南京地区夏季复合相变混凝土砌块运用效果研究.pdf

2 0 1 5年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 5 No 6 J u n e 南京地区夏季复合相变混凝土砌块运用效果研究 张维维 ， 程建杰 ， 张 源 ， 庄 孙歧 ， 何 嘉鹏 ( 1 南京工业大学城市建设与安全工程学院 ， 2 1 0 0 0 9 ； 2 东南大学能源与环境学 院， 南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘要 ： 在混凝 土砌 块中填入相变石膏板 ， 构成复合相 变混凝土砌块 ， 将 其运 用到建筑外墙 中。在 实验 室搭 建变 温热箱 实验装置 ， 通过 实验与模拟验证焓 法模 型在 计算相变传热时的可行性 ， 并运 用焓法模 型计算分析 由复合相 变 混凝土砌块砌成 的建 筑外墙 的热工特性。 研究表明 ， 用焓法模型计算得到的模拟值与 实验值的误差 不超过 5 。 通过 焓法模型计算分析得到 ， 当室内空调定温 为 2 6 时， 相 变石 膏板相 变温度为 2 6 q C 节 能效果最佳 ， 将这种相 变石 膏板 放置在 混凝 土砌块外侧孔 中 ， 相 变外墙房 间节能 5 9 1 ， 节约 电费 6 1 4 ； 放 置在 砌块 内侧 孔 中， 相 变外墙房 间节能 4 5 3 ， 节约 电费 4 8 2 。 关键词 ： 相 变外墙 ； 建 筑节能； 相 变石 膏板 Ab s t r a c t ：Co mp os i t e p ha s e c h a ng e c o n c r e t e b l oc k s a pp l i e d i n bui l di ng e x t e r i o r wa l l s a r e f o r me d b y pu t t i n g p ha s e c h a n g e p l a s t e r b o a r d i n c o n c r e t e b l o c k T h e e n t h a l p y me t h o d i s u s e d t o s i mu l a t e a n d c a l c u l a t e ，t h e v a r i a b l e t e mp e r a t u r e h o t b o x i s u s e d t o v a l i d a t e t h e a c c u r a c y o f t h e e n t h alp y me t h o d ， a n d t h e t h e r ma l p e r f o r ma n c e o f t h e e x t e r i o r w a l l b u i h wi t h c o mp o s i t e p h a s e c h a n g e c o n c r e t e b l o c k s i s c a l c u l a t e d u s i n g t h e e n t h a l p y me t h o d Th e r e s u h s s h o w t h a t i t S c o n c l u d e d t h a t t h e r e l a t i v e e r r o r o f c a l c u l a t i n g p h a s e c h a n g e h e a t t r a n s f e r b y t h e e n t h a l p y me t h o d i s n o mo r e t h a n 5 Wh e n t h e i n d o o r a i r c o n d i t i o n i n g t e mp e r a t u r e i s 2 6 c o n s t a n t l y a n d t h e p h a s e c h a n g e t e mp e r a t u r e o f p h a s e c h a n g e p l a s t e r b o a r d i s 2 6 t h e e n e r g y - s a v i n g e f f e c t i s t h e b e s t W h e n p u t t i n g t h i s k i n d of p h a s e c h a n g e p l a s t e r b o a r d i n t h e o u t s i d e l a y e r o f c o n c r e t e bl o c k，59 1 o f e n e r gy a nd 61 4 o f po we r a r e s av e d；wh e n p ut t i ng i t i n t he i ns i d e l a y e r o f c o nc r e t e bl o c k，45 3 o f e n e r gy a n d 4 8 2 o f p o we r a r e s a v e d Ke y wo r d s ：P h a s e c h a n g e e x t e r i o r wall ； B u i l d i n g e n e r g y s t o r a g e ； P h a s e c h a n g e p l a s t e r b o a r d 中图分类号 ： T U1 1 1 4 8 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 0 6 7 9 0 4 0前 言 随着人民生活水平的提高 ， 建筑空调发展极为 迅速 ， 空调能耗也持续增加 ， 其原 因之一就是 目前 建筑 围护结构的热工性能大都较差 ， 所 以在建筑节 能中 ， 减少空调能耗的一个主要 办法是改善建筑围 护结构的热工性能 l J 。 相 变 材 料 能 够 在 一 个 很 小 的 温 度 区 间 内发 生 相变 ，当相变材料所处环 境的温度超过相变温度 时 ， 相变材料融化吸热 ， 当所处环境 的温度低 于相 变温度时 ， 相变材料凝 固放热 ， 在整个相变 过程中 相变材料温度变化很小 ， 所 以将 相变材料 以各种形 式放人到建筑墙体 中来 提高墙体 的热工性 能是 国 内外研究的重点 。张维维等通过数值模拟得到在南 京地 区夏季适 宜使用 的相变石膏板的相变温度 随 相 变石 膏 板 在 外墙 的放 置位 置 不 同而 有所 区别 ， 当 相变石膏板放置在外墙的内侧 、 中间、 外侧 ， 相变温 度分别为 2 7 、 2 9 、 3 1 时节能效果最好翻 。 胡仁林 基金 项 目： “ 十 二 五 ” 国家 科 技 支 撑 计 划 资 助 项 目( 2 0 1 1 B AE1 4 B 0 6) 。 等使用醇类化合物与石墨混合形成相变材料 ， 将其 运用在太阳能集热板上进行蓄热 ， 实验得 到当使用 了 相变 材料 后 ， 太 阳能 集 热板 中相 变 材 料 能够 很 好 地吸收太 阳辐射 ， 集热效率更加平稳l 3 】 。 V e n t o l a 等人 将 相变材料 ( P C M) 添加到石灰砂浆 中， P C M所 占比 例分别为 5 、 1 0 、 1 5 ， 将混合材料涂抹在石材表 面进行传热研究 ， 结果表明 P C M含量越多 ， 越能阻 止热量的传递 ， 并且添加 P C M 的石灰砂 浆抗压性更 强4 1 。 H a w e s 等人研究 了多种相变材料的储能效果1 。 陈超等人通过搭建相变房 间与普通房 间进行对 比， 发现相变房间能够有效地储存太阳能 ， 降低 室内温 度 波动 ， 减小 空 调耗 能嘲 。吕时磊 等人通 过将 一个 房 间的外墙改成相变墙 ，在房 间四周墙 壁贴上热 电 偶 ， 并 与 普 通 房 间 进 行 对 比实 验 ， 实 验 结 论 得 出相 变 墙房 问能 够减 小 传 人 到室 内的 热流 ， 减低 室 内温 度 波动 ， 起 到节 能 的效 果同 。然 而 国 内外 针对 复合 相 变 混凝 土 砌块 运 用 在 建筑 围护 结构 中对 室 内节 能 、 节 电效果 的研究并 不 多见 。 本 文 以典 型 夏 热冬 冷 地 区南 京为 例 ， 在混 凝 土 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 l 5年第 6期 混凝 土 与水泥 制 品 总第 2 3 0期 砌块 中填人相变石膏板 ，构成 复合相变混凝 土砌 块 ， 用该砌块砌筑建筑外墙 ， 以增加墙体热容 ， 使用 模拟 的方法分析相变石膏板放 置在砌块 中不 同位 置时 ， 相变外墙房 间的节能性和节 电性 ， 对建筑 中 相 变石 膏板 的实 际运用 有一定 指 导性 意义 。 1 计 算模 型 1 1 相变石膏板 相变石膏板由相变材料与石膏均匀混合制成 ， 所使用相变材料为月桂酸和癸酸 ， 两种相变材料以 不同的摩尔比进行混合 ， 可以得到不同相变温度的 相 变石 膏板 ， 相 变温 度 范 围为 1 8 4 4 ； 相变 材 料 与 石膏按不同的质 量 比例进行混合可 以制取不 同相 变潜 热 的相变 石膏板 ， 相 变潜 热 范 围为 0 1 2 0 k J k g 。 本 文 中选 择相 变 潜 热 为 1 2 0 k J k g的相 变 石 膏 板 来 进行计算。 1 2 砌 块模 型 复合相变混凝土砌块 的模 型如 图 1 所示 ， 图中 尺寸单位均为 m m， 砌块高度为 1 9 0 m m。 图 1 复合相变混凝土砌块模 型( 单位 ： m m) 1 3 研究 对象 本 文 研 究对 象 为南 京 地 区某 南 向房 间 ， 房 间尺 寸 为长 宽 高= 4 mx 4 mx 2 8 m， 一 面外墙 ， 五面 内墙 ( 包括上下楼板 ) ，建造三种外墙结构如 图 2所示 ， 构造 a 、 构造 b为相变墙体 ( 构造 a为相变石膏板在 砌块外侧 ， 构造 b为相变石膏板在砌块 内侧 ) ， 构造 C为普通墙体 。 不同构造外墙的结构尺寸( 从室外到 室 内 ) 如 表 1 所 示 ， 相 应 材 料 热 物 性 参 数 如 表 2所 示 ， 相变石膏板的相变半径为 1 。 1 4数学模型 为了突出墙体 的传热特性 ，做 以下合 理化假 一 8 O一 构造 a 水 表 1 不 同构造外墙结构尺寸 构造 a 构造 b 构造 C 水泥砂浆 1 5 ra m 相变石膏板 2 0 ram 混凝土砌块 1 9 0 m m 水泥砂浆 1 5 ram 混 凝 土 砌 块 1 9 0 ram 相变石膏板 2 0 m m 水泥砂浆 1 5 ra m 水泥砂浆 1 5 mm 水泥砂 浆 1 5 ra m 混 凝 土 砌 块 1 9 0 mm 水泥砂 浆 1 5 ra m 设：室内和室外只能通过外墙进行热量传递； 忽略相变材料的过冷效应 ； 相变材料 的密度在相 变过程中保持不变 ； 相变材料在相变石膏板 内均 匀分布； 室内温度恒定为 2 6 。 使用焓法模型来计算相变传热过程 ， 墙体传热 方 程 为如方 程 ( 1 ) 所示 。 p = k w ( 1 ) H _- t + T 一 ( 一 8 ) 】T m 一 8 T r m + s ( 2 ) 【 c T m + L + c p ，l T 一 ( r m + ) 】 + 8 式 中 ： 为 材 料 导 热 系 数 ， W ( m K) ； 为 厚 度 方 向上 的坐 标 ， m； H 为相 变材 料 的 焓 ， J k g ；T m为 相 变温 度 区间 的 中心温 度 ， K； s为相 变温 度 区间 长 度的一半 ， K； T为相变材料在 时刻 的温度 ， K； C C D I 1 分 别 为 相 变 材 料 在 固 相 和 液 相 时 的 比 热 容 ，J ( k g K) ； 为相变材料的相变潜热 , J k g ； P为 材 料密度 ， k g m 。 初始条件： T ( x ， ) I ： 。 = 。 边界条件 ： q in + h w ,i n( 一 )一 L (3 ) I (4 ) 空气层混凝 土砌 块 l l 构造 b 构造 C 图 2 不 同外墙示意 图 式 中 ： 为计算 开始 时墙 体 处的温度 ， ； g 。 、 g 为墙体 内、外表 面 的辐射 通量 ， W m ； 、 为房 间 内空 气温 度 和室 外环 境温 度 ， o C； 、 叫 为 外 墙 内 、外 表 面温 度 ， ； 、 h 为外墙 内、 外表面 对 流换 热系 数 ， W ( m K) 。 室 内 温度 恒 定 为 2 6 c lC，外 界 气 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 0期 应图 2中墙体结构 c )室内得热量为 3 9 4 2 W m ， 相 变温度为 2 6 的相变石膏板放置在砌块外侧 时室 内得热量为 1 6 1 5 W m ，比普通墙体节能 5 9 1 ； 放 置在砌块内侧时室内得热量为 2 1 5 9 W m ，比普通 墙体节能 4 5 3 。 由图 7还可看 出， 当相变石膏板相变温度大于 2 8 或者相变温度小于 2 4 时 ， 室 内得热量基本不 变 ， 说明当相变温度小于 2 4 时 ， 相变温度过低 ， 相 变材料过早融化 ， 在整个传热过程 中几乎完全是液 态 ， 当相变温度大于 2 8 时 ， 相变温度过高 ， 相变材 料不能融化 ， 在整个传热过程 中几乎完全是固态。 3 - 2 温度 的延迟 与耗 电量 所用的相变石膏板相变温度为 2 6 、 相变潜热 为 1 2 0 k J k g 。 将相变石膏板放置在砌块外侧 、 内侧并 与普通外墙进行对 比， 三种外墙结构构成三种房间 如表 3 所示。三种外墙情况下从外界传入到室内的 热 流如 图 8所 示( 选 取 7月 3日和 7月 4 日 2 d的 数值) 。从 图中可以看出房间 1比房间 3热流波动 延迟 5 7 h ， 波峰 出现在 0 ： 0 0 ； 房 间 2比房 间 3延迟 4 7 h ， 波峰 出现 在 2 3 ： 0 0 。 表 3不 同 房间 列 表 房 间 号 房间 l 房间 2 房 间 3 外 墙 结 构 相变石膏板放 置在砌块 1- 6 4 相变石膏板放 置在砌块 内侧 没有相变石膏板 3 。 2 5 2 0 差 1 。 5 0 o 0： 0 o o 6： o 0 l 2： o o l 8 ： o o 0 0： 0 o o 6： o 0 1 2： 0 o 1 8： 0 0 0 0： 0 0 时间 h ： m i n 图 8 室 内流 波 动 由于温度的延迟 ， 相变墙房间可以更多地使用 夜 间谷电进行空调制冷 ， 这样节约了电费 。南京峰 时段 为 8 ： 0 0 - 2 1 ： 0 0 ， 电价 0 5 5元 度 ， 谷 时段 2 1 ： 0 0 - 次 日8 ： 0 0 ， 电价 0 3 5元 度 ， 夏热冬冷地 区夏季空调 制冷时间设定为 6月 1日 8月 3 0日，空调制冷时 间为 9 0 d 。通过计算得到一个制冷季 中房间 3所需 要 电 费 为 1 1 2 2 9元 ； 房 间 2电 费为 5 8 1 7元 ， 比房 间 3节约电费 4 8 2 ； 房间 1电费 4 3 3 5元 ， 比房间 3节 约 电费 6 1 4 。 一 8 2 3 - 3 节 能性 与节 电综合 分析 相 变 材 料 放 置 在 砌 块 外 侧 比 普 通 墙 体 节 能 5 9 1 ， 节 约 电费 6 1 4 ； 相变 材 料 放 置在 砌 块 内侧 比普 通墙 体 节能 4 5 - 3 ， 节 约 电费 4 8 2 ； 这说 明 了 由于存在热流 的延迟将大量传人到室 内的热量延 迟 到 了夜 间 ， 有效 利 用夜 间谷 电来进行 制 冷 。 4结论 ( 1 ) 焓法模型用来计算相变传热过程是 正确可 行 的。 ( 2 ) 相变墙体对温度波有衰减和延迟 的作用 ， 可 以充分利用夜间谷电消除房间的热负荷 。 ( 3 ) 复合相变混凝土砌块 中相变石膏板相变温 度为 2 6时节能和节约电费效果最佳 ， 放置在砌块 内侧能节能 4 5 3 、 节约电费 4 8 2 ； 放置在砌块外 侧节能 5 9 1 、 节约电费 6 1 4 。充分说明相变石膏 板放置在砌块外侧潜热利用率更高 ， 节能和节约电 效果更好。 参 考 文 献 ： 1 中华人名共 和国住房 和城乡建设部 J G J 1 3 4 -2 0 1 0夏热 冬冷地 区居住建 筑节 能设计标 准【 S 】 北京： 中国建筑工 业出版 社 。 2 0 1 0 2 张维维， 方学 旺， 周沁宇， 等 南京地 区夏季相变 蓄能石膏板 在外墙不 同位置对节 能影 响的分析 J 1 建材世 界， 2 0 1 4 ( 3 5 ) ： 2 28 -2 31 3 胡仁林 ， 刘振华 ， 赵 峰， 等 固一 固相变 蓄热材料 在太 阳能高 温空气集热系统 中的应用研究 J 热科学 与技术， 2 0 1 2 ( 1 1 ) ： 2 6 6 - 2 71 4 V e n t o l a L ， V e n d r e l l M， G i r a l d e z P N e w l y - d e s i g n e d t r a d i t i o n a l l i me mo l a r w i t h a p h a s e c h a n g e ma t e ri a l a s a n a d d i t i v e J 1 C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 3 ，4 7 ： 1 2 1 0 - 1 2 1 6 5 H a w e s D W， e t a 1 L a t e n t h e a t s t o r a g e i n c o n c r e t e J S o l a r E n e r g y Ma t e r i a l s ， 1 9 8 9 ， 1 9 ( 3 - 5 ) ： 3 3 5 3 4 8 【 6 陈超， 刘字 宁， 果 海风 复合相变墙体应用 于被 动式太 阳房 的初步研究【 J 建 筑材料学 报， 2 0 0 8 ， 1 1 ( 6 ) ： 6 8 4 6 8 9 【 7 L v S L， Z h u N， F e n g G H I m p a c t o f p h a s e c h a n g e w a l l r o o m o n i n d o o r t h e r ma l e n v i r o n m e n t i n w i n t e r J E n e r g y a n d B u i l d - i ng s， 2 00 6， 3 8： 1 8 2 4 【 8 李利 民 庄春龙， 张洪宇，等 焓法模型求解相变传热 问题 有效性分析l J 1 后勤工程 学院学报， 2 0 1 1 ， 2 7 ( 3 ) ： 5 8 6 2 【 9 】 张维维 ， 方学旺， 周 沁字， 等 相变蓄能石膏板在建筑 围护结 构 中的热影 响分析 J 】 科学 技术 与工程 ， 2 0 1 5 ， 1 5 ( 1 ) ： 1 1 6 1 2 0 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 2 2 3 作者简介 ： 张维维 ( 1 9 9 2 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 。 通讯作者 ： 程建杰 ， 女 ， 副教授 。 联 系 电话 ： 1 8 6 6 1 1 01 6 3 4 E ma i l ： r a z e r l 2 3 4 5 6 7 1 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m