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1、368 制冷与空调 2011 年 文章编号：1671-6612（2011）04-368-06 成都地区相变墙体夏季工况的 参数优化及效果分析 牛 犇1,2 袁艳平1 白 力1 （1.西南交通大学机械工程学院 成都 610031;2.成都市基准方中建筑设计事务所 成都 610015）【摘 要】为了解相变墙体传热特点和评价相变材料在成都地区的使用效果，建立相变墙体传热数理模型并通过实验验证模型正确性。在此基础上分析了成都地区夏季工况下相变材料的相变温度、相变区间、相变潜热和导热系数对使用效果的影响，并对参数进行优化。结果表明：适合成都地区夏季墙体内表面的相变材料的相变温度为 2526，相变区间为
2、2以内，相变潜热与使用效果呈线性关系，导热系数对使用效果影响不大。【关键词】相变墙体；成都地区；参数优化；数值模拟；实验研究 中图分类号 TK512+.4 文献标识码 A The Parameters Optimization and Effect Analysis of Phase Change Wallin Summer Condition in Chengdu Niu Ben Yuan Yanping Bai Li(1.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031;2.Cheng
3、du Jizhun Fangzhong Architectural Design Associates,Chengdu,610015)【Abstract】In order to summarize the characteristics about phase change wall heat transfer and evaluate the performance when the phase change materials is used in Chengdu,the article established phase change wall mathematics physics m
4、odel.After the model is verified,it is used to research about the effectiveness of the parameters such as the melting point,the latent heat,temperature range,he coefficient of heat conductivity and the parameters is optimized.The results are the parameters that fit Chengdu zones is that the melting
5、point is 2526,the Phase change interval is within 2,and there is a linear relationship between latent heat and the results of actual operation.The coefficient of heat conductivity has little influence on the performance.【Keywords】phase change wall;Chengdu zones;parameter optimization;numerical simul
6、ation;experimental study 基金项目：建设部科学技术项目（2010-K1-32）“控温降噪相变石膏板的制备、传热特性与应用”；四川省新型墙体材料基金项目（2008K09）“相变墙体的工程热物理关键技术及应用”作者简介：牛犇（1986-），男，硕士研究生。收稿日期：2011-01-05 0 引言 近年来，相变储热材料应用到建筑领域成为学者研究关注的热点。相变材料应用到建筑围护结构中，在夏季白天熔化吸收室内热量，夜间利用室外冷风将材料中的热量带走，材料凝固完成循环，从而达到减小室内温度波动，提高房间热舒适性的目的。Neeper1将脂肪酸和固体石蜡混合制成相变材料，搭建相变实验
7、房，观察房间内空气温度的日变化，研究结果表明，影响PCM墙体蓄放热的因素主要有三个：（a）PCM的相变温度；（b）PCM的相变温度区间；（c）PCM的相变潜热量。清华大学张寅平教授2-4对于给定的气象条件和相变房 第 25 卷第 4 期 2011 年 8 月 制冷与空调 Refrigeration and Air Conditioning Vol.25 No.4 Aug.2011.368373 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第 25 卷第 4 期 牛 犇，等：成都地区相变墙体夏季工况的参数优化及效果分析 369 间，着重分析了相变墙使用中的相变温度的优化选择方法
8、和相变区间大小对相变墙体使用效果影响，并通过数值模拟方法评价了相变墙房间在我国不同气候地区的使用效果。同济大学的张东5等人基于集总参数法和矩形等效热熔法建立了相变材料的相变过程温度模型，并研究了环境温度、相变潜热、相变温度区间和换热效率等多种因素对相变过程的影响。目前国内外文献在研究相变材料参数对墙体传热影响的时候，多假定某一特定条件或环境，模拟结果较为理想，但此结论在全年或某个季节是否适用有待进一步研究，本课题建立相变墙体传热的全夏季仿真模型，更接近实际，在此基础上分析相变材料参数对使用效果的影响。因此，本课题具有重要的理论和工程应用意义，研究结果可为相变墙体的实际应用提供设计参考依据。1
9、相变墙体数学模型的建立与实验验证 1.1 数学模型 考虑到墙体相变传热的特点，对其传热过程作如下简化6：（1）热量只沿墙壁厚度方向传递，为一维非线性导热过程；（2）相变材料在相变区间按等效比热（等效热容）考虑，在固、液相区均按常物性考虑，密度为定值，忽略相变材料固液态的体积变化；（3）忽略相变材料在熔化状态时的自然对流和凝固时的过冷效应。图 1 半无限大相变墙体传热模型 Fig.1 Semi-infinite phase change wall heat transfer model 半无限大区域的相变材料熔化问题7数学描述如下：22 0(),0HTkxs t tx=（1）边界条件：,0(,)
10、()0,0WWWw WxT x tkqhTTxtx=+=（2）NNN,NL(,)(),0wxT x tkqhTTxL tx=+=（3）初始条件：00(,)0,0T xTxt=（4）移动界面的数学描述为：m(,)(),0T xTxs t t=（5）(,)()(),0T x tds tkLxs t txdt=（6）1.2 实验验证 为验证模型正确性，搭建了尺寸为0.9m0.9m 0.9m相变实验房模型，实物图如图2所示。实验房北墙使用浸泡了质量分数为30%的癸酸的纸面石膏板，其余三面墙使用普通纸面石膏板。实验房屋顶采用保温材料密封，构成绝热边界条件。（a）模型 （b）实拍图 图 2 相变实验房间示
11、意图 Fig.2 The Schematic of phase change room PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 370 制冷与空调 2011 年 实测室外温度为20，将特制恒温水浴槽加热至55时，维持水浴槽温度恒定，将房间放置在水浴槽顶部，然后利用墙体上均匀分布的铜-康铜热电偶测量实验房北墙和南墙内表面温度波动情况。数值计算采用ESP-r软件，时间步长为1min，数值计算与实验结果对比如图3所示。图 3 相变石膏板房间数值模拟结果与实验结果对比分析 Fig.3 The comparative analysis of numerical simulation
12、 and experimental result about phase change Plasterboard room 由图3可见，实验数据和数值模拟结果吻合较好，两者误差最大不超过8%，说明数值模拟结果较为准确，可用于进一步研究成都地区相变材料使用效果。经分析误差来源于：（1）室外环境设定为20，但实验时间长达五个小时，室外温度有所降低，约12。（2）恒温水浴槽的电加热膜温度控制不够精确，使得房间地板温度在5356之间波动。2 成都地区相变参数的优化和效果分析 2.1 成都地区案例 在实验与数值计算验证结果良好的基础上，论文以成都某标准办公建筑为研究对象，分析相变材料在整个夏季的使用效果
13、，房间示意图如图4所示。（a）（b）图 4 房间示意图 Fig.4 Schematic drawing room 该建筑物各房间结构相同，尺寸为 5m4m 2.7m，墙体为 240mm 钢筋混凝土墙，南墙有一2m1.7m的双层中空玻璃窗，窗户设有外遮阳。房间内扰为 10W/m2，渗透风量为 1 次/小时。将 10mm厚的相变材料制成墙板添加在建筑墙体内侧，相变材料热物性参数如表 1 所示。表 1 相变材料热特性参数 Table 1 Thermal Properties of phase change material 材料 相变温度（）相变潜热（kJ/kg）导热系数 W/（m）比热容 J/（k
14、gK）密度（kg/m3）PCM 2526 150 0.6 1450 900 数值计算用到的相变材料初始参数均按照癸酸等脂肪酸热物性参数标准8来设置，然后通过改变不同参数来分析相变材料参数的改变对墙体传热的影响。2.2 评价指标 为了评价相变材料在被动式建筑中的使用效果，本文采取了过热度9和不满意率两个评价指标。（1）不满意率：指高于舒适区温度上限kT的时间与总时间所占的比例。时间单位采用小时，而非天数，从而保证精确度。（2）过热度9：()()inkinkITT dTT=当时 （7）I 为过热度，h；Tin为室内温度，；Tk为夏季舒适区温度上限，此处采用西安建筑科技大学杨柳10所建立的热舒适性模
15、型，求得成都地区空调PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第 25 卷第 4 期 牛 犇，等：成都地区相变墙体夏季工况的参数优化及效果分析 371 季舒适区温度上限为 29.4111。由公式（7）可以看出 I 是高于舒适度上限的温度对时间的积分。过热不舒适度和不满意率越小，房间越舒适。2.3 相变材料结合夜间自然通风工况下参数优化 本文使用ESP-r软件对相变房间和普通房间分别模拟，时间步长为 15min，气象参数采用成都地区典型年气象参数，模拟时间段为夏季空调季 6 月10 日至 8 月 9 日。工况为相变材料结合夜间自然通风，具体方案为夜间 10:006:00，开窗
16、通风，房间换气次数增加到 5 次/小时12。（1）相变温度的选取 图 5、6 为不同的相变温度对墙体和房间温度的影响。相变温度的选择对房间室内温度和墙体内表面温度波动影响较大。例如，图 5 中 6 月 20 日，相变温度为 2425时，材料夜间没有完全凝固，导致第二天材料未能正常熔化起到调温效果；相变温度为 2627时，则材料白天没有完全熔化，使得夜间冷量得不到充分利用，并且相变点与室内温度温差较小，调温效果不显著。图 5 不同相变温度下相变房间东墙内表面温度波动曲线 Fig.5 The curve of temperature on the east wall of the phase ch
17、ange room in different phase change temperature 图 6 不同相变温度下相变墙体使用效果统计 Fig.6 The use effect of phase change wall in different phase change temperature 图 6 中，建筑物采用了相变温度为 2526的相变材料后，房间过热度最小，不满意率最低，相比没有使用相变墙的房间，过热度降幅高达63.5%，不满意率降低 10.7%，有效减小了室内温度波动，提高房间舒适性。因此，适合成都地区夏季工况的相变材料的最优相变温度应该是 2526。（2）相变区间的选取 相变
18、区间是指对一些多组分物质如混合物、合金等，熔化或凝固现象发生在一定的温度范围内，固相和液相间不存在一个明显的界面，而是由一个具有一定厚度的两相混合区（又称糊状区）所隔离7。相变区间的大小同样影响着相变材料的使用效果。图 7 不同相变区间相变房间东墙内表面温度波动曲线 Fig.7 The curve of temperature on the east wall of the phase change room in different phase change interval 图 8 不同相变区间下相变墙体使用效果统计 Fig.8 The use effect of phase change
19、 wall in different phase change interval 图 7 中，根据结论（1）中确定的最佳相变温度为 2526，以此平均温度定义为相变温度区间的中值，然后改变相变区间的大小，即所选的温度变化区间分别为 25.50.25，25.50.5，25.52。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 372 制冷与空调 2011 年 如图 7、8 所示，相变区间为 0.5，墙体内表面温度波动最小，相变材料的消峰作用最强，但作用时间最少；相变区间为 4时，墙体内表面温度波动较大，消峰能力变弱，但相变材料发挥作用的时间最长。但考虑到相变区间越小，材料制备越困难
20、。因此，综合考虑各项因素，适合成都地区夏季工况的相变材料的相变区间应该是 2以内。（3）相变潜热的选取 图 9 中选择不同的相变潜热，试算相变潜热对房间温度的影响。一个相变周期内，如果环境温度不能使材料完全凝固或熔化，相变潜热的增大对房间温度的改善没有任何效果。例如 6 月 20 日，100kJ/kg 的相变材料已经可以满足要求，再增大潜热，对房间温度没有任何改善。相反，潜热越大，墙体吸收的热量越多，相变材料对房间内调温效果越明显。例如 7 月 15 日前后，室外环境温度很高，相变潜热为 100kJ/kg 的相变材料很快完全熔化，增大潜热至 200kJ/kg，则更有效地维持了墙体内表面温度恒定
21、。图 9 不同相变潜热下相变房间东墙内表面温度波动曲线 Fig.9 The curve of temperature on the east wall of the phase change room in different phase change phase change latent heat 图 10 不同相变潜热房间相变墙体使用效果统计 Fig.10 The use effect of phase change wall in different phase change latent heat 图 10 显示了相变潜热和房间过热度基本成线性关系，潜热越大，过热度越小。但现实应用中
22、获得较大的潜热的途径通常是添加更多相变材料，成本增高，所以实际应用中应慎重考虑。（4）导热系数的选取 图 11、12 为改变相变材料导热系数的试算结果。相变材料导热系数的改变，对房间温度影响十分微弱，只在相变材料完全熔化或凝固时才稍有差别。主要原因是本文中相变材料采取“一天蓄冷、多天供冷”的工作模式，凝固和熔化过程都十分缓慢，导热系数的影响可以忽略不计。图 11 不同导热系数下相变房间东墙内表面温度波动曲线 Fig.11 The curve of temperature on the east wall of the phase change room in different heat co
23、nductivity 图 12 不同导热系数下相变墙体使用效果统计 Fig.12 The use effect of phase change wall in different heat conductivity 3 小结 本文通过数值模拟和实验验证相结合的方法，分析研究了相变材料热物性参数的改变对房间室内温度的影响，得出结论如下：（1）针对成都地区办公建筑，在墙体内表面添加相变材料后，房间过热度降低 60%以上，不满意率降低 10%以上，可有效改善房间的热舒适性。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第 25 卷第 4 期 牛 犇，等：成都地区相变墙体夏季工况的参数
24、优化及效果分析 373（2）为保证相变材料充分发挥削峰填谷的作用，论文通过计算确定适合成都地区夏季工况的相变材料的最优相变温度为 2526；最优相变区间为 2以内；导热系数的改变对房间的温度影响并不大。（3）相变潜热和房间过热度、不满意率基本成线性关系；潜热越大，使用效果越好，但若一个相变周期内材料不能完全凝固和熔化，增大潜热没有效果。参考文献：1 D A Neeper.Thermal dynamics of wallboard with latent heat storageJ.Solar Energy,2000,68(5):393-403.2 林坤平,张寅平,江亿.夏季“空调”型相变墙热设
25、计方法J.太阳能学报,2003,24(2):145-151.3 林坤平,张寅平,江亿.我国不同气候地区夏季相变墙房间热性能模拟和评价J.太阳能学报,2003,24(1):46-72.4 钟志鹏,张寅平,江亿.相变墙板布置位置及相变温度对其使用效果的影响C.中国建筑学会,中国制冷学会.全国暖通空调制冷 2000年学术年会论文集.北京:中国制冷学会,2000:347-350.5 张东,周剑敏,吴科如.相变储能材料的相变过程温度模型J.同济大学学报,2006;34(7):928-932.6 刘宇宁.复合相变蓄热墙体应用于北方住宅建筑的节能特性研究D.北京:北京工业大学,2007.7 张仁元.相变材料
26、与相变储能技术M.北京:科学出版社,2009.8 白力,袁艳平,牛犇.癸酸-棕榈酸复合相变石膏板的制备与性能研究J.西南交大学报（增刊）,2010,45:68-71.9 林坤平.相变蓄能建筑构件应用原理和效果研究D.北京:清华大学,2006.10 杨柳.建筑气候分析与设计策略研究D.西安:西安建筑科技大学,2003.11 牛犇.相变墙体夏季工况运行特性的数值计算与实验研究D.成都:西南交通大学,2011.12 M Anastasios.PCM performance optimization in buildings using active cooling systemsD.Glasgow:
27、University of Strathclyde,2008.（上接第364页）4 结论 在利用置换通风对大空间建筑进行污染物控制时，置换通风送风速度应以 0.25m/s 为宜，在此送风速度下，空间内的速度分布较稳定，污染物浓度分布分层的效果也较良好，在建筑空间底部基本没有出现污染物掺混现象。参考文献：1 刘静玲.环境污染与控制M.北京:化学工业出版社,2001.2 张明远.空间高大空间污染物分布数值模拟D.北京:华北电力大学,2003.3 李丽,徐文华.新风量对空间 VOCs 浓度分布影响的模拟分析J.洁净与空调技术,2003,21(6):121-126.4 Atila Novoselac,
28、Brendon J Burley.Development of new and validation of existing convection correlations for rooms with displacement ventilation systemsJ.Energy and Buildings,2006,(38):163-173.5 刘威.空间污染物浓度分布的数值研究D.广州:广州大学,2006.6 Elisabeth Mundt.Non-buoyant pollutant sources and particles in displacement ventilationJ.Building and Environment,2001,(36):829-836.7 陶文铨.数值传热学M.西安:西安交通大学出版社,2001.8 费祥麟,胡庆康,景思睿.高等流体力学M.西安:西安交通大学出版社,1993.PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建