中圖分類號：TU111.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-8755（2025）02-0016-09

Preparation of Paraffin-based Composite Shape-stabilized Phase Change Materials and Cooling Features of Its Phase Change Walls

MA Xueqian，MA Li （School of Civil Engineering and Architecture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang621o10，Sichuan，China）

Abstract：The paraffn/high-density polyethylene/expanded graphite composite shape-stabilized phase change materials with different ratios were prepared through melt blending method. The optimal material ratio was determined through leakage tests and thermophysical property tests.A numerical simulation method was employed to investigate the application performance of phase change wals incorporating this material under summer operating conditions，as well as the cooling characteristics of the phase change thermal energy storage unit. The test results indicate that the optimal composition of the composite shapestabilized phase change material is composite phase change paraffin （ 52# solid paraffin to liquid paraffin ratio of 5：5）and high-density polyethylene with a mass ratio of 8：2，followed by the addition of 3% mass fraction of expanded graphite.The phase change temperature of the phase change material with the optimal proportion is 26.2°C ，the thermal conductivity is O.476 4 W/（m·K），the mass loss rate is 1.86% ， and the latent heat of phase change is 87.36J/g . The simulation results show that adding this composite shape-stabilized phase change material to thebuilding wall can effctively mitigate the fluctuation of the indoor temperature and improve the indoor thermal comfort. The appropriate phase transition temperature of the phase change material under the cooling condition is 26°C . A relatively high thermal conductivity of the phase change material can reduce the temperature of the inner wall surface and increase the heat flux density of the wall. Increasing the latent heat of phase transition of the phase change material can reduce the temperature of the inner wall surface of the wall and the fluctuation of the heat flux density. The research results can provide data support for the preparation and application of the composite shapestabilized phase change material.

Keywords： Composite shape-stabilized phase change material； Leakage measurement； Phase changewall; Cooling features

能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。人們對室內(nèi)熱舒適性要求越來越高，導(dǎo)致建筑能耗快速增長。《中國建筑能耗與碳排放研究報告（2023年）》1]顯示建筑能耗約占全球能源消耗的 40% ， CO₂ 排放量占比高達(dá) 30% 。傳統(tǒng)供暖方式存在著用能高、能耗大等問題。為了達(dá)到建筑節(jié)能減排的目的，將相變儲能技術(shù)應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，利用相變材料（PCM）在相變過程中顯著吸收和釋放潛熱這一特性，根據(jù)環(huán)境溫度的變化，將能量儲存起來，在需要時釋放出來，不僅可以提高室內(nèi)舒適程度，還能維持室溫穩(wěn)定[2]

近年來，相變墻體技術(shù)的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。王松等[3構(gòu)建了一種復(fù)合相變墻體實驗?zāi)Ｐ?，研究了冬季條件下該墻體中毛細(xì)管與相變材料相結(jié)合時的蓄釋能特性。劉朋等4通過模擬分析對比了相變墻體與傳統(tǒng)墻體在溫度衰減倍數(shù)、蓄熱系數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)上的差異，論證了相變材料的加入能夠顯著提升室內(nèi)環(huán)境的熱舒適度。胡自成等5將復(fù)合相變材料封裝在套管中，采用數(shù)值模擬方式建立了相變儲能墻體的傳熱模型，研究表明相變墻體能夠顯著減少室內(nèi)溫度的波動幅度并有效削減建筑的冷熱能量需求。上述研究成果表明，采用相變儲能技術(shù)的墻體，在優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能方面有良好效果，能使建筑整體能耗顯著降低。

目前相變儲能技術(shù)在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中并未得到廣泛應(yīng)用，主要是由于該技術(shù)存在著PCM易泄漏、導(dǎo)熱率低、價格高等問題[。為克服PCM在發(fā)生相變時的泄漏問題，多采用硅藻土、海泡石、低密度聚乙烯等7作為載體材料對PCM進(jìn)行封裝或吸附。Rahmalina等[8]選用了高密度聚乙烯（HDPE）與苯乙烯作為載體材料，與石蠟混合制備了定形相變材料（SPCM），封裝效果穩(wěn)定，儲能效率為 72.3% ，說明SPCM具有穩(wěn)定的相變和較好的儲能效率。膨脹石墨（EG）屬于多孔吸附材料，在傳熱上有良好的效果。

王靜等9選取HDPE作為載體材料，EG為強(qiáng)化傳熱介質(zhì)，制備了EG/HDPE/石蠟的復(fù)合SPCM，結(jié)果表明HDPE和EG對石蠟有良好的包裹作用，隨著EG含量增加PCM的熱導(dǎo)率呈顯著上升趨勢。周麗等[0]采用真空浸漬法將石蠟與EG混合制備出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合相變儲能材料，得出EG含量的增加不僅可以提高導(dǎo)熱系數(shù)且對相變材料有一定的密封性。石蠟因其價格低廉，具有較大的相變潛熱被用于建筑領(lǐng)域，但導(dǎo)熱系數(shù)低且容易泄漏，限制了直接使用的效果。為解決這一問題，石蠟類復(fù)合定形相變材料應(yīng)運(yùn)而生，但如何確定載體材料、導(dǎo)熱材料及其配比，并使其均勻分布，仍是目前需要解決的問題。

目前的研究結(jié)果表明添加載體材料和導(dǎo)熱介質(zhì)可以解決相變材料易泄漏、導(dǎo)熱率低的問題，但是將復(fù)合相變材料作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料時，對內(nèi)嵌水管式相變墻體供冷特性影響因素的研究較少。本文采用熔融共混法制備了不同比例的石蠟/高密度聚乙烯/膨脹石墨復(fù)合定形相變材料，并通過滲漏測試和熱物性測試確定材料的最佳配比，優(yōu)化材料性能；建立了內(nèi)嵌水管式相變墻體和普通墻體的傳熱模型，對比分析夏季工況下加入該材料的相變墻體應(yīng)用效果，研究了該相變材料的物性參數(shù)在夏季供冷過程中對內(nèi)壁面溫度、熱流密度以及液相率的影響。

1復(fù)合定形相變材料制備與熱性能測試

1.1 復(fù)合定形相變材料制備

夏熱冬冷地區(qū)夏季氣溫約為 30% ，如四川省綿陽市6-8月全天氣溫處于 24～32^°C 之間。建筑調(diào)溫適宜的相變溫度為 18～40^°C ，若選擇過低的相變溫度，則會使得相變材料持續(xù)處于液態(tài)，從而阻礙吸放熱的相態(tài)轉(zhuǎn)換，無法體現(xiàn)相變墻體調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的優(yōu)勢。鑒于此，本文擬制備相變溫度約為 26^°C 的復(fù)合相變材料。

本文選用成本較低的 52# 固體石蠟和液體石蠟作為相變主材進(jìn)行混合。為了預(yù)防相變材料可能發(fā)生的泄漏問題，本研究選用與石蠟具有良好兼容性的高密度聚乙烯（HPDE）作為支撐載體材料，通過熔融共混法將其與主體材料混合，進(jìn)而制備出復(fù)合定形相變材料。根據(jù)文獻(xiàn)11的研究結(jié)果，可以得出復(fù)合PCM中HDPE的最佳添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20% ，本文選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù) 20% 的 HDPE作為封裝石蠟的載體材料。為了提升復(fù)合定形相變材料的熱導(dǎo)率，選用膨脹石墨（EG）作為強(qiáng)化傳熱介質(zhì)。材料物性參數(shù)如表1所示。

將恒溫油浴設(shè)定為 180^qC ，將3組相變材料（固體石蠟與液體石蠟的質(zhì)量比為5：5）投入燒杯中，每個復(fù)合石蠟樣品總質(zhì)量均為 20g ，待完全熔化后，在其中添加HPDE材料（HPDE與相變主體的質(zhì)量比為2：8），在混合物中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0% ， 1% ，3% 5% 膨脹石墨，持續(xù)攪拌 30min ，確保所有組分充分混合。隨后將熔融混合液注入預(yù)設(shè)的模具中，壓制成型，在自然環(huán)境下進(jìn)行冷卻降溫，脫模，最終制得不同質(zhì)量配比的復(fù)合定形相變材料，實物照片如圖1所示。復(fù)合定形相變材料的樣品編號及成分如表2所示。

1.2復(fù)合定形相變材料的滲漏測試

為評價復(fù)合材料的形態(tài)穩(wěn)定性，本研究通過滲漏測試監(jiān)測加熱時相變材料處于液相的滲出情況，以反映封裝材料對相變材料的吸附性。本文制備的復(fù)合相變材料中HDPE為石蠟支撐載體材料，EG為強(qiáng)化傳熱介質(zhì)，由于EG具有孔隙結(jié)構(gòu)，對石蠟也有一定的吸附作用。滲漏測試時，將EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)0% 5% 的復(fù)合定形相變材料制成直徑14mm 厚度 10mm 的圓柱放置在濾紙上，置于 50^qC 電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中 ^2h ，取出后稱重并觀察石蠟的泄漏情況，根據(jù)式（1）計算樣品的質(zhì)量損失率[12]：

式中： _：ρ 為樣品的質(zhì)量損失率， %;m₀ 為復(fù)合定形相變材料的初始質(zhì)量， g;m 為試驗后的復(fù)合定形相變材料的質(zhì)量， g 0

圖2展示了不同EG含量的復(fù)合定形相變材料的質(zhì)量損失情況。從圖2可以看出，不含EG時的復(fù)合相變材料的質(zhì)量損失率為 5.67% ，當(dāng)EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于 3% 時，所制備材料的質(zhì)量損失率均維持在 2% 以下，這說明它們可被認(rèn)為是“定形”的?；谏鲜龇治?，在確保液相無泄漏的前提下，可確定制備的復(fù)合相變材料中的EG最低質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)為 3% 。

1.3 導(dǎo)熱性能測試

采用導(dǎo)熱系數(shù)儀分別對EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0% ，1% . 3% 5% 的復(fù)合定形相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測試，每種配比取3個樣本測量平均值，測試結(jié)果如圖3所示。

從圖3可看出，石蠟/HDPE的復(fù)合相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，為 0.1673W/（m?K） 。加人質(zhì)量分?jǐn)?shù) 1% 的EG時，復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)提升至0.2612W/（m?K） ，增幅為 56.1% ；當(dāng)EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至 3% 時，導(dǎo)熱系數(shù)顯著上升至 0.4764W/（m?K） 增幅達(dá)到了 184.6% ；加人 5% 的EG時，導(dǎo)熱系數(shù)為 0.5968W/（m?K） ，提高了 256.7% 。隨著EG含量的增加，復(fù)合定形相變材料導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，這一現(xiàn)象可能歸因于EG內(nèi)部獨(dú)特的網(wǎng)狀孔隙結(jié)構(gòu)，為石蠟/HDPE提供了熱量傳輸通道，使得復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能增強(qiáng)。由于熔融HDPE難以滲透并填充至EG的網(wǎng)狀孔隙結(jié)構(gòu)中，故而在石蠟組分占比高的情況下，EG的網(wǎng)狀孔隙結(jié)構(gòu)能夠被石蠟完全填充，制備出結(jié)構(gòu)更緊湊的復(fù)合定形相變材料。綜合對比不同配合比復(fù)合定形相變材料的滲漏測試與導(dǎo)熱性能測試，發(fā)現(xiàn)EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3% 與 5% 的綜合性能較好，考慮膨脹石墨添加過多時可能會導(dǎo)致復(fù)合定形相變材料顆粒大小不均勻，甚至?xí)?dǎo)致相變層的溫度不能均勻分布，最終選用EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3% 的復(fù)合定形相變材料來制備復(fù)合相變墻板。

1.4 儲能性能測試

為探究定形相變材料的儲能性能，采用DSC-Q20差示掃描量熱儀對復(fù)合定形相變材料的熱物性參數(shù)進(jìn)行測定。粉末狀試樣質(zhì)量 5～10mg ，氮?dú)饬魉?0mL/min ，升溫速率 ，溫度范圍 0～60°C 。以PCM-3為樣本（即EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3% 的復(fù)合定形相變材料），抽取3個樣本進(jìn)行測試，熱流率隨溫度的變化曲線如圖4所示。分析DSC曲線可得出材料的相變溫度為 26.2°C 、相變潛熱為 87.36J/g 。

從圖4可以看出，DSC曲線中溫度較低的相變峰為石蠟的放熱峰，溫度較高的相變峰為石蠟熔化過程的吸熱峰，與純石蠟相比，該復(fù)合定形相變材料的相變潛熱有所降低。文獻(xiàn)[9]表明，石蠟和HDPE混合時會產(chǎn)生交聯(lián)，HDPE的加入會使石蠟的相變溫度略有上升，而由于加人了膨脹石墨，會導(dǎo)致復(fù)合相變材料的相變溫度略有下降。在升溫過程中，膨脹石墨會吸收熱量但不發(fā)生相變，這導(dǎo)致了熱量減少，且膨脹石墨的加入增大了無效相變儲熱材料的占比，從而使得相變潛熱降低。

2 相變墻體蓄、釋能特性的數(shù)值模擬

利用ANSYS軟件可對相變材料的傳熱過程及任意時刻的溫度分布進(jìn)行描述[13]。本文采用ANSYS有限元分析軟件，以相變墻體的 24h 蓄、釋能特性為分析目標(biāo)，對相變材料在墻體中的傳熱過程進(jìn)行模擬，通過與普通墻體對比，研究所制備的復(fù)合定形相變材料在建筑墻體中的應(yīng)用效果及相變墻體的供冷特性。

2.1 物理模型

建立大小相同的相變蓄能墻板與普通墻板兩種模型，分別進(jìn)行 24h 的蓄、釋能特性模擬分析。相變蓄能墻板結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示，從外到內(nèi)依次為20mm 水泥砂漿層 、40mmXPS 擠塑保溫板 ?20mm 混凝土層 ，25mm 復(fù)合相變材料層、 .15mm 水泥砂漿層，其中相變材料層中鋪設(shè) 8mm 換熱水管，采用上供下回式鋪設(shè)方式。普通墻板結(jié)構(gòu)如圖5（b）所示，其他層與相變蓄能墻板相同，復(fù)合相變材料層改為25mm 水泥砂漿層（內(nèi)部鋪設(shè) 8mm 換熱水管）。墻板各層材料的熱物性參數(shù)如表3所示。

2.2傳熱模型的建立及假設(shè)

相變蓄能墻板的蓄能和釋能過程本質(zhì)上是一個復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱問題，由于沿管內(nèi)壁軸線方向水溫變化緩慢，故該方向的傳熱可忽略，模擬時，將其視為剖面層的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱進(jìn)行研究。本文選取相鄰兩管軸線間的區(qū)域作為傳熱單元，以相變墻板為例，傳熱單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。為了便于求解分析，對該模型做出如下假設(shè)[14]：

（1）相變材料與墻體材料分布均勻，且各向同性；

（2）采用Boussinesq假設(shè)，認(rèn)為相變材料的密度僅隨溫度變化，其余物性參數(shù)均為常數(shù)；

（3）墻體的各層材料緊密接觸，管壁與填充層間接觸良好，故不考慮接觸熱阻；

（4）忽略相變材料液態(tài)時的自然對流傳熱以及相變時的體積變化；

（5）室內(nèi)溫度均勻一致，并考慮室內(nèi)外墻體表面的對流與輻射換熱[15] 。

2.3 控制方程

通過焓法模型建立相變墻體的二維傳熱模型及控制方程：

式中 ：ρ_i 為各層材料密度， kg/m³;h_i 為各層材料的比焓， |kJ/kg;λ_i 為各層墻體材料的導(dǎo)熱系數(shù)， W/（m?K） τ 為時間，s; T_i 為各層材料的溫度， C 。相變材料的焓值可參照文獻(xiàn)[16]的方法進(jìn)行計算。

2.4 定解條件

2.4.1 初始條件

T（x，τ）∣_τ=0=T₀

式中 T₀ 為相變墻板初始時刻（ τ=0 的溫度， C 。

2.4.2 邊界條件

（1）墻板上下兩側(cè)邊界絕熱

由于換熱水管以雙回型方式布置，故每個傳熱單元的作用范圍相同，可將兩管間的幾何中心視作絕熱面，除水管外，上下邊界均為絕熱邊界，即：

式中： λ_i 為墻體各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)， W/（m?K） ： λ_p 為相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)， W/（m?K） ： T_i 為墻體各層的溫度，K。

（2）水管壁面邊界

蓄能時：

釋能時：

式中： λ_s 為水管的導(dǎo)熱系數(shù)， W/（m?K）;h 為水管內(nèi)壁的對流換熱系數(shù)， W/（m²?K）;T_s，T_f 分別為水管管壁溫度與流體溫度， K;d_s 為水管內(nèi)徑， m 。

（3）墻體內(nèi)外表面綜合換熱邊界

墻體的內(nèi)外側(cè)表面均通過輻射和對流兩種換熱方式進(jìn)行熱交換。

式中： q_r 為墻體表面的輻射換熱量， W/m²;q_c 為墻

體表面的對流換熱量， W/m² 。墻體表面的輻射換熱量、對流換熱量可參照文獻(xiàn)[14]的方法進(jìn)行計算。

2.5 模擬結(jié)果及分析

2.5.1 相變墻板與普通墻板的蓄、釋能特性

按照表3將材料參數(shù)填入相變墻板與普通墻板各層中進(jìn)行模擬計算，相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下：夏季室內(nèi)設(shè)計溫度為 26.0°C ，墻板初始溫度與室內(nèi)設(shè)計溫度相等，平均供水溫度取 13^°C 。得到兩墻板的內(nèi)壁面的溫度、熱流密度變化情況后，通過對比兩墻板的蓄、釋能特性，可以得出復(fù)合相變材料加人建筑墻體內(nèi)時具有一定調(diào)溫特性。墻板內(nèi)壁面的溫度、熱流密度變化曲線（為簡化圖形，將墻體內(nèi)壁面溫度與熱流密度擬合為一條曲線。下同）及液相率變化曲線如圖7、圖8所示。圖7、圖8中墻體的內(nèi)壁面溫度和液相率的坐標(biāo)軸標(biāo)值由下至上數(shù)值從大到?。ㄈ耐?，當(dāng)液相率達(dá)到0時說明相變材料處于完全凝固狀態(tài)，液相率達(dá)到1時則表明相變材料處于完全熔化狀態(tài)。

由圖7可知，在 8h 蓄能結(jié)束時，相變墻板的內(nèi)壁面溫度為 18.19^°C ，普通墻板為 18.96^°C ，相變墻板的內(nèi)壁面熱流密度為 88.60W?m^-2 ，普通墻板為78.45W?m^-2 。可以看出，普通墻板的內(nèi)壁面溫度、熱流密度從 ^4h 開始基本維持不變，而相變墻板的最高溫度和最大熱流密度則在蓄能結(jié)束時出現(xiàn)。從圖8可以看出，在蓄能 6h 時液相率為0，說明相變墻板內(nèi)的相變材料呈凝固狀態(tài)。在釋能階段，由于相變材料吸收熱量并發(fā)生相變，則相變墻板的內(nèi)壁面溫度上升幅度小于普通墻板，相變墻板的溫度變化曲線較為緩慢；由于相變材料吸收熱量，熱流從室內(nèi)傳遞到墻板的速度減慢，因此熱流密度的總體變化較為平緩。這是由于普通墻板沒有相變材料的調(diào)節(jié)作用，其傳熱主要依靠熱傳導(dǎo)，對室內(nèi)外溫差的影響更為迅速，導(dǎo)致溫度和熱流密度的波動較大。

綜上，在建筑墻體中加入EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3% 的復(fù)合定形相變材料時，能夠有效減緩室內(nèi)溫度的波動，使墻體對室外溫度變化的響應(yīng)變得遲緩，增強(qiáng)建筑的保溫隔熱性能，創(chuàng)造更加穩(wěn)定和舒適的室內(nèi)環(huán)境。

2.5.2 相變溫度對墻體蓄、釋能的影響

相變溫度是相變過程中一個非常重要的物理參量，它會直接影響相變過程中的儲熱性能。對夏季工況下PCM的相變溫度分別為 ^{24，26，28‰} 時的相變墻體傳熱特性進(jìn)行了模擬計算。模擬研究中相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下：夏季工況下室內(nèi)初始溫度為26.0C ，平均供水溫度取 13^°C 。不同相變溫度下墻體內(nèi)壁面溫度、熱流密度和PCM液相率的變化曲線如圖9、圖10所示。

從圖9可以看出，在 蓄能結(jié)束時，相變溫度為 ^{24，26，28‰} 時分別對應(yīng)的墻體內(nèi)壁面溫度為20.26，20.42，20.63 C ，對應(yīng)的墻體內(nèi)壁面熱流密度為 66.74，64.31，62.28W?m^-2 。隨著相變溫度降低，墻體內(nèi)壁面溫度會逐漸減小，而墻體內(nèi)壁面的熱流密度會逐漸增大。在釋能階段，由于停止供水，墻體內(nèi)部壁面溫度會經(jīng)歷一個顯著的驟降過程，隨后PCM開始逐步將其先前蓄存的冷能釋放至室內(nèi)，溫度變化的曲線逐漸趨于平穩(wěn)下降。在釋能結(jié)束時，墻體內(nèi)壁面溫度分別為 25.44，25.14，25.56‰

從圖10可以看出，隨著相變溫度下降，蓄冷過程的速度呈現(xiàn)減緩趨勢，而釋冷過程的效率則有所提升。這一現(xiàn)象的根源在于相變溫度降低導(dǎo)致了墻體內(nèi)壁面溫度下降，進(jìn)而使得墻體與室內(nèi)環(huán)境之間熱交換速率增強(qiáng)。另外，相變溫度為 24^°C 時，在釋能階段后期，由于液相率為1，相變材料呈完全液態(tài)，導(dǎo)致墻體內(nèi)表面溫度的下降速度顯著增加。綜合考慮，選用相變溫度為 26°C 的相變材料能更有效地滿足相變墻體在供冷方面的性能需求。

2.5.3導(dǎo)熱系數(shù)對墻體蓄、釋能的影響

一般情況下，相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，而導(dǎo)熱系數(shù)越大相變墻體的內(nèi)壁面溫度梯度越小，熱流密度越大，提高導(dǎo)熱系數(shù)可使冷、熱在PCM中傳遞更快，并提高PCM的熔化和凝固速率，從而導(dǎo)致內(nèi)壁面溫度的變化較為明顯。在相變材料中加入適量EG可有效改善其熱導(dǎo)率，且EG對其相變溫度及相變潛熱影響不大，因此在模擬中默認(rèn)這兩個參數(shù)保持不變。模擬研究中相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下：夏季工況下室內(nèi)初始溫度為 26.0^qC ，相變溫度為 26^°C ，平均供水溫度取 13°C 。導(dǎo)熱系數(shù)為0.2，0.4，0.6W?（m?K）^-1 時墻體內(nèi)壁面溫度、熱流密度和PCM液相率的變化曲線如圖11、圖12所示。

從圖11可知，在 8h 蓄能結(jié)束時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.2，0.4，0.6W?（m?K）^-1 時分別對應(yīng)的墻體內(nèi)壁面溫度為 20.42，19.08，17.87‰ ，對應(yīng)的墻體內(nèi)壁面熱流密度為 64.31，77.34，92.08W?m^-2 ?？梢钥闯?，隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增大，在蓄冷階段墻體內(nèi)壁面溫度有明顯降低，在釋能階段內(nèi)壁面溫度有一定程度降低但相差不大，而內(nèi)壁面的熱流有所提高。這是由于導(dǎo)熱系數(shù)的增加使得冷量（低溫）能夠更快地向內(nèi)壁面?zhèn)鬟f。由圖12可知，導(dǎo)熱系數(shù)增大對蓄冷速率有較大影響，導(dǎo)熱系數(shù)為 時，在蓄能 6h 時液相率基本達(dá)到0，說明相變材料幾乎呈凝固狀態(tài)，但對于釋能階段的影響較小。這是因為導(dǎo)熱系數(shù)的增加使得相變材料之間的換熱量增加，且相變層的厚度是一定的，相變材料凝固狀態(tài)的比例增加，導(dǎo)熱系數(shù)的影響也會隨之減小。

2.5.4相變潛熱對墻體蓄、釋能的影響

在相同相變溫度、導(dǎo)熱系數(shù)等條件下，不同相變潛熱也會影響相變材料的蓄放熱能力。模擬研究中相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下：夏季工況下室內(nèi)初始溫度為26.0^°C ，其他參數(shù)保持不變。相變潛熱為90，120，150kJ?kg^-1 時的墻體內(nèi)壁面溫度、熱流密度和PCM液相率的變化曲線如圖13、圖14所示。

從圖13、圖14可知，在 蓄能結(jié)束時，相變潛熱為 90，120，150kJ?kg^-1 時分別對應(yīng)的墻體內(nèi)壁面溫度為 18.83，19.08，19.50‰ ，對應(yīng)的墻體內(nèi)壁面熱流密度為 79.65，77.34，71.33W?m^-2 。釋能結(jié)束時，墻體內(nèi)壁面溫度為 25.41，25.11，24.90‰ ，熱流密度為 7.30，9.85，12.87W?m^-2 ?？梢?，相變潛熱增大，使墻體內(nèi)壁面溫度在釋能階段降低，熱流密度在整個蓄釋能階段的波動減小，室內(nèi)的舒適性和熱穩(wěn)定性得到了提高。相變潛熱的增加，使蓄釋能速率變慢，這是由于相變潛熱的增加會使PCM在相變過程中吸收或釋放更多的熱量，從而使墻體內(nèi)壁面溫度的變化更加平緩。在凝固過程中，相變潛熱的釋放可以使內(nèi)壁面溫度的下降速度減慢；在熔化過程中，相變潛熱的吸收可以使內(nèi)壁面溫度的上升速度減慢，避免急劇的溫度升高，減緩了溫度波動。相變潛熱越大，相變材料在相變過程中所需的能量就越多，則會導(dǎo)致熱流密度降低。因此，較大的相變潛熱可能會導(dǎo)致相變材料在相變過程中需要更長的時間來完成相變，從而影響液相率變化。

3結(jié)論

本文配置了不同比例復(fù)合定形相變材料，通過實驗分析確定材料的最佳配比為復(fù)合相變石蠟（固體石蠟與液體石蠟的質(zhì)量比為5：5）與高密度聚乙烯的質(zhì)量比為8：2，再摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù) 3% 的膨脹石墨，制備的復(fù)合定形相變材料的相變溫度為26.2C ，導(dǎo)熱系數(shù)為 0.4764W/（m?K） ，質(zhì)量損失率為1.86% ，相變潛熱為 87.36J/g 。

在相變墻體中，相變材料會吸收和釋放大量熱量并伴隨固液態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，有效減緩墻體表面及室內(nèi)環(huán)境溫度的上升速率。采用ANSYS有限元分析軟件，以相變墻體的 24h 蓄、釋能特性為分析目標(biāo)，對相變材料在墻體中的傳熱過程進(jìn)行模擬，分析了相變溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、相變潛熱對相變墻體供冷特性的影響：（1）在建筑墻體中加入EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 的石蠟基復(fù)合定形相變材料時，具有一定調(diào)溫特性，能夠有效減緩室內(nèi)溫度的波動，提高室內(nèi)熱舒適性。（2）當(dāng)相變溫度降低時，墻體內(nèi)壁面溫度有所下降，熱流密度增大，相變溫度為 26^°C 的相變材料更能滿足相變墻體的供冷需求；（3）提高相變材料導(dǎo)熱系數(shù)，可以降低墻體內(nèi)壁面溫度、提高墻體的熱流密度，并使相變材料的蓄能速率明顯提高，但對釋能速率的影響不明顯；（4）增大相變材料的相變潛熱，可以降低墻體內(nèi)壁面溫度和熱流密度波動，提高熱舒適度。

參考文獻(xiàn)

[1］中國建筑能耗與碳排放研究報告（2023年）［J]．建筑，2024（2）：46-59.

［2］巫洋茜，謝東，王漢青．相變蓄能墻體在主/被動建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀［J]．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2021，40（6）： 89-94，100.

[3］王松，葛鳳華，蔡鴻志.毛細(xì)管與相變材料復(fù)合墻體性能實驗研究[J].暖通空調(diào)，2022，52（9）：161-166

[4］劉朋，繆正坤，黃建恩，等．相變材料改善夏季墻體傳熱特性數(shù)值模擬研究［J]．價值工程，2019，38（6）：141 -143.

[5］胡自成，楊晨，郭興龍，等．低質(zhì)水套管式相變墻體的熱性能模擬［J]．江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，44（2）：242-248.

[6]牛紅培．相變儲能材料在節(jié)能建筑設(shè)計中的應(yīng)用[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2024，13（3）：847-849.

［7］肖力光，李赫．相變儲能材料在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用及研究進(jìn)展［J]．化工新型材料，2024，52（4）：228 -232.

[8]RAHMALINA D，RAHMAN R A，ISMAIL. Improvingthe phase transition characteristic and latent heat storageefficiency by forming polymer-based shape-stabilized PCMfor active latent storage system[J]. Case Studies in Ther-malEngineering，2022，31：101840.

[9]王靜，張麗，羅李娟，等．膨脹石墨/高密度聚乙烯/石蠟導(dǎo)熱增強(qiáng)型定形相變復(fù)合材料的制備及性能研究[J]．熱處理技術(shù)與裝備，2016，37（5）：1-4.

[10］周麗，劉楊．膨脹石墨基相變儲能材料的制備及性能研究［J].功能材料，2024，55（3）：3206-3212.

[11］謝逸飛.石蠟復(fù)合相變蓄熱材料的制備及改性[D].北京：北京化工大學(xué)，2021.

[12］楊琨，馬立．石蠟/膨脹石墨復(fù)合定形相變材料的制備及季節(jié)適應(yīng)性研究［J]．西南科技大學(xué)學(xué)報，2024，39（1） ： 51 -59.

[13］張欣.日光溫室相變材料墻板蓄/放熱過程數(shù)值模擬研究［D]．陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2016.

[14］楊永梅，葛鳳華，王松．低質(zhì)水相變墻體的性能模擬[J].暖通空調(diào)，2021，51（5）：145-152.

[15］金玉龍，盛峰，盛璐騰，等.水平殼管式相變蓄能單元傳熱機(jī)理研究[J].暖通空調(diào)，2021，51（11）：99-104.

[16］郭茶秀，蔡宏偉．低溫輻射供暖復(fù)合相變墻體熱性能分析[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2016，5（4）：539-544