柴 国 荣
(国家知识产权局，北京 100088)
外贴定形相变材料的混凝土墙体节能特性分析
柴 国 荣
(国家知识产权局，北京 100088)
采用ANSYS软件对混凝土外贴定形相变材料组成的相变墙体的节能特性进行了模拟研究，并对其计算结果进行了分析，结果表明：定形相变材料的相变温度在一定程度上影响墙体节能性能和相变材料能力的发挥，需要根据气候条件进行合理的选择。
相变材料，外贴式，节能
相变墙体是建筑节能行业一个新的研究热点。相变墙体利用相变材料的相变潜热存储多余的能量，需要时再释放出来，起到节能的效果。相变材料的潜热吸收或放出的能量比显热高出1个～2个数量级，因此利用相变材料的潜热设计出相变墙体在节能效果上优势非常明显。然而由于传统相变贮能材料在相变过程中在固液状态间不断转化，因此需要设计密封容器，不但热阻大、效果差，美观性差、占用空间大等弱点也阻碍了这项新技术的广泛应用。近期出现的定形相变材料不需要再设计容器，成本低、设计和施工方便，对于众多旧建筑也是业主比较容易接纳的一种安装方式。因此很多学者对定形相变材料进行了数值模拟和实验方面的相关研究工作。数值模拟工作包括郭志强、胡小芳、孙潇，采用ANSYS软件进行模拟计算研究，研究结果表明，利用ANSYS软件在非线性分析方面的功能，能够很好的模拟相变材料的温度变化，并且ANSYS模拟计算结果和试验结果一致性较好，表明采用ANSYS软件进行定形相变材料的模拟计算研究是可行的。肖伟等模拟研究了北京地区定形相变墙体的相变温度和相变板厚度。目前混凝土墙体在建筑行业中大量应用，但目前还缺乏采用定形相变材料的混凝土墙体节能效果方面的研究。为研究混凝土墙体在安装了相变材料对于不同气候情况下的节能特性，本文采用ANSYS软件对混凝土墙体外贴安装定形相变材料后的传热和相变特性进行计算，并对计算结果进行了分析。
1 数学模型
本文研究的墙体如图1所示，由定形相变材料(0～L1)、混凝土(L1～L2)组成。混凝土面向室内环境；定形相变材料面向室外，采用外贴的形式安装在混凝土墙体上。外贴式安装方式的主要优点是不占用室内空间、旧建筑施工方便、易维修。
混凝土的导热方程为：
(1)
其中，α0为混凝土热扩散系数。定形相变材料导热方程采用焓的形式：
(2)
其中，H为焓值;k1，ρ1分别为导热系数和密度。边界条件为：
混凝土与外环境采用定温边界，外环境温度为Tout：
(3)
混凝土与室内环境界面的边界条件给出环境温度及换热系数hin，室内环境温度为Tin：
(4)
计算中采用的室外气温曲线见图2，气温曲线1和曲线2的最低气温分别为21.5 ℃和16.5 ℃，最高气温分别为37.5 ℃和32.5 ℃，变化范围均为16.0 ℃。室温取T∞=24.0 ℃，换热系数hin=6 W/(m2·K)。
初始温度取室温,即T0=T∞。
2 计算及结果分析
数值计算中分别采用表1所示的两种不同定形相变材料，为比较相变温度对节能效果的影响，两种相变材料相变温度不同，导热系数、密度、比热采用的值相同。研究的混凝土墙体厚度为100 mm，定形相变材料采用外贴的方式安装在混凝土墙体上，相变材料的厚度为20 mm。计算模型网格如图3所示。
表1 热物性参数取值
图4为无定形相变材料的混凝土墙体内表面温度随两种室外环境温度的变化情况。从图4中可以看到，在无相变材料、墙体仅由混凝土组成时，墙体内表面随室外环境温度变化较大。在两种气温曲线情况下，室外环境温度波动幅度均为16.0 ℃，墙体内表面温度随室外环境温度波动幅度为10.0 ℃，单位面积墙体所需室内制冷装置制冷量分别为2 671 kJ和1 274 kJ。
厚度为100 mm混凝土墙体在外贴了20 mm厚、相变温度为30.0 ℃的定形相变材料时，墙体内表面温度随两种室外环境温度的变化情况如图5所示。从图5a)中可以看到，在气温曲线1情况下，墙体内表面温度的波动幅度由外贴定形相变材料前的10.0 ℃减小到3.0 ℃，单位面积墙体所需室内制冷装置制冷量减少到1 894 kJ，节能29%；图5b)中可以看出，在气温曲线2情况下，墙体内表面温度的波动幅度由外贴定形相变材料前的10.0 ℃减小到3.5 ℃，单位面积墙体所需室内制冷装置制冷量减小到734 kJ，节能42%(见表2)。
表2 单位面积墙体节能效果
在室外环境温度高于室内温度的情况下，室内环境温度需要室内制冷装置来维持，因此墙体内表面温度波动大，需要的制冷装置的峰值功率和每日制冷量也大。减小墙体内表面温度波动，降低了制冷装置的峰值功率和每日制冷量。比较图5a)和图5b)可以看到，两种气温曲线波动幅度相同的情况下，墙体内表面波动幅度相差0.5 ℃的原因是定形相变材料的相变温度为30.0 ℃，气温曲线2的温度上升到最高值时，相变材料还未完全发生相变，室外环境温度就已开始下降，相变材料未能完全发挥作用。如果选用相变温度低一些的定形相变材料，就能够使相变材料完全发挥作用。图6为气温曲线2情况下、厚度为100 mm混凝土墙体在外贴了20 mm厚、相变温度为27.0 ℃的定形相变材料时，墙体内表面温度曲线。由图6可看到，相变温度降低使得相变材料完全熔化，因此更好的发挥了相变储能的作用，墙体内表面温度的波动幅度由降低相变温度前的3.5 ℃减小到了3.0 ℃，单位面积墙体所需室内制冷装置制冷量减小到670 kJ，节能量提高到了48%。但是，相变材料的相变温度并不是越低越好，如果相变温度低于室外环境日气温变化的最低值，则相变材料一直处于熔化状态、不能发挥相变潜热的蓄热能力。因此，相变材料的相变温度需要根据当地日气温变化水平进行适当的选择。
3 结语
本文采用ANSYS软件分析了混凝土外贴定形相变材料组成的相变墙体的节能特性，结果表明：1)100 mm厚的混凝土墙体外贴安装20 mm的定形相变材料后，减小了墙体内表面的温度波动幅度，降低了室内制冷装置每日的峰值功耗和制冷量。2)定形相变材料的相变温度在一定程度上影响墙体节能性能和相变材料能力的发挥，需要根据气候条件进行合理的选择。
[1]郭志强,吴文健,满亚辉,等.基于ANSYS有限元方法对相变材料相变过程的分析.新技术新工艺,2007(11):87-89. 胡小芳,肖 迪.基于ANSYS的相变储能建筑材料温度响应特性的研究.材料导报,2009,23(22):83-86.
[2]孙 潇,邹 钺.相变墙体温度变化的计算机模拟.建筑节能,2010(9):58-60.
[3]肖 伟,王 馨，张寅平.定形相变墙板改善轻质墙体夏季隔热性能研究.工程热物理学报,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
柴国荣(1981- )，女，四级审查员
TU201.5
A
