01-116相變墻板非線性蓄傳熱分析全文[1].doc

相變墻板非線性蓄傳熱分析清華大學(xué) 林坤平，張寅平，江 億 摘 要：相變墻板非線性蓄熱和傳熱分析是相變建筑熱過(guò)程的研究基礎(chǔ)。為了弄清相變墻的熱特性和影響因素，本文提出了評(píng)價(jià)相變墻節(jié)能特性的參數(shù)，包括相變時(shí)間和表面熱流修正因子。用這兩個(gè)參數(shù)及內(nèi)表面熱流，用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)近似分析法評(píng)價(jià)了相變板壁（包括相變外墻和相變內(nèi)墻）的應(yīng)用特點(diǎn)和效果。關(guān)鍵詞：相變墻，非線性傳熱，蓄能，節(jié)能 蓄熱是緩解熱量供求雙方在時(shí)間、空間和強(qiáng)度上不匹配的有效方式，是合理利用熱能、減小環(huán)境污染的有效途徑，是熱能系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的重要手段。研究相變建筑構(gòu)件的蓄熱傳熱特性和使用效果對(duì)建筑節(jié)能和自然能源的有效利用有重要意義。日本的Hirayama模擬分析了空調(diào)和采暖系統(tǒng)相同運(yùn)行模式下輕質(zhì)和重質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑的熱特性。發(fā)現(xiàn)重質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)可降低室內(nèi)溫度波動(dòng)以提高建筑物的熱舒適度，減小采暖空調(diào)能耗，可利用夜間廉價(jià)電降低空調(diào)采暖運(yùn)行費(fèi)用1。在墻體中添加合適的相變材料，可使建筑由輕質(zhì)變?yōu)橹刭|(zhì)，并由此改善房間的熱性能。Neeper對(duì)相變墻的傳熱特性進(jìn)行了簡(jiǎn)化分析，包括外墻和內(nèi)墻，為選擇合適的相變溫度和估計(jì)相變材料的使用效果提供了一定的參考作用2。但他的分析過(guò)程中引入了很多簡(jiǎn)化，如假設(shè)相變墻體沒(méi)有熱阻，潛熱無(wú)限大，因此得到的結(jié)論不具有普遍意義。國(guó)內(nèi)多位學(xué)者也對(duì)相變墻的應(yīng)用效果和形式進(jìn)行了研究和討論，認(rèn)為相變墻板能夠起到移峰填谷、減少建筑能耗、降低空調(diào)負(fù)荷、提高經(jīng)濟(jì)效益等作用3-6，但對(duì)相變墻的節(jié)能原理仍需深入研究和探討。1. 相變材料墻板的評(píng)價(jià)參數(shù)由于熱阻和熱容作用，溫度波通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的衰減和延遲。衰減系數(shù) f和延遲時(shí)間可用來(lái)描述常物性材料墻體的熱特性，Asan和Koray研究了不同材料墻板的f和并討論了其影響因素7, 8。但相變墻傳熱方程是非線性方程，需要增加新的評(píng)價(jià)參數(shù)。墻體內(nèi)表面向室內(nèi)傳熱的熱流密度直接影響了室內(nèi)熱狀況?？杉僭O(shè)室外綜合溫度Tout=Tout+qr,out/hw,out，一般民用建筑可忽略室內(nèi)輻射，只受室溫的影響。相變外墻節(jié)能的主要原因是隔斷室內(nèi)外環(huán)境，減小室外環(huán)境的影響。如不考慮熱容影響，外墻的穩(wěn)態(tài)傳熱系數(shù)見(jiàn)式(1)，其內(nèi)表面穩(wěn)態(tài)傳熱熱流密度見(jiàn)式(2)。假設(shè)其內(nèi)表面非穩(wěn)態(tài)傳熱熱流密度為，逐時(shí)等效傳熱系數(shù)為，定義相變過(guò)程中外墻的表面熱流修正因子為與(或與)的比值，見(jiàn)式(3)。若，說(shuō)明相變材料能使外墻的等效傳熱系數(shù)降低，隔熱效果增強(qiáng)，有利于建筑節(jié)能。外墻向室內(nèi)總傳熱量為相變過(guò)程中傳熱量與相變結(jié)束后傳熱量之和，見(jiàn)式(4)。相變內(nèi)墻節(jié)能的主要原因是室內(nèi)溫度高于舒適溫度時(shí)吸熱，低于舒適溫度時(shí)放熱，使室溫保持在所需舒適范圍內(nèi)，即夏季室溫較高時(shí)墻體吸熱，冬季室溫較低時(shí)放熱，且越大說(shuō)明相變材料蓄能調(diào)溫作用越強(qiáng)，有利于建筑節(jié)能。(1)(2)(3)(4)2. 相變墻的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分析方法描述常物性墻體傳熱過(guò)程的方程為線性方程，其熱特性的計(jì)算方法很多，包括諧波反應(yīng)法、反應(yīng)系數(shù)法等9。相變材料的傳熱方程為非線性方程，計(jì)算結(jié)果不能疊加，無(wú)法用上述方法求解。一般的相變傳熱過(guò)程無(wú)法得到解析解，只能通過(guò)數(shù)值方法計(jì)算10。然而，分析解比數(shù)值解更清楚的顯示了各因素的影響特點(diǎn)，因此本章考慮用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方法得到近似分析解，即當(dāng)傳熱過(guò)程中顯熱變化與潛熱相比很小時(shí)，忽略相變過(guò)程中的顯熱影響。圖1 相變外墻準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱分析模型相變外墻受室內(nèi)外環(huán)境共同影響。圖1是外墻熔化時(shí)其表面熱狀況和溫度分布，分別為固態(tài)相變墻受到高于相變溫度的室外綜合溫度和室溫的作用，與為受到高于的外溫和低于的室溫的作用。由準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分析法可導(dǎo)出以下公式：(5)相變過(guò)程中（時(shí)），表面熱流修正因子為：(6)相變內(nèi)墻只受室內(nèi)環(huán)境的影響，相變過(guò)程中，墻體傳熱滿足以下方程： (7)3. 相變外墻的分析連接室內(nèi)外環(huán)境的建筑構(gòu)件，如外墻、屋頂?shù)龋鼈兊膫鳠岷凸?jié)能原理相似，因此只分析外墻傳熱。相變內(nèi)墻的傳熱可假設(shè)墻體的一面絕熱，假設(shè)=30oC，=23oC，hw,in=8.7W/(m2oC)，hw,out =18.6W/(m2oC)，L=0.1m，Tm=23oC，k=0.5W/(moC)，=100MJ/m3。分別在一定范圍內(nèi)改變，計(jì)算相變材料熱物性對(duì)的影響，見(jiàn)圖2。因此，相變作用使外墻的內(nèi)表面熱流減小，甚至熱流方向與室內(nèi)外溫差方向相反，增大了對(duì)室外環(huán)境的衰減和延遲作用。當(dāng)一個(gè)周期內(nèi)相變材料能夠完全熔化和凝固時(shí)，外墻相變潛熱越大或?qū)嵯禂?shù)越小越節(jié)能，但其節(jié)能量遠(yuǎn)小于其蓄熱容量，即外墻使用相變蓄熱材料的節(jié)能收益較小；一個(gè)相變周期內(nèi)Tm應(yīng)接近室溫，且在外溫波動(dòng)范圍內(nèi)，若外溫始終高于或低于室溫，相變外墻不起作用。圖2 相變材料熱物性對(duì)外墻的影響特點(diǎn)4. 相變內(nèi)墻的分析與外界環(huán)境沒(méi)有接觸的建筑構(gòu)件，如內(nèi)墻、樓板等，它們的傳熱和節(jié)能原理相似，因此下面只分析內(nèi)墻傳熱。假設(shè)=28oC，=5W/m2，=8.7W/(m2oC)，=18.6 W/(m2oC)，=0.1m，=20oC，=0.5W/(moC)，=100MJ/m3。分別在一定范圍內(nèi)改變，計(jì)算相變材料熱物性對(duì)表面熱流密度的影響，見(jiàn)圖3。因此，相變作用使內(nèi)墻的表面熱流方向與室內(nèi)溫度變化方向相反，即室溫升高時(shí)內(nèi)墻吸熱、室溫降低時(shí)內(nèi)墻放熱。當(dāng)一個(gè)周期內(nèi)相變材料能夠完全熔化和凝固時(shí)，其節(jié)能量（即轉(zhuǎn)移熱量）等于其蓄熱容量；內(nèi)墻相變潛熱越大越節(jié)能，與不能改變內(nèi)墻總得熱量和總失熱量，但改變了熱流的時(shí)間分配，因此應(yīng)根據(jù)房間的實(shí)際需求進(jìn)行選擇。圖3 相變材料熱物性對(duì)內(nèi)墻表面熱流密度的影響特點(diǎn)5. 結(jié) 論本文分析了相變墻板的非線性傳熱蓄熱特性，提出相變穿透時(shí)間和表面熱流修正因子的概念。用這兩個(gè)參數(shù)與表面熱流評(píng)價(jià)了不同相變建筑構(gòu)件的應(yīng)用效果。認(rèn)為相變外墻的時(shí)可節(jié)能；內(nèi)墻在室溫較高時(shí)吸熱，在室溫較低時(shí)放熱時(shí)可節(jié)能；如果相變過(guò)程中外墻和內(nèi)墻可節(jié)能，則越長(zhǎng)，非線性影響越大，節(jié)能效果越顯著。參考文獻(xiàn)1 Hirayama Y, Jolly S, Batty W J. Investigate of thermal energy storage within building thermal mass in northern Japan through dynamic building and building services simulation. Proc of 7th International Conf on thermal Energy Storage, 1997, Sapporo, Japan, 355-360 2 Neeper D A. Thermal dynamics of wallboard with latent heat storage. Solar Energy, 2000, 68(5): 393-4033 馮國(guó)會(huì), 曹廣宇, 于瑾. 夏季晝夜溫差較大地區(qū)相變墻蓄冷可行性分析. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 21(4): 350-3534 樂(lè)海林, 陳超, 劉宇寧. 冬季相變墻房間節(jié)能特性研究. 建筑科技, 2005(4): 38-395 方貴銀，李輝. 具有蓄能功能的建筑墻體材料研究. 能源研究與利用,2004, (1): 45-476 李崢嶸. 相變墻體在空調(diào)降溫中的應(yīng)用. 暖通空調(diào), 2001, 31(2): 41-447 Asan H, Sancaktar Y S. Effects of walls thermophysical properties on time lag and decrement factor. Energy and Buildings, 1998, 28: 159-1668 Koray U. Experimental and theoretical investigation of effects of walls thermophysical