柴 國 榮

(國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局，北京 100088)

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外貼定形相變材料的混凝土墻體節(jié)能特性分析

柴 國 榮

(國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局，北京 100088)

采用ANSYS軟件對混凝土外貼定形相變材料組成的相變墻體的節(jié)能特性進(jìn)行了模擬研究，并對其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：定形相變材料的相變溫度在一定程度上影響墻體節(jié)能性能和相變材料能力的發(fā)揮，需要根據(jù)氣候條件進(jìn)行合理的選擇。

相變材料，外貼式，節(jié)能

相變墻體是建筑節(jié)能行業(yè)一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。相變墻體利用相變材料的相變潛熱存儲(chǔ)多余的能量，需要時(shí)再釋放出來，起到節(jié)能的效果。相變材料的潛熱吸收或放出的能量比顯熱高出1個(gè)～2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此利用相變材料的潛熱設(shè)計(jì)出相變墻體在節(jié)能效果上優(yōu)勢非常明顯。然而由于傳統(tǒng)相變貯能材料在相變過程中在固液狀態(tài)間不斷轉(zhuǎn)化，因此需要設(shè)計(jì)密封容器，不但熱阻大、效果差，美觀性差、占用空間大等弱點(diǎn)也阻礙了這項(xiàng)新技術(shù)的廣泛應(yīng)用。近期出現(xiàn)的定形相變材料不需要再設(shè)計(jì)容器，成本低、設(shè)計(jì)和施工方便，對于眾多舊建筑也是業(yè)主比較容易接納的一種安裝方式。因此很多學(xué)者對定形相變材料進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方面的相關(guān)研究工作。數(shù)值模擬工作包括郭志強(qiáng)、胡小芳、孫瀟，采用ANSYS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算研究，研究結(jié)果表明，利用ANSYS軟件在非線性分析方面的功能，能夠很好的模擬相變材料的溫度變化，并且ANSYS模擬計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，表明采用ANSYS軟件進(jìn)行定形相變材料的模擬計(jì)算研究是可行的。肖偉等模擬研究了北京地區(qū)定形相變墻體的相變溫度和相變板厚度。目前混凝土墻體在建筑行業(yè)中大量應(yīng)用，但目前還缺乏采用定形相變材料的混凝土墻體節(jié)能效果方面的研究。為研究混凝土墻體在安裝了相變材料對于不同氣候情況下的節(jié)能特性，本文采用ANSYS軟件對混凝土墻體外貼安裝定形相變材料后的傳熱和相變特性進(jìn)行計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 數(shù)學(xué)模型

本文研究的墻體如圖1所示，由定形相變材料(0～L1)、混凝土(L1～L2)組成?；炷撩嫦蚴覂?nèi)環(huán)境；定形相變材料面向室外，采用外貼的形式安裝在混凝土墻體上。外貼式安裝方式的主要優(yōu)點(diǎn)是不占用室內(nèi)空間、舊建筑施工方便、易維修。

混凝土的導(dǎo)熱方程為：

(1)

其中，α0為混凝土熱擴(kuò)散系數(shù)。定形相變材料導(dǎo)熱方程采用焓的形式：

(2)

其中，H為焓值;k1，ρ1分別為導(dǎo)熱系數(shù)和密度。邊界條件為：

混凝土與外環(huán)境采用定溫邊界，外環(huán)境溫度為Tout：

(3)

混凝土與室內(nèi)環(huán)境界面的邊界條件給出環(huán)境溫度及換熱系數(shù)hin，室內(nèi)環(huán)境溫度為Tin：

(4)

計(jì)算中采用的室外氣溫曲線見圖2，氣溫曲線1和曲線2的最低氣溫分別為21.5 ℃和16.5 ℃，最高氣溫分別為37.5 ℃和32.5 ℃，變化范圍均為16.0 ℃。室溫取T∞=24.0 ℃，換熱系數(shù)hin=6 W/(m2·K)。

初始溫度取室溫,即T0=T∞。

2 計(jì)算及結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算中分別采用表1所示的兩種不同定形相變材料，為比較相變溫度對節(jié)能效果的影響，兩種相變材料相變溫度不同，導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱采用的值相同。研究的混凝土墻體厚度為100 mm，定形相變材料采用外貼的方式安裝在混凝土墻體上，相變材料的厚度為20 mm。計(jì)算模型網(wǎng)格如圖3所示。

表1 熱物性參數(shù)取值

圖4為無定形相變材料的混凝土墻體內(nèi)表面溫度隨兩種室外環(huán)境溫度的變化情況。從圖4中可以看到，在無相變材料、墻體僅由混凝土組成時(shí)，墻體內(nèi)表面隨室外環(huán)境溫度變化較大。在兩種氣溫曲線情況下，室外環(huán)境溫度波動(dòng)幅度均為16.0 ℃，墻體內(nèi)表面溫度隨室外環(huán)境溫度波動(dòng)幅度為10.0 ℃，單位面積墻體所需室內(nèi)制冷裝置制冷量分別為2 671 kJ和1 274 kJ。

厚度為100 mm混凝土墻體在外貼了20 mm厚、相變溫度為30.0 ℃的定形相變材料時(shí)，墻體內(nèi)表面溫度隨兩種室外環(huán)境溫度的變化情況如圖5所示。從圖5a)中可以看到，在氣溫曲線1情況下，墻體內(nèi)表面溫度的波動(dòng)幅度由外貼定形相變材料前的10.0 ℃減小到3.0 ℃，單位面積墻體所需室內(nèi)制冷裝置制冷量減少到1 894 kJ，節(jié)能29%；圖5b)中可以看出，在氣溫曲線2情況下，墻體內(nèi)表面溫度的波動(dòng)幅度由外貼定形相變材料前的10.0 ℃減小到3.5 ℃，單位面積墻體所需室內(nèi)制冷裝置制冷量減小到734 kJ，節(jié)能42%(見表2)。

表2 單位面積墻體節(jié)能效果

在室外環(huán)境溫度高于室內(nèi)溫度的情況下，室內(nèi)環(huán)境溫度需要室內(nèi)制冷裝置來維持，因此墻體內(nèi)表面溫度波動(dòng)大，需要的制冷裝置的峰值功率和每日制冷量也大。減小墻體內(nèi)表面溫度波動(dòng)，降低了制冷裝置的峰值功率和每日制冷量。比較圖5a)和圖5b)可以看到，兩種氣溫曲線波動(dòng)幅度相同的情況下，墻體內(nèi)表面波動(dòng)幅度相差0.5 ℃的原因是定形相變材料的相變溫度為30.0 ℃，氣溫曲線2的溫度上升到最高值時(shí)，相變材料還未完全發(fā)生相變，室外環(huán)境溫度就已開始下降，相變材料未能完全發(fā)揮作用。如果選用相變溫度低一些的定形相變材料，就能夠使相變材料完全發(fā)揮作用。圖6為氣溫曲線2情況下、厚度為100 mm混凝土墻體在外貼了20 mm厚、相變溫度為27.0 ℃的定形相變材料時(shí)，墻體內(nèi)表面溫度曲線。由圖6可看到，相變溫度降低使得相變材料完全熔化，因此更好的發(fā)揮了相變儲(chǔ)能的作用，墻體內(nèi)表面溫度的波動(dòng)幅度由降低相變溫度前的3.5 ℃減小到了3.0 ℃，單位面積墻體所需室內(nèi)制冷裝置制冷量減小到670 kJ，節(jié)能量提高到了48%。但是，相變材料的相變溫度并不是越低越好，如果相變溫度低于室外環(huán)境日氣溫變化的最低值，則相變材料一直處于熔化狀態(tài)、不能發(fā)揮相變潛熱的蓄熱能力。因此，相變材料的相變溫度需要根據(jù)當(dāng)?shù)厝諝鉁刈兓竭M(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。

3 結(jié)語

本文采用ANSYS軟件分析了混凝土外貼定形相變材料組成的相變墻體的節(jié)能特性，結(jié)果表明：1)100 mm厚的混凝土墻體外貼安裝20 mm的定形相變材料后，減小了墻體內(nèi)表面的溫度波動(dòng)幅度，降低了室內(nèi)制冷裝置每日的峰值功耗和制冷量。2)定形相變材料的相變溫度在一定程度上影響墻體節(jié)能性能和相變材料能力的發(fā)揮，需要根據(jù)氣候條件進(jìn)行合理的選擇。

[1]郭志強(qiáng),吳文健,滿亞輝,等.基于ANSYS有限元方法對相變材料相變過程的分析.新技術(shù)新工藝,2007(11):87-89. 胡小芳,肖 迪.基于ANSYS的相變儲(chǔ)能建筑材料溫度響應(yīng)特性的研究.材料導(dǎo)報(bào),2009,23(22):83-86.

[2]孫 瀟,鄒 鉞.相變墻體溫度變化的計(jì)算機(jī)模擬.建筑節(jié)能,2010(9):58-60.

[3]肖 偉,王 馨，張寅平.定形相變墻板改善輕質(zhì)墻體夏季隔熱性能研究.工程熱物理學(xué)報(bào),2009,30(9):1561-1563.

Analysis of the energy-saving characteristic of outside mounted phase change power storage wall

Chai Guorong

(StateIntellectualPropertyOfficeoftheP.R.C.,Beijing100088，China)

The paper studies the energy-saving features of external shape-stabilized PCM with ANSYS software, and analyzes its computation results. The result shows that: the shape-stabilized PCM temperature influences the wall energy-saving performance and PCM capability, which needs to select rationally according to climate conditions.

Phase Change Material(PCM), outer adhering type, energy-saving

1009-6825(2015)01-0191-02

2014-10-27

柴國榮(1981- )，女，四級(jí)審查員

TU201.5

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