相变蓄能墙板基本构造的热工分析

张 源， 魏燕丽， 许锦峰

(1. 江苏省建筑科学研究院有限公司 江苏省绿色建筑与结构安全重点实验室， 江苏 南京 210008； 2. 江苏大学 能源与动力工程学院， 江苏 镇江 212013)

为了满足日益提高的建筑节能要求，通常在建筑墙板内使用保温材料以提高墙板的热阻.然而，建筑墙板主要由热容几乎可以忽略的保温材料与较薄的面层组成，这就造成该种墙体往往具有较高的热阻和很低的热容值，从而造成室内空间有较大幅度的温度波动，降低了建筑的热舒适度.将相变材料(PCM)引入到较为轻质的建筑墙板结构中是一种极具潜力的解决方法[1].建筑用PCM是一类在室温下可以发生相转变的材料.在PCM相变(熔化和凝固)过程中，大量热量被PCM储存和释放，同时其自身温度不变或变化很小，达到能量的蓄存和释放，从而维持周围环境热稳定的效果.目前，已有部分学者，诸如LEE K.O.等[2]、M. AHMAD等[3]、K. EL OMARI等[4]和C. ARKAR等[5]对含PCM墙板进行了相关研究，结果表明PCM可以显著提高墙板的热性能.

然而，目前对含PCM墙板的合理构造还没有较为系统的研究.对于含PCM墙板的实际应用来说，诸如何种PCM墙板热性能较好、PCM墙板的适用热环境条件、PCM墙板的合理构造等问题尚未得到较好的解决.为此，笔者运用焓法计算模型，对多种典型含PCM的墙板热性能状况进行系统性分析，以期为相变蓄能墙板的工程应用提供理论基础和数据参考.

1 数学模型

所用数学模型对实际传热过程作以下假定：① 所计算的各材料层各向同性且均匀；② 忽略PCM在相变过程中的密度和体积的变化；③ 忽略PCM的过冷和自然对流现象；④ 忽略墙体材料接触面的接触热阻.计算中采用一维焓法数学模型求解各墙板非稳态传热过程，即

(1)

式中：ρ为PCM的密度，kg·m-3；λ为PCM的导热系数，W·(m·K)-1；H为PCM的焓，J·kg-1；x为厚度，m；T为τ时刻的温度，K.

PCM的焓按下式计算：

H=[cp,s(1-η)+cp,lη]T+Lη，

(2)

式中：cp,s和cp,l分别为PCM处于固态和液态时的比热容，J·(kg·K)-1；L为相变潜热，J·kg-1；η为PCM的液相率.

计算的初始条件为温度定值.厚度方向的边界按第三类热边界条件计算，其余边界按绝热边界条件计算.该数学模型的计算过程由MATLAB程序实现.数学模型计算结果与相同条件下试验结果之间的误差小于5%[6-8]，可以满足相变传热问题中热工分析的需要.

2 分析与讨论

建筑用墙板的种类和构造各不相同，大体上可以分为3种类型，即基本墙板、轻质墙板和重质墙板.3种墙板基本构造如图1所示，图中左侧为室外侧，右侧为室内侧.

图1 3种墙板基本构造

笔者着眼于热工性能相关指标，对含PCM的3种墙板构造进行分析和研究.根据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》，混凝土和3种墙板材料的热物性参数见表1.

表1 混凝土和墙板材料的热物性参数

2.1 基本墙板

图1a中的基本墙板(如彩钢板等)是建筑墙板的基本结构.墙板中保温材料与PCM的结合方式可分为保温材料与PCM的均匀混合以及不混合这两种情况.

2.1.1保温材料与PCM均匀混合

对于墙板中保温材料与PCM均匀混合的情况,例如，保温砂浆与PCM材料混合的墙板等，主要分析不同墙板厚度(30 mm与50 mm)以及PCM材料体积分数为0～50%时墙板的热性能状况.算例1-12的设置情况及计算结果见表2.根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，室外热环境的日均温度值为30 ℃，昼夜温差为20 ℃，温度波周期为24 h.该温度波代表我国夏热冬冷地区的典型室外空气综合温度.室内温度为定值30 ℃.算例1-12的计算结果比较如图2所示.

表2 算例1-12的设置及计算结果

图2 算例1-12的计算结果比较

由表2及图2可以看到，在各算例的墙板内表面达到稳定波动后，厚度为50 mm的墙板热性能显著高于厚度为30 mm的墙板.这表明墙板热阻决定了1 d中进入墙板的热流，从而在很大程度上影响了墙板内表面的温度波动.无论墙板中含有多少PCM，足量的保温材料，即足够的热阻是墙板中PCM热性能发挥的基本保障.

由表2及图2还可以看到，由于PCM导热系数通常高于保温材料，用PCM代替保温材料会导致墙板热阻有一定程度的降低.因此，即使PCM种类的选取合适，用PCM代替等体积保温材料并不总能提升墙板的热性能.当PCM的体积分数低于25%时，增加保温材料可提升墙板热性能，而增加PCM会适得其反(见算例1-3和7-9).当PCM的体积分数高于25%时，增加保温材料或PCM均能显著提升墙板热性能，且增加PCM对热性能的提升远远好于增加保温材料所带来的效果(见算例4-6和10-12).

2.1.2保温材料与PCM不混合

对于墙板中保温层与PCM层不混合的情况(例如保温板与定形PCM组合的墙板等)，主要分析在相同且足够的墙板厚度(50 mm)下，PCM层分别处于墙板外侧与内侧，以及PCM体积分数为0～50%等情况下对墙板热性能的影响.另外，算例23-28为将保温材料导热系数降低至0.03 W·(m·K)-1时的情况.算例13-28的设置情况及计算结果如表3所示.算例13-22的计算结果比较如图3所示.

表3 算例13-28的设置及计算结果

图3 算例13-22的计算结果比较

由表3和图3可以看到，PCM层处于保温层内侧的墙板热性能显著高于PCM层处于外侧的墙板，这表明，PCM层处于墙板外侧时，墙板中的PCM极易由于室外较大温度波动而被“击穿”[9-10]，从而丧失应有的蓄、放热特性.在墙板内，各材料体积分数相同时，不同墙板热性能由小到大的顺序依次为PCM层处于保温层外侧的墙板、保温材料与PCM均匀混合的墙板以及PCM层处于保温层内侧的墙板.同时，以足量保温层、适宜相变温度的PCM以及将PCM置于保温层内侧为前提，用PCM代替等体积保温材料可以显著地提升墙板的热性能.

由算例23-28的计算结果可以看到，在相同条件下，降低保温材料的导热系数(即增加墙板的热阻)可使墙板热性能得到进一步提升；但此时用PCM代替等体积保温材料并不能使墙板热性能得到更大幅度的提升，这是由于减少保温材料的体积造成的热性能损失更大.

2.2 轻质墙板

图1b中的轻质墙板是建筑墙板常见结构.该墙板是在基本墙板的基础上增加了木板层或PVC层等相对轻质的面板层.主要分析面板层(算例中设置了木板层)处于墙板外侧或内侧，以及PCM体积分数为0～50%等情况对墙板热性能的影响.其中，PCM层处于保温层的内侧，木板层厚度取30 mm、墙板厚度为50 mm.算例29-40的设置情况及见表4.计算结果比较如图4所示.

由表4和图4可以看到：在基本墙板结构的基础上增加了木板层后，由于墙板热阻升高，墙板整体热性能得到显著提升；用PCM代替等体积保温材料，墙板的热性能提升更加显著.与2.1.2节中降低保温材料导热系数的情况相比，二者墙板热阻均增加，但轻质墙板中保温材料的导热系数没有变化，因此用PCM代替保温材料，墙板的热性能损失没有增加，这使得保温材料被PCM取代的可行性更好.

由表4和图4还可看到，将木板层设置在墙板内侧比设置在外侧的热性能更高.这表明该种设置更有利于墙板中PCM性能的发挥，而木板层所起到的作用没有明显变化.

表4 算例29-40的设置及计算结果

图4 算例29-40的计算结果比较

2.3 重质墙板

图1c中的重质墙板也是建筑墙板的常见结构之一.该种墙板是在基本墙板结构基础上增加了混凝土层或水泥层等重质材料，以提高墙板的力学性能.主要分析面板层(算例中设置的混凝土层)处于墙板外侧或内侧，以及PCM体积分数为0～50%等情况对墙板热性能的影响.算例41-52的设置情况及计算结果见表5.计算结果比较如图5所示.

表5 算例41-52的设置及计算结果

图5 算例41-52计算结果比较

由表5和图5可以看到，尽管重质墙板的热容高于轻质墙板，一定程度上提高了热性能，但由于重质墙板的热阻相对减少，又会使其热性能相应地降低.总之，重质墙板热性能相对于轻质墙板有所降低.由此可知，常物性材料热阻变化对热性能造成的影响一般大于热容变化带来的影响.然而，重质墙板的热性能仍然高于基本墙板.另外，将混凝土层设置在墙板内侧的热性能比外侧更高.

3 结 论

1) 足量的保温材料(即足够的热阻)是墙板中PCM性能发挥的基本保障.

2) 当墙板内各材料体积分数相同时，各墙板热性能由小到大依次为PCM处于保温层外侧、保温材料与PCM均匀混合及PCM处于内侧；对于PCM位于保温层内侧的墙板，用PCM代替等体积保温材料可以显著提升墙板的热性能；对于保温材料与PCM均匀混合的墙板，只有当PCM在墙板中的体积分数高于25%时，才能体现出PCM热性能优势.

3) 在实际应用范围内，常物性材料热阻的变化对热性能的影响一般大于热容变化的影响.

4) 尽可能将保温材料和PCM以外的材料层设置在墙板内侧，并以轻质材料为佳.PCM墙板热性能由小到大依次为基本墙板、重质墙板和轻质墙板.