí)間延遲200 min，舒適度明顯提高。因此，對于過渡季節(jié)和溫差變化大的氣候區(qū)相變石膏板將發(fā)揮更大的作用。