添加石蜡的相变水泥墙传热性能分析_李丽莎.pdf

第 33 卷第 1 期2012 年 1 月太阳能学报ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAVol 33，No 1Jan，2012文章编号:0254-0096(2012)01-0126-05添加石蜡的相变水泥墙传热性能分析收稿日期:2009-12-28基金项目:北京市教委科技发展计划面上项目(KM200910016011);北京市委组织部优秀人才培养资助项目(20071D0501700241);北京市属市管高等学校人才强教深化计划通讯作者:闫全英(1970)，女，博士、副教授，主要从事建筑节能方面的研究。yanquanying bucea edu cn李丽莎，闫全英(北京建筑工程学院环境与能源工程学院建筑热能工程系，北京 100044)摘要:利用 ANSYS 有限元分析软件，模拟添加石蜡的相变水泥墙体和普通水泥墙体的传热性能。通过模拟计算，给出普通水泥墙和相变水泥墙在一侧受到热流时另一侧的表面温度和热流的变化规律，并与实验测试结果进行比较;通过对比研究相变墙体和普通墙体的传热性能，分析相变墙的节能效果和可行性;同时求解相变墙体表面恒温时间随导热系数和相变潜热的变化规律。结果显示:数值模拟结果与实验测试结果较吻合，模拟方法可行;与普通墙体相比，相变墙体的温度变化平缓，热流传递出现滞后，热流量小，节能效果较明显;提高相变材料的导热系数和潜热能提高表面恒温时间，有利于相变材料在墙体中的储能效果。关键词:石蜡;相变水泥墙;传热性能;恒温时间中图分类号:TK02文献标识码:A0引言相变材料(PCM)是一种以潜热形式储存和释放能量的材料。在相变温度范围内，相态发生变化时储存或释放的能量称为相变潜热。将相变材料加入到建筑材料中而构成的相变建筑围护结构已成为目前国内外研究的热点。由于相变材料的蓄热特性，使用相变建筑围护结构可减小建筑物内的温度波动、提高室内的舒适度、节约能源。相变材料在建筑节能领域的研究主要集中于相变材料选择、相变材料和建筑材料的结合以及相变过程数值模拟等方面。Feustel H E 等1 用基于有限差分逼近的热建筑模拟程序数值评价了 PCM 墙板在建筑环境中储存潜热的性能。他们利用双重 PCM墙板进一步提高建筑物的储热能力，让房间温度在不使用机械冷却条件下也可保持在接近舒适温度的上限值。Ravikumar M 等2 分析了 PCM 在建筑物屋顶的应用效果。屋顶结构模型利用 ANSYS 有限元分析软件的散热模块来处理。他们对 3 种类型的屋顶进行了研究，结果表明:当简单的碾压混凝土屋顶(RCC)分别与碎砖块和石灰砂浆混合物(WC)和含有相变材料的 WC 混合物结合使用时，进入房间的热量分别减少了 46 88%和 71 16%;含相变材料的WC 结构屋顶使进入房间的热量比没有相变材料的WC 结构屋顶减少了45 71%。Stovall T K 等3 模拟了相变储能墙板在美国不同气候区的应用，对于类似田纳西州气候的区域，使用相变墙板能使采暖设备容量减少 1/3，对于类似丹佛气候的区域，使用相变墙板能使采暖设备容量减少 1/2。林坤平等4，5 通过数值方法模拟和评价了相变墙房间在我国不同气候地区的使用效果，说明了相变墙建筑在我国不同地区使用的优点和局限性，结果显示在夏季室外平均温度超过 25的地区，相变墙房间的室内舒适度提高微小甚至会降低，仅用相变墙不能解决热舒适问题;在夏季平均温度低于 25 的地区，相变墙房间使用效果较好。文献 6 8 模拟研究了直接受益式定形相变墙板和地板房间的热性能，从相变温度、潜热、导热系数、对流换热系数、相变板厚度、相变板放置位置、保温形式等几个方面分析了其使用效果，研究结果表明对流换热系数对使用效果影响很大;相变温区越窄，使用效果越好;相变石膏板和定形相变墙板使室温波动分别减小了 46%和 56%。本文建立水泥墙的几何模型，利用 ANSYS 有限元分析软件数值模拟含有石蜡的相变墙和不含相变材料的普通墙在一侧受到热流时，另一侧表面温度1 期李丽莎等:添加石蜡的相变水泥墙传热性能分析127和热流的变化规律，并与实验测试结果进行比较，探讨相变墙的节能效果和可行性。表面恒温时间是衡量相变材料性能的主要指标之一9。凝固放热过程中，相变材料的导热系数和潜热等均会影响其凝固速度及其在相变温度的维持(恒温)时间，为此本文模拟求解不同参数下恒温时间的变化规律。1测试方法水泥和砂按 1 2的比例混合，石蜡粉碎后与水泥砂充分混合均匀，加适量水，搅拌均匀后将其倒入自制模具中，采用模压成型法制成相变墙试样 4 块。水泥和砂按 1 2的比例混合，加水搅拌均匀倒入自制模具中，制成普通墙试样 1 块。试样组成和尺寸如表 1。样品制成 5h 后，在室内采取覆盖浇水方式养护，养护龄期为 28d。表 1水泥墙试样Table 1Samples of concrete wall模型编号12345模型尺寸300mm 300mm 30mm样品中石蜡所占比例/%0 01 73 05 07 0采用热箱法进行实验测试，一侧用红外灯照射，给予热流 1h，然后停止热流。墙体两侧布置测点，利用多点热流计测试温度和热流。制备的水泥墙实验测试结果见图 1 图 4。2水泥墙传热性能的数值模拟2 1几何模型和物理模型数值模拟的墙体包括添加石蜡的相变水泥墙4 块和没有添加相变材料的普通水泥墙 1 块。利用ANSYS 建立矩形模块的二维模型并进行网格划分，如图 1。图 1几何模型及网格划分Fig 1Geometry model and the grid水泥墙模型的物性参数如表 2。相变墙体中所用石蜡为 46#石蜡，其相变温度为 45 5，相变潜热为 201 6J/g。表 2水泥墙物性参数Table 2Physical parameters of concrete walls模型编号12345密度/kg m327672735271126742636比热/J (kg K)1840863880906932热导率/W (m K)10 930 0 917 0 908 0 893 0 8782 2数学模型水泥墙体的数学模型如式(1):t tw/s=rdx()d(1)式中，t 相 变 温 度，;tw 壁 面 温 度，;模型厚度，mm;s 相变材料固态时热导率，W/(mK);相变材料密度，kg/m3;r 相变潜热值，kJ/kg。2 3初始条件与附加载荷初始温度 T0:根据实测值设定墙体模块的初始温度且分布均匀。附加载荷:高温侧表面对流:h1=12 5W/(m2 K)，T=120低温侧表面对流:h2=12 5W/(m2 K)，T=T03结果与分析普通墙体 1 和相变墙体 2 的模拟结果和实验测试结果如图 2 和图 3。从图中可以看出:水泥墙表面温度和热流的数值模拟结果与实验测试结果较吻合，相变墙升温速度小于普通墙。当墙的一侧受到热流的作用时，由于图 2相变墙和普通墙温度变化规律Fig 2Change laws of the temperatures of the phasechange wall and traditional wall128太阳能学报33 卷图 3相变墙和普通墙热流变化规律Fig 3Change laws of the thermal flow of the phasechange wall and traditional wall相变材料吸热熔化，墙体另一侧(低温侧)的温度没有明显变化，随着时间的推移，受到热流持续加热的影响，墙体温度逐渐升高。相变墙体低温侧表面温度低于普通墙的温度且温度变化平缓，温度波动小;相变墙非受热侧表面的热流远小于普通墙，且热流的变化平缓、波动小。模拟数据显示:在开始加热阶段，由于相变材料的熔化，通过相变墙体的热流为零，2min 后才有热流通过，而普通墙开始加热阶段就有较大热流。由于相变材料的存在，通过墙体的热流与没有相变材料的墙体相比，减小了约 50%。通过比较可知，相变材料的加入提高了墙体的蓄热能力，热流产生延迟，内表面温度波动小，温度升高慢，热流小，可大大减小通过墙体的传热量。不同相变材料含量的相变墙体 3 5 的模拟结果和实验结果如图4 和图5。图中显示:当墙体一侧受到热流时，墙体中添加的石蜡越多，相变墙的潜热越大，墙体另一侧的温度越低，温度升高越缓慢，温度波动越小。随着时间的推移，墙体中的相变材料逐渐熔化，温度变化趋于平缓。墙体中石蜡比例越大，通过墙体的热流越小。开始加热阶段，由于墙体中部分相变材料熔化蓄热，导致没有热流通过墙体，2min 之后才开始有热流通过。石蜡含量越大，热流延迟时间越长，节能效果越明显。实验过程中发现，试样添加少量相变材料(在50%以内)时，相变墙体在受热过程中渗透很少，表面略有潮湿，但无液体石蜡析出。当石蜡含量为7 0%时，渗透现象明显。综合分析实验和模拟结果表明，与普通无相变材料的墙体相比，相变墙体节能效果较为明显。但加入石蜡过多，温度变化和热流方面差异并不明显，而且会出现明显渗透。如果为了进一步提高节能效果而增加石蜡的比例，应使用定形相变石蜡制作相变墙体。4相变材料的表面恒温时间表面恒温时间是衡量相变材料性能的主要指标之一9，凝固放热过程中，相变材料的导热系数和潜热等均会影响其凝固速度及其在相变温度的维持(恒温)时间。相变材料添加到墙体中的节能效果与相变材料在墙体内的传热过程和材料的相变潜热有很大关系。4 1相变材料热导率的影响本文使用的石蜡潜热值为 202kJ/kg，对具有不同热导率的相变材料在相变温度附近的恒温时间值1 期李丽莎等:添加石蜡的相变水泥墙传热性能分析129进行模拟求解，结果如图 6。结果表明:随着热导率的升高，表 面 恒 温 时 间 增 加;当 热 导 率 增 加 到2 0W/(m K)后，表面恒温时间基本保持不变。图 6不同导热率下模块的维持时间Fig 6Constant temperature time of the PCM withdifferent heat conductivity把 PCM 加入墙体后产生的一个问题就是 PCM与墙体周围空气的换热不充分，热导率低，蓄能恢复不充分，从而导致相变墙板的蓄能能力下降，不能完全发挥 PCM 的作用。增加相变材料的热导率，有利于提高相变材料的储能效果。石蜡的热导率较低，为了提高石蜡储能的作用，应采取相应措施增大石蜡相变材料的热导率，如在相变材中添加非金属填料，如石墨、碳纤维等10，11。4 2相变潜热的影响表面恒温时间随相变材料相变潜热的变化见图 7。结果表明:提高相变潜热对延长表面恒温时间效果显著;潜热越高，表面恒温时间越长，且表面恒温时间的延长与潜热的提高几乎呈线性关系，所以提高潜热值是延长相变材料维持时间的最有效的手段。图 7不同潜热值下模块的维持时间Fig 7Constant temperature time of the PCM withdifferent latent heat5结论1)用 ANSYS 热分析软件模拟相变墙体的相变过程，模拟结果与试验结果较吻合，证明 ANSYS 软件对模拟相变墙体的传热过程具有可行性;2)墙体中添加相变材料，可降低墙体表面温度及其波动，减小通过墙体的传热量，相变墙体比普通墙体节能;3)相变墙体中添加的相变材料越多，墙体表面温度越低，温度波动越小，通过墙体的热流越小，节能效果越明显;4)当石蜡含量较大时，墙体中相变材料的渗透严重，添加量应不超过 5 0%;5)提高相变材料的导热系数和潜热能提高表面恒温时间，有利于相变材料在墙体中的储能效果。改善墙体中添加相变材料的导热性能以提高储热性能是相变墙体进一步研究的方向之一;6)ANSYS 的高可操作性和扩展性，对以后相变模型尺寸设计和相变材料选择具有直接的借鉴和指导意义。参考文献 1Feustel H E，Stetiu C Thermal performance of phasechange wallboard for 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walls were achieved The results showed that numerical simulationagrees well with the experimental test，so the simulation method is feasible Compared with the traditional wall，thetemperature change of PCM wall is more gently，and the thermal fluctuation is smaller，and brings delay Raisinglatent heat and heat conductivity is the main way to prolong the material constant temperature time，and it is benefi-cial to the storage effect of the phase-change material in the wallKeywords:paraffin;phase change material wall;thermal performance;constant temperature time