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办公建筑中双层定形相变材料墙在不同位置的性能研究
摘要：双层定形相变材料墙可以提高室内热性能，并且减少一年的建筑能耗。具有较高熔融温度的定形相变材料层在炎热的季节中起作用，具有较低熔融温度的在较冷的季节中起作用。外部的定形相变材料层和内壁的另一个定形相变材料层被命名为“定形相变材料墙 I”。内部表面有两个定形相变材料层，命名为“定形相变材料墙II”。定形相变材料层的位置影响了建筑围护结构的传热过程。为了提高双层定形相变材料墙的最佳位置性能，利用TRNSYS对武汉市两层定形相变材料墙进行了动态传热模型的研究。结果表明，采用定形相变材料墙I的房间，与对比墙体的房间相比，在冬季的能耗可降低20.51%，在夏季的能耗可降低0.65%。采用定形相变材料墙II的房间，与对比墙II相比，在冬季的能耗可降低18.75%，在夏季的能耗可降低13.46%。在冬季和夏季，定形相变材料墙I和II的室内空气温度都在舒适的范围内随机选择。定形相变材料层的最佳熔融温度应接近于室内空气温度的设置点，应比冬季室内空气温度高0—1℃，比夏季室内空气温度低0—2℃。
关键词：双层、定形相变材料、能效、热力性能
- 引言
随着室内热舒适需求的增加，建筑能耗也迅速增加。建筑围护结构的传热对建筑能耗和室内热环境有显著影响。因此，对建筑围护结构的能量和热性能的研究受到了越来越多的关注。传统的建筑储存能量以复合结构的显热形式储存，这需要大量的材料。相比之下，潜热存储材料具有较大的优点。形状稳定的相变材料(定形相变材料)墙是一种利用潜热储存能量的新型建筑围护结构。大量的研究[1-8]可用于建筑中相变材料s的应用，以提高其能量和热性能。
巴里恩托斯等人[9]在西班牙马德里建立了相变材料墙的一维传热模型。仿真结果表明，与非相变材料墙体相比，相变材料墙体不总是能减少总的热负荷和冷负荷。它取决于所选参考壁的热惯量。
伊巴涅斯等人[10]利用TRNSYS软件开发了单层相变材料墙的数学模型，并通过实验验证了仿真结果。该数学模型应用于西班牙列伊达的一个实际工程。仿真结果给出了相变材料层的安装位置、相变潜热、相变温度的推荐值。
吉恩等人[11]在堪萨斯州劳伦斯市的建筑围护结构中，对相变材料层的优化位置进行了仿真和实验。他们发现相变材料层的优化位置随着厚度、潜热和相变材料熔化温度的增加而移动到外壁面。优化后的位置会随着内壁表面温度的增加而移动到内壁表面。相变材料层的位置会影响通过墙的峰值热通量。但是，作者[12]也指出，如果两个相变材料层的熔化温度都得到了优化，那么两个相变材料层的位置变化对系统热性能的影响很小。
以上文献[9-12]主要是单层相变材料建筑。它可以在夏季或冬季改善室内的热舒适，但它在建筑物都需要冷却和加热的时候，它就不起作用了。一些研究人员[13-17]发现双层相变材料墙可以解决这个问题。
Nomenclature
cp
COP E
h H
q Q
t W
x
Specific heat (kJ/(kg K))
Coefficient of performance Energy (kWh)
Convective heat transfer coefficient (W/(m2 K))
Latent heat (kJ/kg) Heat flux (W/m2)
Cooling/heating load (kWh) Temperature (K or ℃) Energy consumption (kWh) Abscissa (m)
Greek symbols
o
lambda;
Thickness (mm)
Coductivity (W/(m K))
Subscripts
amb Ambient
ave Average
C Cooling
con Consumption
ext External or outside
H Heating
in Inside of external wall
int Internal or inside
lq Liquid
- Melting
max Maximal
min Minimal
- Number of the layer
out Outside of external wall
rad Radiation
s Solid
SR Saving of SSPCM room compared with reference room
SB Saving of SSPCM room compared with basic room
图1所示 基本墙的示意图
孟等人[13]在中国上海建立了具有两种不同熔融温度和不同方向的相变材料室。模拟了相变温度、厚度和位置对相变材料性能的影响。研究发现，这个新的PCM房间可以使室内温度波动在夏季减少4.3℃，在冬季减少14.2℃。在冬季和夏季，由于不同的安装位置，室内温度变化的差异分别为2.7℃和6.9℃。
迪康等人[14]在除屋顶和地面外的所有外墙均有双层相变材料的试验室。研究发现，两种相变材料层对夏季室内冷负荷和冬季热负荷均有影响。冬季较低熔融温度的相变材料对温度的影响更显著，而夏季温度较高的相变材料不明显。作者指出在研究中没有考虑到一些因素，包括潜热和相变材料厚度，优化后的值将更显著地降低负荷。
在屋顶上安装双层相变材料时，帕苏帕蒂等人[15]对其进行了数值模拟和实验研究。这项研究是在印度金奈进行的。研究发现，相变材料墙体在冬季可以降低室内空气温度的波动，但由于相变材料墙体在这几个月的时间内一直处于液态状态，所以不适合夏季的季节，因此系统不能利用潜热效应。
朱等人[16-18]研究了双层定形相变材料墙在空调室内的节能效果。在夏季，具有较高熔融温度的外部定形相变材料层处于活跃状态，在冬季，内部定形相变材料层的熔融温度较低。研究发现，该结构能显著降低冬季能源消耗，但夏季节能效果不明显。
现有文献表明，双层相变材料墙可以改善室内热舒适性，在适当的条件下降低能耗。但现有的双层定形相变材料建筑文献发现，夏季节能效果不明显，冷负荷一般降至4%以下[11,16,17]。一些主要因素影响了双层定形相变材料墙板的热物理性能，包括熔化温度、潜热、厚度、定位和相变材料位置。研究了双层定形相变材料壁板的最佳熔融温度、潜热、厚度和方向，结果可从文献中得到。研究了单层定形相变材料在建筑围护结构中的最优位置[11,12]，但尚未对双层定形相变材料的最佳位置进行研究。采用双层定形相变材料的不同位置对传热过程和热舒适性进行了影响。在此基础上，需要对双层定形相变材料的最佳位置进行研究。
本文采用数值模拟的方法，研究了不同的双层定形相变材料墙板在不同位置上的全年节能效果。采用TRNSYS建立了不同结构的双层定形相变材料墙动态传热模型。通过仿真分析，分析了双层定形相变材料墙板不同位置的节能潜力，得到了两层不同双层定形相变材料墙板的节能效果和热性能。
2.数值模拟
2.1模拟平台
模拟房间的尺寸均为1.2米，1.2米宽，1.2米高。在南墙上安装有不同位置的双层定形相变材料墙墙板，其他的墙面都是基本的建筑材料。图1所示为厚度为1 mm的两色板和厚度为75 mm的EPS板的基础墙。基本墙的热物理参数如表1所示。根据ASHARE[19]的规范，外墙内外的对流换热系数分别为8.3和17。
表1 表2
基本墙的热性能 定形相变材料层的热性能
|
Material |
o (mm) |
cp (J/(kg K)) |
lambda; (W/(m K)) |
p (kg/m3 ) |
PCM |
H (kJ/kg) |
cp (J/(kg K)) |
lambda; (W/(m K)) |
p (kg/m3 ) |
o (mm) |
|
|
Color plate |
1 |
480 |
48 |
7850 |
SSPCM1 |
190 |
2000 |
0.6 |
1525 |
10 |
|
|
EPS board |
75 |
1400 |
0.04 |
20 |
SSPCM2 |
225 |
2000 |
0.2 |
825 |
10 |
|
|
Color plate |
1 |
480 |
48 |
7850 |
图2所示 两个双层定形相变材料墙的示意图 图3所示 参考墙的示意图。
本文研究了两种不同的定形相变材料墙墙板结构，并给出了图2所示的示意图。本研究中使用的定形相变材料墙主要由石蜡作为主要成分，高密度聚乙烯/膨胀石墨为添加剂。复方石蜡的质量百分比为80%。复合石蜡由固体石蜡和液体石蜡组成。固体石蜡和液体石蜡的比例可以改变，以获得所需的熔点。高密度聚乙烯的质量百分比为15%，熔融时可以保持固体形态的定形相变材料墙，无泄漏。膨胀石墨的质量百分比为5%，可以提高石蜡的导热系数。
对于厚度为240 mm的混凝土墙，定形相变材料墙层的最优厚度约为30 mm[15]。因此，对于厚度为77 mm的EPS板壁，定形相变材料墙层厚度约为10 mm，其热物理参数如表2所示。第一个结构是定形相变材料墙墙板，如图2(a)所示，定形相变材料墙I的熔点较高的定形相变材料墙土层位于南壁上，而定形相变材料墙II层则位于南壁上，其熔点较低，为定形相变材料墙II。第二种结构是定形相变材料墙墙板，如图2(b)所示，定形相变材料墙I和定形相变材料墙II均位于南壁上。定形相变材料墙I和定形相变材料墙II对第一或第二结构的位置变化的影响很小，如果两个定形相变材料墙层的熔融温度都得到了优化[12]，
定形相变材料墙墙房的模拟结果不能直接与基本墙的模拟结果相吻合。在两种结构的总传热系数不同的情况下，定形相变材料墙层即使没有相变也能提高墙体的导热系数。因此，由于热阻的增加或定形相变材料墙的相变过程，这所引起的节能效果是未知的。为了证明定形相变材料墙层的相变过程对热负荷和室内热环境的影响，采用两层新墙作为参考墙。在不相变过程中，附加层与定形相变材料墙层具有相同的热支柱。参考墙的结构如图3所示。与图2(a)和(b)相比，图3(a)和(b)壁的热性能分别与图2(a)和(b)相比较。
表3
武汉地区数据的主要特点
Characteristic parameters Value
Maximum outdoor air temperature 37.1 ◦ C
Minimal outdoor air temperature minus;3.8 ◦ C
Average outdoor air temperature 17.6 ◦ C
Time proportion of outdoor air temperature greater than 26 ◦ C 22.9%
Time proportion of outdoor
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