南京地区复合相变混凝土砌块冬季应用效果研究.pdf

2 0 1 6年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CONC RE I E AND C E MENT P RODUC I 1S 2 01 6 No 4 A p r i l 南京地区复合相变混凝土砌块冬季应用效果研究 张维维 ， 程建杰 ， 张 源 ， 何嘉鹏 ( 1 南京工业大学城市建设学院， 2 1 0 0 0 9 ； 2 江苏大学能源与动力工程学院， 镇江 2 1 2 0 1 3 ) 摘 要 ：以南京地 区冬季的 室外 空气综合 温度为计算条件 ，利用 F L U E NT软件模拟分析 了空心混凝土砌 块、 E P S外保 温、 复合相 变混凝土砌块应 用于南向外墙 时对 空调 房间和非 空调房 间室 内热环 境的影响。研 究结果表明 ： 对于空调房 间和 非空调 房 间， 相变石 膏板 内置 时的利 用效果均优 于外置 ； 对 于空调 房间 ， E P S外保 温和 内置相 变温 度为 1 9 的相 变石膏板的复合相 变混凝土砌块下 的内壁 面热流波幅分别较 空心混凝土砌 块减小 7 3 、 4 3 而房 间 总散 热量分别较空心混凝 土砌 块减小 6 、 4 5 ； 对于非空调房间 ， 内置相 变温度为 1 5 的相 变石 膏板的 复合相 变混 凝土砌块下的 室内空气平均温度分别较 空心混凝 土砌 块和 E P S外保温提 高 2 4 5 c ( 二 和 2 2 4 ，而温度 波幅分别较 空 心混凝土砌块和 E P S外保温减 小 8 2 和 5 1 。 关键词 ： 夏热冬冷地 区； 相 变材料 ； 复合相 变混凝土砌块 ； F L U E NT； 焓法模型 A b s t r a c t ： T h e o u t d o o r a i r c o m p l e x t e m p e r a t u r e i n w i n t e r i n N a mi n g a s t h e c a l c u l a t i o n c o n d i t i o n s t h e F L U E N T s o ft - w a r e w a s u s e d t o s i m u l a t e a n d a n a l y z e t h e e ff e c t o f t h e h o l l o w c o n c r e t e b l o c k( H C B ) ， E P S e x t e r n a l i n s u l a t i o n( E P S ) a n d t h e c o m p 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 ( P C C B )a p p l i e d i n t h e s o u t h f a c a d e o n t h e i n d o o r t h e r m a l e n v i r o n me n t o f r o o m s w j t h a i r c o n d i t i o n e r s a n d w i t h o u t a i r c o n d i t i o n e r s T h e r e s u l t s s h o w t h a t f o r h e r o o ms w i t h a i r c o n d i t i o n e rs a n d w i t h o u t a i r c o n d i t i o n e r s ， t h e u t i l i z a t i o n e f f e c t o f t h e p h a s e c h a n g e p l a s t e r b o a r d ( P C B )i n i n t e r n a l p u t t i n g w a s b e t t e r t h a n e x t e rna l p u t t i n g ； f o r t h e r o o m w i t h a i r c o n d i t i o n e r s t h e a m p l i t u d e s o f h e a t fl u x o n t h e i n n e r w a l l s u r f a c e o f E P S a n d P C C B( t h e P C B w a s p u t i n t h e i n n e r h o l e ， t h e p h a s e c h a n g e t e mp e r a t u r e w a s 1 9 )d e c r e a s e d b y 7 3 a n d 4 3 r e s p e c t i v e l y t h a n HC B ， a n d t h e t o t a l h e a t e mi s s i o n o f t h e r o o m d e c r e a s e d b y 6 a n d 4 5 r e s p e c t i v e l y tha n t h a t o f HC B； f o r t h e r o o m w i t h o u t a i r c o n d i t i o n e r s ， t h e a v e r a g e t e m p e r a t u r e o f i n d o o r a i r o f the r o o m w i t h P C C B ( t h e P C B w a s p u t i n t h e i n n e r h o l e ， t h e p h a s e c h a n g e t e m p e r a t u r e w a s 1 5 o C ) i n c r e a s e d b y 2 4 5 o C a n d 2 2 4 r e s p e c t i v e l y t h a n HC B a n d E P S ， a n d the a m p l i t u d e o f t h e t e mp e r a t u r e o f t h e i n d o o r a i r d e c r e a s e d b y 8 2 a n d 5 1 r e s p e c t i v e l y t h a n t h a t o f HC B a n d E P S Ke y wo r d s ：Ho t s u mme r a n d c o l d wi n t e r z o n e ；P h a s e c h a n g e ma t e r i a l ；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 ； F L UE NT； En t h a l p y me t h o d mo d e l 中图分类号 ： T U 5 2 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 6) 0 4 6 6 0 6 0前言 随着生活水平 的提高 ， 人们对室 内环境舒适度 提 出了更高的要求 ，随之而产生 日益增长的能耗 。 相变材料在发生相变 时 ， 温度近似不变 ， 且能吸收 或释放大量的热量。选择具有合适相变温度的相变 材料 ， 将其应用在建筑物 中， 能够在冬季 白天蓄热 晚上放热 ， 从而达到节能降耗的 目的。 吕石磊等 通过 D S C测试选择 了具有合适相变 温度 的相变材料并 直接浸渍溶 入墙板形 成相变墙 板 ， 指 出在北方寒冷地 区的冬季利用夜间谷 电使相 变墙板 蓄存电热膜 的热量 以减小 白天 的能耗 ， 但并 基 金 项 目 ： “ 十 二 五 ” 国 家 科 技 支 撑 计 划 资 助 项 目 ( 2 0 1 1 B A E 1 4 B 0 6 ) ； 国家 自然科学 基金项 目( 5 1 5 0 8 2 3 2 ) ； 江苏 省 自然 科学基 金项 目( B K 2 0 1 5 0 5 2 1 ) ； 江 苏省 博士 后科 学基 金 项 目( 1 5 0 1 1 0 6 B ) ： 江苏 大学 高级 人才 科研 启 动基金 项 目 ( 1 5 J DG0 4 9 ) 。 一 6 6 一 未对其使用效果做 出具体分析说明。 S h u h o n g L i 等圆 将芒硝填人中空玻璃窗 中形成相变窗 并与 中空玻 璃窗进行在冬季气候下的应用效果对 比， 研究得 到 由于芒硝的相变温度较高 ， 不能在冬季发挥蓄热作 用 ， 且相 变窗的导热 系数大于 中空窗 ， 所 以在冬 季 使用相变窗达不到节能效果 。刘馨等 3 1 提出了一种 太阳能空气集热器与相变墙复合采暖的系统 白天 太 阳能空气集热器 工作 ， 使相变墙蓄热 ， 夜 间相变 墙放热加热室 内空气 ， 经试验研究得到太 阳能的利 用率达到 3 0 以上， 在晴朗的白天室内能满足采暖 的基本需求。施冠羽等 4 1 在有源相变墙体二维数学 模型的基础上 分析 了相变材料 的相变温度 、 相 变 潜热 、 厚度等各因素对低温热水有源相变墙体辐射 供暖特性 的影响。We n y e L i n等5 1 提 出了一种结合太 阳能光伏集热器和相变材料的新 型天花板通风系 统 ， 通过研究得到在冬季气候下 ， 该 系统能显著提 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 6年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 2 4 0期 相同 。 即研究房间的五面内墙( 包括上下楼板 ) 看作 绝热边界条件 ； 对于空调房间， 假定室内空气温 度恒定为 l 8 。 2 2控制 方程 目前数值计算 相变传 热问题 中较好 的模 型有 显热容法和焓法8 1 ， 这两种方法计算误差小 ， 而焓法 较显热容法 的计算误差更小嘲 。 F L U E N T中采用的基 本数学模型即为焓法 ，针对相变传热问题使用 S o 1 i d i fi c a t i o n Me l t i n g模型进行求解 。 焓法模型可表示 为： p = V T ( 1 ) H= T 罟 【 ( ) 】 日f+ ( s ) 】 占 T m - - 8 - T z + e ( 2 ) 式 中 ： 为相变材料 的焓 ， J g ； 为相变材料 在 下时刻的温度 ， K； Jp为密度 ， k g m ； 后为导热系数 ， W ( m K) ； 。 为相变材料在 固相 、液相时的比 热容 ， J ( k g K) ； T m 为相变材料相变温度 区间的中心 温度 ， K； 、 为相变材料固相 和液相 的饱和焓 ， J ， kg， = ， ( 一 8 ) ， Hf = ( + ) + Q ； Q 为相变材 料 的相变潜热 ， J k g ； 占为相变半径 ， 即相变材料相变温 度 区 间的一 半 ， K。 在试验室利 用变 温热箱试 验装置对 F L U E N T 中的焓法模型求解相变传热过程 的正确性进行 了 验证 ，试验结果与模拟结果的相对误差不超 过 5 ， 说明基于焓法模型利用 F L U E N T来计算相变传 热过程是正确可行的。 2 3 初始条件及边界条件 ( 1 ) 初始条件 T ( x ， 7 _ ) J ( 3 ) 式 中： 为计算开始 时墙体 处的温度 ， K， 此 处 取 2 9 1 K。 ( 2 ) 边界条件 ， ( 一 ) = 一 k l瑚 ( 4 ) a q in + h ( ,in - ) = 一 k 旦I 血 ( 5 ) o 式 中： 为墙体内表面的辐射通量 ， W m ； 、 为房 间内空气温度 和室外空气综合温度 ， K； 为外墙内 、 外表面温度 ， K； h w in , h ， 为外墙 内、 外表面对流换热系数 ，取 h ：8 7 W ( m。 K) ， = 2 3 0 w ( m 2 K) 【 彻。 2 4 室外计算温度 建筑 围护结构外表 面同时受到室外空气温度 一 6 8一 和太 阳辐射的热影 响 ， 故此处采用作用于房间南外 墙的室外空气综合温度进行计算。 ： pI 一曼 a w 0f ( 6 ) 式中 为室外空气综合温度 ， ； 为室外空气 温度 ， ； P为围护结构外表 面对太 阳辐射热 的吸收 系数 。 在此取 p = 0 7 3 【 1 1 ； ， 为太阳总辐射强度 ； 为外 表面对流换热系数 ， 即 C t w =2 3 O W ( m K) ； 占为围护 结构外表面 的长波辐射系数 ； A R 为围护结构外表 面 向外界发射 的长波辐射和 由天空及周 围物体 向 围护结构外表面发射的长波辐射之差 ， 对于垂直表 面 取 A R= O 。 采用中国典型气象年数 据【 ， 选取典型夏热冬 冷地 区南京最冷月 1月 2 7日 1月 2 8日的室外气 象参数进行模拟计算 ， 2 d内室外空气温度 、南向总 辐射强度、 作用于南向外墙的室外空气综合温度如 图 4所示 - ： ： ： 一 l 1 0 0 1 O o o 9 0 0 8 0 0 7 0 0 6 0 o 5 0 02 4 0 0杂 图 4计算用室外气象参数 3模 拟结 果与 分析 相 变材料 的相变温度对其传热 过程 的影响至 关重要 。相变温度过高 ， 相变材料不能熔化 ， 不能蓄 存热量 ； 相变温度过低 ， 相变材料不能凝 固， 蓄存 的 潜热得不到释放。而不同的使用位置对相变材料的 相变温度要求也会不同。以下分别研究空调房间和 非空调房 间应用复合相变混凝土砌块时相变石膏 板的放置位置和相变温度对室内热环境 的影响 ， 取 程序运行稳定后 2 d的数据进行分析。 3 1 空调 房 间 模 拟得到空调房间相变石膏板分别外置 和内 置 时各 相变温度下外墙 内壁面 的热流波 动如 图 5 所示 图中热流为正值时表示热流方向由室外向室 内 ， 即室 内得热 ； 热流为负值时表示热 流方 向由室 内向室外 ， 即室内散热。相变石膏板分别外置和 内 置时各相 变温度下内壁 面热流波动 的波幅及 房间 总散热量整理见表 3和表 4 。 勰 加 4 O 。 b 醚 赠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张维维 ， 程建杰 ， 张源 ， 等 南京地 区复合相变混凝土砌块冬季应用效果研究 4 2 0 皂 一 2 一 4 嚏 一 6 一 s - 1 0 1 2 O 4 8 1 2 1 6 2 O 24 28 3 2 3 6 4 0 4 4 4 8 时间 l l ( a ) 相 变石膏板置 于外侧孔 中 时间， h ( b ) 相 变石 膏板置 于内侧孔 中 图 5 空调房间内壁 面热 流波 动 表 3 相 变石膏板外 置各 相变温度 下的热流波幅和总散热 量 W m z 从图 5 ( a ) 、 表 3和图 5 ( b ) 、 表 4可以看 出， 对于 空调房 间 。 相变石膏板外置或 内置时 ， 随着相变温 度 的升高 ， 外墙 内壁面热流波幅均 出现先减小后增 大的趋势。其中， 当相变石膏板外置 ， 在相变温度为 1 3 时 ， 内壁 面热流波幅达到最小值 ， 为 5 1 1 W m 2 ， 当相变温度距离 l 3 越远 内壁面热流波幅就越 大； 当相变石膏板内置 ， 在相变温度为 1 7 时 ， 内壁 面热 流波幅达到最小 ， 为 1 8 1 W m ， 当相 变温度距 离 1 7 越远 ， 内壁面热流波幅就越大。 相变石膏板外置和 内置时各相变温 度下房间 的总散热量 ( 得热量和部分散热量抵消 ) 见表 3和 表 4 。 相变石膏板外置和内置时， 室内总散热量分别 在 相 变温 度为 1 3 和 1 9 达 到最 小值 ，分别 为 2 3 3 1 0 W m 和 8 0 9 7 W m 。 相变石膏板外置时 内壁面热流波幅和房间总 散热量在相变温度为 l 3 均达到最小值 ， 因此相变 石膏板的相变潜热在相变温度为 1 3 达 到最佳的 利用效果 。相变石膏板内置时 ， 内壁面热流波幅在 相变温度为 1 7 达到最小值 ， 而房间总散热量在相 变温度为 1 9 达到最小值。 相变石膏板 内置时 相变温度 1 7 下 的内壁面 热流波幅较外置时相变 温度 l 3 下 的热流波 幅减 小 了 6 5 ， 而两者房 间的总散热量相差无几 ： 相变 石膏板外置时 相变温度 1 3 下 的热流波幅较内置 时相变温度 1 9 下的热流波幅减小了 4 2 ， 但后者 的房间总散热量 比前者减小 了 6 5 。综合 比较认 为 。 对 于空调房 间 ， 相变石膏板 内置的利用 效果 优 于 外置 。 三种外墙下空调房间 的内壁 面热流波 动对 比 如 图 6所示 ， 其 中 ， 复合相变混凝土砌块 内置相变 温度为 1 7 或 1 9 的相变石膏板 。从图 6可看 出， E P S外保温和复合相变混凝土砌块墙体的内壁面热 流波幅较空心混凝土砌块墙体均有减小 ， 其 中内置 相变温度 为 1 7 的相变石膏板的复合相变混凝 土 砌块墙体的热流波幅较空心混凝 土砌块衰减得尤 为明显。空心混凝土砌块 、 E P S外保温 、 内置相变温 度为 1 7 或 1 9 的相变石膏板 的复合相变混凝 土 砌 块墙 体 的 内壁 面 热 流波 幅分 别 为 1 5 5 2 W m 、 4 1 2 W m 、 1 8 1 W m 2 、 8 8 6 W m ，房间总散热 量分别 蓄 捌 时间 l l 图 6 三种外墙下空调房间 的内壁面热流波动 一 6 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 2 4 0期 为 1 4 6 7 7 Wl， H l 、 1 3 8 3 0 W， I n 2 2 4 2 0 2 W m2 、 8 O 9 7 W m ， 其中 E P S外保温 、 内置相变温度为 1 7 或 l 9 c 【 二 的相 变石膏板的复合相变混凝土砌块墙体的 内壁面热 流波 幅分 别较空 心混凝 土砌块墙体 减小 了 7 3 、 8 8 、 4 3 ， 而房间总散热量分别较空心混凝土砌块 墙体减小 6 、 增大 6 5 、 减小 4 5 。 1 4 l 3 1 2 1 1 删 1 0 9 0 4 8 1 2 1 6 2 O 2 4 2 8 3 2 3 6 4 0 4 4 4 8 时间 l l 3 2非空调 房 间 模拟得到非空调房间相变石膏板分别外置 和 内置时各相变温度下室 内空气温度 的波动情况 ， 如 图 7所示 。相变石膏板分别外置和内置时各相变温 度下室 内空气温度的波幅和平 均值整理见表 5和 表 6 赠 l 0 I 1 l 2 l 3 I 4 l 5 l 6 I 7 o c 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 3 6 4 0 4 4 4 8 5 2 时间， h ( a ) 相变石膏板置于外侧孔 中 ( b ) 相变石膏板置 于内侧 L 中 图 7 非空调房间室内温度波动 表 5 相变石膏板外置各相变温度下室 内空气温度 的波幅和平均值 从 图 7 ( a ) 和表 5可以看 出 ， 对于非空调房间 ， 相变石膏板外置时 ， 随着相变温度的变化 ， 室 内空 气温度波幅变化较小 ， 而平均值几乎不变 。其中室 内空气温度波幅在相变温度为 1 i c e时达到最小 为 3 6 8 ， 当相变温度距离 1 l C 越远 ， 室 内空气温度波 幅就越大 ， 说 明相变石膏板 的相变潜热在相变温度 为 l 1 时得到最佳的利用效果 ， 对室内空气温度 的 调控作用达到最佳 。 从 图 7 ( b ) 和表 6可 以看出 ， 对于非空调房间 ， 相变石膏板 内置时 ， 随着相 变温度 的变化 室 内空 气温度的波幅和平均值均有明显变化。其 中室 内空 气 温 度 波 幅在 相 变 温 度 为 1 2 c C时 达 到 最小 。 为 0 5 8 ， 当相变温度距离 1 2 越远 。 室 内空气温度波 幅就越大 。而室内空气温度 的平均值在相变温度为 1 5 c C 时达到最高 ， 为 l 4 _ 3 1 。 ( = ， 当相变温度距离 1 5 越远 ， 室内空气平均温度就越低 。相变温度在 1 5 q c 时 的室 内空气平均温度 即最高室 内空气平均 温度 比相 变 温 度 在 l 2 时 的室 内 空 气 平 均 温 度 高 一 7 0 1 6 4 ，而相变温度在 1 2 时的室 内空气温度波幅 即最小室 内空气温度波幅比相变温度在 1 5 时 的 室 内空气 温度波幅减小 0 5 3 。由于室 内空气温度 的波幅和平均值都是影响房间热舒适性 的因素 因 此 ， 认为对于非空调房间相变 石膏板内置时 ， 相变 石膏板 的相变潜热在相变温度为 1 5 时得到最佳 的利用效果。 相变 石膏板内置 时相变 温度为 1 5 的室 内空 气 平均 温度 高 于相 变石 膏板 外置 时相 变 温度 为 1 I C 的室 内空气平均温度，且前者的室内空气温度 波 幅小于后者 ， 因此 ， 对 于非空调房间 ， 相变石膏板 内置时的利用效果优于外置时的利用效果 ， 能给室 内带来更高的热舒适度。 三种外墙 下非空调 房间的室 内空气逐时温度 对 比如图 8所示 。 其中复合相变混凝土砌块中内置 相变温度为 l 5 的相变石膏板 。从 图 8可以看 出， 复合 相变混凝土砌块墙体 的室 内空气平均温度 明 显高于空心混凝土砌块和 E P S外保温墙体 ， 且室内 6 5 4 3 2 1 0 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张维维 ， 程建杰 ， 张 源， 等 南京地 区复合相变混凝土砌块冬季应用效果研究 空气温度波幅明显小于空心混凝土砌块和 E P S外 保温墙体。复合相变混凝土砌块 、 空心混凝土砌块 和 E P S外保 温墙 体 的室 内空 气平 均 温度 分别 为 1 4 3 1 o C 、 1 1 8 6 o C、 1 2 0 7 o C， 而室内空气温度波幅分别 为 1 1 1 、 6 0 2 o C、 2 2 5 o C， 其 中复合相变混凝土砌块 墙体 的室 内空气平均温度分别较空心混凝土砌块 和 E P S外保温墙体提高了 2 4 5 o C 和 2 2 4 o C，而复合 相变混凝土砌块墙体 的室 内空气温度波幅分别较 空心混凝土砌块和 E P S外保温墙体减小 了 8 2 和 5 1 ， 因此 ， 使用内置相变温度为 1 5 的相变石膏板 的复合相 变混凝 土砌块外墙 时的室 内热舒适度 高 于使用空心混凝土砌块和 E P S外保 温墙 体的室内 热舒适度 。 越 赠 最 删 时间 l l 图 8 三种外墙 下非 空调房 间的室 内空气温度波 动 4结论 ( 1 ) 对于空调房 间， 相变石膏板外置时 ， 其潜热 在相变温度为 l 3 利用效果最佳 ， 内壁面热流波幅 和房间总散热量均达到最小 ：相变石膏板 内置时 ， 内壁面热流波幅在相变温度 为 l 7 c I = 达到最小值 而 房间总散热量在相变温度为 l 9 达到最小值 ； 由此 可见 。 认为相变石膏板 内置的利用效果优于外置时 的利用效果 。 ( 2 ) 对于空调房 间 ， 采用 E P S外保温和 内置在 相变温度为 1 9 的相变石膏板复合相变混凝土砌 块墙体的 内壁面热流波幅分别较采 用空心混凝土 砌块墙体减小了 7 3 和 4 3 。 而房间的总散热量分 别 较采 用 空 心 混凝 土砌 块 的墙 体 减 小 了 6 和 4 5 。 ( 3 ) 对于非空调房间 ， 相变石膏板外置时 ， 其潜 热在相变温度为 1 l 时的利用效果最佳 ： 相变石膏 板 内置时， 其潜热在相变温度为 1 5 时的利用效果 最佳 ； 相变石膏板内置的利用效果优于外置时的利 用效果。 ( 4 )对于非空调房间 ，采用 内置相变温度为 1 5 的相变石膏板的复合相变混凝土砌块墙体 的室 内空气平均温度分别较采用空心混凝土砌块和 E P S 外保温墙体提高 了 2 4 5 和 2 2 4 ，而室内空气温 度波幅分别较 采用空心混凝 土砌块和 E P S外保温 墙体减小 了 8 2 和 5 1 ， 因此 ， 外墙使用 内置相变 温度为 l 5 的相 变石膏板 的复合相变混凝土砌块 的室 内热舒适度 高于使 用空心混凝土砌块和 E P S 外保温时的室内热舒适度。 参考文献 ： 1 】吕石磊 ， 冯 国会， 付英会， 等 酯酸类 相变材 料墙板 在北 方 寒冷地区应用 的 D S C分析 J 】 节能， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 3 6 3 8 2 】 S h u h o n g L i ， K e c h e n g Z h o n g ， Y i n g y i n g Z h o u ， e t a1 C o mp a r - a t i v e s t u d y o n t h e d y n a mi c h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s o f P C M fi l l e d g l a s s w i n d o w a n d h o l l o w g l a s s w i n d o w J E n e r g y a n d B u i l d i n g s ， 2 0 1 4 ， 8 5 ： 4 8 3 - 4 9 2 3 】 刘馨， 冯 国会， 黄凯 良， 等 太 阳能 空气 集热器与相变墙复合 采暖 系统试验研究 J 土木工程 学报， 2 0 1 0 ， 4 3 ( S 2 ) ： 4 3 0 4 3 4 4 】 施冠 羽， 余 延顺 低温热 水有源相 变墙体 的辐射供 暖特性 J 建筑热 能通风空调， 2 0 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