徐 寧 曾長(zhǎng)女 李皖皖 曲晶瑩

河南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院（450000）

0 引言

相變材料(PCM)是一種理想的儲(chǔ)能材料，在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是當(dāng)前低能耗建筑研究的熱點(diǎn)[1]。當(dāng)PCM的溫度達(dá)到相變溫度時(shí)，PCM將通過自身相態(tài)的改變儲(chǔ)存熱量。因此，PCM的加入使墻體具備潛熱儲(chǔ)能能力，能夠大幅降低向室內(nèi)傳遞的熱量，有效提升墻體保溫隔熱性能[2]。

為提升老舊糧倉的保溫隔熱性能，文章提出一種構(gòu)建相變墻體的技術(shù)。首先研究了熱導(dǎo)強(qiáng)化、可直接外貼安裝的相變板材制備。其次，利用數(shù)值模擬進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究該墻體在夏高溫下的傳熱性能旨在為相變糧倉圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用提供有利參考。

1 相變板材制備與墻體模型設(shè)置

相變材料選取石蠟，高密度聚乙烯被做為支撐材料，對(duì)復(fù)合相變材料熱導(dǎo)計(jì)算模型，膨脹石墨為導(dǎo)熱增強(qiáng)劑。文章研制的定形相變板材相變潛熱高、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、熱導(dǎo)率大幅提升，可直接外貼至糧倉墻體外側(cè)，為舊倉相變儲(chǔ)能墻體的改造提供技術(shù)支撐。圖1 為制備的相變板材。

圖1 試驗(yàn)制備相變板材

建立了普通加厚改造墻體、外貼PCM改造墻體兩種物理模型。設(shè)置兩種墻體厚度為240 mm，高度為2 000 mm。普通糧倉墻體材料為鋼筋混凝土；相變儲(chǔ)能墻體材料包括PCM和鋼筋混凝土，如圖2 所示，其中PCM層厚為L(zhǎng)1，鋼筋混凝土層厚為L(zhǎng)2。

圖2 模型示意圖

將墻體的內(nèi)、外表面邊界設(shè)為對(duì)流換熱邊界，上、下邊界為絕熱邊界。墻外表面對(duì)流換熱系數(shù)為19 W/m2·K，墻體內(nèi)表面換熱系數(shù)為8.7 W/m2·K。

當(dāng)墻體厚度遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度和寬度時(shí)，厚度方向?qū)囟葌鳠嵊绊戄^大，文章中墻體物理模型為考慮沿墻體厚度方向進(jìn)行傳熱的一維模型。各層墻體的材料均勻分布且熱物理性為各向同性；相變材料發(fā)生固- 液相變時(shí)只存在熱傳導(dǎo)；忽略PCM相變體積變化及各層材料接觸面上的接觸熱阻等影響。

復(fù)合PCM與鋼筋混凝土構(gòu)成相變儲(chǔ)能墻體，其傳熱過程隨時(shí)間、外界溫度發(fā)生變化，為非線性瞬態(tài)傳熱過程。文章采用顯熱容法對(duì)墻體結(jié)構(gòu)建立一維傳熱數(shù)學(xué)模型。

2 傳熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了定量描述墻體結(jié)構(gòu)的傳熱性能和對(duì)糧倉內(nèi)溫度的調(diào)控效果，選取墻體內(nèi)表面溫度、熱通量及節(jié)能率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1）墻體內(nèi)表面溫度:外界熱能逐漸傳遞到墻體內(nèi)，改變墻體的溫度。墻體內(nèi)表面溫度越低，說明PCM的儲(chǔ)能效果越好。

2）墻體內(nèi)表面熱通量:又稱為墻體內(nèi)表面熱流量，指單位時(shí)間通過墻體內(nèi)表面的熱能。熱通量越小，PCM儲(chǔ)存的熱量就越多。

3）冷負(fù)荷:采用一周內(nèi)（168 h）通過墻體內(nèi)表面降低熱量的總和。節(jié)能率為通過普通墻體與相變墻體的冷負(fù)荷差值，與普通墻體冷負(fù)荷的比值表示。

Q為冷負(fù)荷，W·h/m2；Φ T（）為墻體內(nèi)表面熱通量，W；QPCM-0編號(hào)為i 的PCM墻體冷負(fù)荷；ΔQi為節(jié)能率，%。

3 相變儲(chǔ)能墻體厚度傳熱模擬分析

取不同的PCM層厚應(yīng)用于糧倉墻體中，模擬墻體7 d 的傳熱效果。PCM-0 為普通墻體；后面數(shù)字代表為PCM 層厚，如PCM-20、PCM-80 分別代表PCM層厚為20 mm、80 mm。其中PCM-30 為試驗(yàn)制備的相變儲(chǔ)能墻體材料。

3.1 墻體內(nèi)表面溫度

圖3 為不同PCM 層厚7 d 墻體內(nèi)表面溫度變化。由圖可知，隨著PCM層厚增加，墻體內(nèi)表面溫度逐漸下降。其中PCM-0 墻體內(nèi)表面最高溫度為27.63 ℃，PCM-80 墻體內(nèi)表面最高溫度為25.41℃，相比溫度下降2.22 ℃。而且，隨著PCM層厚的增加，墻體內(nèi)表面溫度波動(dòng)逐漸趨緩。而PCM-30增加10 mm PCM 后墻體內(nèi)表面溫度下降最大，為0.64 ℃。

圖3 墻體內(nèi)表面溫度

綜上分析，隨著PCM層厚的增加，墻體內(nèi)表面溫度逐漸下降，但達(dá)到一定厚度后，PCM的儲(chǔ)能效果逐漸減小。文章模擬范圍內(nèi)，當(dāng)PCM層厚度為30 mm 時(shí)，PCM的儲(chǔ)能效果最大，需要進(jìn)行PCM層厚度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳的使用效果。

3.2 節(jié)能分析

圖4 為不同PCM層厚下糧倉墻體內(nèi)表面熱通量變化。由圖可知，與普通糧倉墻體相比，相變儲(chǔ)能墻體內(nèi)表面熱通量波動(dòng)小，墻體熱性能更為穩(wěn)定。PCM-0 墻內(nèi)表面熱通量最大達(dá)到32.09 W·m-2，而PCM-20 至PCM-80 的墻體內(nèi)表面熱通量變化隨著PCM 層厚的增加而遞減，最終趨于穩(wěn)定。與PCM-20 相比，PCM-30 的墻體內(nèi)表面熱通量下降幅度最大為3.46 W·m-2。圖5 為根據(jù)計(jì)算獲得的不同PCM層厚下墻體的節(jié)能率。由圖可知，PCM-20墻體的節(jié)能率相比于無PCM 墻體降低最小，為7.06%；PCM-80 墻體與無PCM 墻體相比節(jié)能率降低最大，為19.81%。由此可知，隨著PCM層厚的增加，節(jié)能率也隨之增大。

圖4 熱通量

圖5 節(jié)約率對(duì)比

4 結(jié)論

文章研制出可直接外貼至舊倉墻體外側(cè)的高導(dǎo)熱相變板材，并物理構(gòu)建相變儲(chǔ)能墻體結(jié)構(gòu)，模擬研究其傳熱特性、對(duì)墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，為提升舊倉保溫隔熱性能提供工程基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。文中得出以下主要結(jié)論:

1）研制的復(fù)合相變板材，相變潛熱高達(dá)200 kJ/kg，熱導(dǎo)提升約4 倍，熱穩(wěn)定性高，表面平整，可直接外貼至糧倉墻體外側(cè)。經(jīng)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該相變儲(chǔ)能墻體可降低墻內(nèi)表面溫度和提高節(jié)能率，相變板材的高熱導(dǎo)率可提升相變速率，增加潛熱利用率。

2）PCM層厚增加，墻體內(nèi)表面溫度逐漸降低，溫度傳遞至墻體內(nèi)表面的時(shí)間得到延遲，墻體節(jié)能率不斷增加，但節(jié)能效率卻不同。因此，需要選擇一個(gè)合適的相變層厚。當(dāng)相變層厚為80 mm 時(shí)，墻體內(nèi)表面溫度降低最大，相比于普通糧倉墻體節(jié)能率最大為19.81%；當(dāng)相變層厚為30 mm 時(shí)，相變糧倉墻體的潛熱利用率最大。