01-116相变墙板非线性蓄传热分析全文[1].doc

相变墙板非线性蓄传热分析清华大学 林坤平，张寅平，江 亿 摘 要：相变墙板非线性蓄热和传热分析是相变建筑热过程的研究基础。为了弄清相变墙的热特性和影响因素，本文提出了评价相变墙节能特性的参数，包括相变时间和表面热流修正因子。用这两个参数及内表面热流，用准稳态近似分析法评价了相变板壁（包括相变外墙和相变内墙）的应用特点和效果。关键词：相变墙，非线性传热，蓄能，节能 蓄热是缓解热量供求双方在时间、空间和强度上不匹配的有效方式，是合理利用热能、减小环境污染的有效途径，是热能系统优化运行的重要手段。研究相变建筑构件的蓄热传热特性和使用效果对建筑节能和自然能源的有效利用有重要意义。日本的Hirayama模拟分析了空调和采暖系统相同运行模式下轻质和重质结构建筑的热特性。发现重质围护结构可降低室内温度波动以提高建筑物的热舒适度，减小采暖空调能耗，可利用夜间廉价电降低空调采暖运行费用1。在墙体中添加合适的相变材料，可使建筑由轻质变为重质，并由此改善房间的热性能。Neeper对相变墙的传热特性进行了简化分析，包括外墙和内墙，为选择合适的相变温度和估计相变材料的使用效果提供了一定的参考作用2。但他的分析过程中引入了很多简化，如假设相变墙体没有热阻，潜热无限大，因此得到的结论不具有普遍意义。国内多位学者也对相变墙的应用效果和形式进行了研究和讨论，认为相变墙板能够起到移峰填谷、减少建筑能耗、降低空调负荷、提高经济效益等作用3-6，但对相变墙的节能原理仍需深入研究和探讨。1. 相变材料墙板的评价参数由于热阻和热容作用，温度波通过建筑围护结构会产生一定的衰减和延迟。衰减系数 f和延迟时间可用来描述常物性材料墙体的热特性，Asan和Koray研究了不同材料墙板的f和并讨论了其影响因素7, 8。但相变墙传热方程是非线性方程，需要增加新的评价参数。墙体内表面向室内传热的热流密度直接影响了室内热状况。可假设室外综合温度Tout=Tout+qr,out/hw,out，一般民用建筑可忽略室内辐射，只受室温的影响。相变外墙节能的主要原因是隔断室内外环境，减小室外环境的影响。如不考虑热容影响，外墙的稳态传热系数见式(1)，其内表面稳态传热热流密度见式(2)。假设其内表面非稳态传热热流密度为，逐时等效传热系数为，定义相变过程中外墙的表面热流修正因子为与(或与)的比值，见式(3)。若，说明相变材料能使外墙的等效传热系数降低，隔热效果增强，有利于建筑节能。外墙向室内总传热量为相变过程中传热量与相变结束后传热量之和，见式(4)。相变内墙节能的主要原因是室内温度高于舒适温度时吸热，低于舒适温度时放热，使室温保持在所需舒适范围内，即夏季室温较高时墙体吸热，冬季室温较低时放热，且越大说明相变材料蓄能调温作用越强，有利于建筑节能。(1)(2)(3)(4)2. 相变墙的准稳态分析方法描述常物性墙体传热过程的方程为线性方程，其热特性的计算方法很多，包括谐波反应法、反应系数法等9。相变材料的传热方程为非线性方程，计算结果不能叠加，无法用上述方法求解。一般的相变传热过程无法得到解析解，只能通过数值方法计算10。然而，分析解比数值解更清楚的显示了各因素的影响特点，因此本章考虑用准稳态方法得到近似分析解，即当传热过程中显热变化与潜热相比很小时，忽略相变过程中的显热影响。图1 相变外墙准稳态传热分析模型相变外墙受室内外环境共同影响。图1是外墙熔化时其表面热状况和温度分布，分别为固态相变墙受到高于相变温度的室外综合温度和室温的作用，与为受到高于的外温和低于的室温的作用。由准稳态分析法可导出以下公式：(5)相变过程中（时），表面热流修正因子为：(6)相变内墙只受室内环境的影响，相变过程中，墙体传热满足以下方程： (7)3. 相变外墙的分析连接室内外环境的建筑构件，如外墙、屋顶等，它们的传热和节能原理相似，因此只分析外墙传热。相变内墙的传热可假设墙体的一面绝热，假设=30oC，=23oC，hw,in=8.7W/(m2oC)，hw,out =18.6W/(m2oC)，L=0.1m，Tm=23oC，k=0.5W/(moC)，=100MJ/m3。分别在一定范围内改变，计算相变材料热物性对的影响，见图2。因此，相变作用使外墙的内表面热流减小，甚至热流方向与室内外温差方向相反，增大了对室外环境的衰减和延迟作用。当一个周期内相变材料能够完全熔化和凝固时，外墙相变潜热越大或导热系数越小越节能，但其节能量远小于其蓄热容量，即外墙使用相变蓄热材料的节能收益较小；一个相变周期内Tm应接近室温，且在外温波动范围内，若外温始终高于或低于室温，相变外墙不起作用。图2 相变材料热物性对外墙的影响特点4. 相变内墙的分析与外界环境没有接触的建筑构件，如内墙、楼板等，它们的传热和节能原理相似，因此下面只分析内墙传热。假设=28oC，=5W/m2，=8.7W/(m2oC)，=18.6 W/(m2oC)，=0.1m，=20oC，=0.5W/(moC)，=100MJ/m3。分别在一定范围内改变，计算相变材料热物性对表面热流密度的影响，见图3。因此，相变作用使内墙的表面热流方向与室内温度变化方向相反，即室温升高时内墙吸热、室温降低时内墙放热。当一个周期内相变材料能够完全熔化和凝固时，其节能量（即转移热量）等于其蓄热容量；内墙相变潜热越大越节能，与不能改变内墙总得热量和总失热量，但改变了热流的时间分配，因此应根据房间的实际需求进行选择。图3 相变材料热物性对内墙表面热流密度的影响特点5. 结 论本文分析了相变墙板的非线性传热蓄热特性，提出相变穿透时间和表面热流修正因子的概念。用这两个参数与表面热流评价了不同相变建筑构件的应用效果。认为相变外墙的时可节能；内墙在室温较高时吸热，在室温较低时放热时可节能；如果相变过程中外墙和内墙可节能，则越长，非线性影响越大，节能效果越显著。参考文献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 冯国会, 曹广宇, 于瑾. 夏季昼夜温差较大地区相变墙蓄冷可行性分析. 沈阳建筑大学学报, 21(4): 350-3534 乐海林, 陈超, 刘宇宁. 冬季相变墙房间节能特性研究. 建筑科技, 2005(4): 38-395 方贵银，李辉. 具有蓄能功能的建筑墙体材料研究. 能源研究与利用,2004, (1): 45-476 李峥嵘. 相变墙体在空调降温中的应用. 暖通空调, 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