复合相变墙体供暖特性数值模拟研究.pdf

复合相变墙体供暖特性数值模拟研究范鹏,马立(西南科技大学土木工程与建筑学院,四川 绵阳 621010)摘要:采用宏观封装的方式将相变材料封装在金属板中,将太阳能与热泵结合,提出一种新型相变墙体供暖系统。相变墙体传热性能受相变层厚度和相变材料导热系数的影响,将不同相变层厚度和不同相变材料导热系数相互组合,通过有限元求解,分析各因素对相变墙体传热特性的影响。结果表明:不同的导热系数分别对应着一个最佳的相变层厚度,导热系数 0.2 W/(mK)、0.3 W/(mK)、0.4 W/(mK)对应的最佳相变层厚度分别为 20 mm、25 mm、30 mm;增大相变材料的导热系数会使墙面温度和热流密度升高,且释能阶段受导热系数的影响较小;相变潜热越大,墙体内壁面的温度和热流密度波动越小,室内热舒适度越好。关键词:相变墙体;导热系数;相变层厚度;数值模拟DOI 编码:10.16641/11-3241/tk.2023.04.005N u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f h e a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f c o m p o s i t e p h a s e c h a n g e w a l lFAN Peng,MA Li(College of civil engineering and architecture,Southwest university of science and technology,Mianyang 621010,China)A b s t r a c t:A new type of phase change wall heating system is proposed by using macroscopic encapsulation of phase change materials in metal plates,combining solar energy with heat pump.The heat transfer performance of the phase change wall is affected by the thickness of the phase change layer and the thermal conductivity of the phase change material.By combining the thickness of different phase change layer and the thermal conductivity of different phase change material,the influence of various factors on the heat transfer characteristics of the phase change wall is analyzed by finite element method.The results show that the different thermal conductivity correspond to an optimal thickness of the phase change layer,the thermal conductivity of 0.2 W/(mK),0.3 W/(mK),0.4 W/(mK)corresponding to the optimal thickness of the phase change layer is 20 mm,25 mm,30 mm.Increasing the thermal conductivity of PCM will increase the wall temperature and heat flux,and the thermal conductivity has little influence on the energy release stage.The greater the latent heat of phase change,the smaller the temperature and heat flux fluctuation on the inner wall,and the better the indoor thermal comfort.52区域供热 2023.4 期K e y w o r d s:PCM wall;thermal conductivity;thickness of phase change layer;numerical simulation0 引言随着社会的快速发展和人民生活水平的提高,人们对室内环境的要求也越来越高,致使建筑能耗也越来越高。围护结构作为建筑的重要组成构件,在传热过程中起着关键作用。研究发现,将相变材料(PCM)与建筑结合能够有效实现建筑节能,常见的形式是将相变材料以不同的方式(宏观封装、微观封装以及相变微胶囊)封装在建筑墙体、地板或天花板中,由于相变材料价格适中,具有较好的储能 特 性,因 此 在 建 筑 中 有 很 大 的 应 用潜力 1,2。闫全英等 3将石墨、硅粉和纳米金属粉末以不同质量百分比分别加入复合相变材料中,研究了不同的添加剂对相变材料导热性能的影响,结果表明:从经济性和强化导热性能来看,石墨是最佳选择,并且在石墨的添加比例为 30%时,相变材料的热导率最大。孔祥飞等 4将不同相变点的石蜡通过相变微胶囊进行二次吸附,制作成相变蓄能砖安装在地板和顶板中,搭建了梯级相变辐射末端实验平台,结果表明:梯级相变辐射系统能够延长室内处于热舒适区间的时间并且节能效果明显。Lu 等 5建立了相变材料辐射地板与相变材料墙体相结合的太阳能复合系统,通过对 PCM 室和常规室之间的温度、热流密度以及功耗进行对比,发现在冬季 PCM 房间的平均室温比普通房间高 7.15,平均节能率为54.27%。胡自成等 6采用宏观封装的方式将复合相变材料封装在套管中,采用数值模拟的方式研究了相变温度、相变潜热以及相变材料导热系数等因素在供冷暖双工况下对室内热舒适性的影响。见禹等 7将金属翅片添加到封装石蜡的方腔内,并研究了其传热特性,结果表明:金属翅片能够强化传热过程,与纯石蜡方腔相比,添加金属翅片方腔内的相变材料融化时间缩短了 56%,既节约了材料又增加了蓄热量。GOVINDASAMY D等 8建立了相变房间与对比房间模型,采用数值模拟的方法研究发现:PCM 导热系数较低时进入室内的热量较少,但储存的热量也较少,增加相变层厚度能够使室内温度波动更小,并且可以延长室内温度保温时间。目前国内外众多学者已经对相变墙体进行了广泛深入的研究,主要集中在相变墙体结构的优化、相变层厚度、相变材料导热系数和相变潜热的研究,且研究对象大部分都是被动式相变墙体,但是相变材料导热系数和相变层厚度之间存在一个最佳组合,相变层厚度的增加或减少受相变材料导热系数的影响。本文提出一种将相变材料封装在金属板中的相变蓄能墙体,针对相变层厚度和相变材料导热系数的不同组合,通过 ANSYS 求解分析室内温度、热流密度以及液相率,得到在不同导热系数下的最佳相变层厚度,为试验台的搭建以及工程应用提供参考。图1 墙体物理模型1 物理模型相变蓄能墙体结构如图 1 所示,墙体结构从左至右分别为水泥砂浆层、保温层、混凝土层、相变材料层、管道层和墙面层。其中,62区域供热 2023.4 期表1 墙体各材料热物性参数材料密度/kgm-3导热系数/W(mK)-1比热容/J(kgK)-1相变潜热/kJkg-1墙面层2 2000.931 050钢制封装外壳7 93016.2500保温层280.031 200相变材料8400.21 800160相变材料封装在由金属板构成的自制模具中,金属板厚度 20 mm。墙体外侧水泥砂浆层 10 mm,保温层为 20 mm 厚的 XPS 挤塑保温板,供回水管管径为 20 mm,室内侧水泥砂浆层厚度 20 mm。除此之外,相变材料为固体石蜡与液体石蜡混合后的复合相变材料。相变墙体各材料的热物性参数如表 1 所示。2 数学模型2.1 基本假设相变材料在墙体中的传热过程是一个复杂的三维非稳态传热过程,在实际应用中,管内水温沿管轴线方向变化缓慢,因此忽略该方向的传热,为了简化计算模型,将相变墙体中复杂的三维非稳态传热过程简化为剖面层二维非稳态传热过程。本文取相邻两管之间的墙体结构作为基本传热单元,相变墙体传热单元结构简图如图 2 所示。为了方便求解及分析,对该模型做出如下假设 9,10:(1)相变材料及墙体材料均匀分布,且热物性各向同性;(2)墙体各层紧密接触,不考虑接触热阻;(3)忽略相变材料融化及凝固时的体积变化及融化时的自然对流传热;(4)相变材料密度符合 Boussinesq 假设,其余物性参数均为常数;(5)考虑室内外墙体表面的对流与辐射换热。2.2 控制方程模型通过上述简化,使用焓法模型建立的相变墙体传热控制方程如下 11:i Hi=i2 Tix2+2 Tiy2 (1)图2 相变墙体传热单元式中:i墙体各层材料密度,kg/m3;Hi各层材料的焓值,J/kg;时间,s;i各层材料的导热系数,W/(mK);Ti墙体各层材料的温度,K。其中,相变材料的焓与温度的关系式为:H=Cp s(T-TS),TTsHs+Hm(T-Tl)Tl-Ts,TsTTlHl+Cp l(T-Tl),TTl(2)式中:Hm相变材料的潜热,kJ/kg;Cp s和Cp l分别表示相变材料在固态和液态时的定压比热容,kJ/(kgK);Ts和Tl分别表示相变材料的相变起始温度和终止温度,K;Hs和Hl分别表示相变材料在固态和液态时的比焓,kJ/kg。2.3 边界条件(1)上下绝热边界条件72区域供热 2023.4 期因水管呈双回型布置,所以每个传热单元都具有近似相同的作用范围,可将两管的几何中心看作绝热面。本文传热模型中,上下边界除水管外均为绝热边界条件:w iTw ixy=0,y=h,a x d,f x g +pTpxy=0,y=h,d x e=0(3)式中:wi、p分别为墙体各层材料的导热系数及相变材料的导热系数,W/(mK);Twi墙体各层温度,K。(2)水管壁面边界条件水管壁面处为对流换热边界条件:蓄能时:-sTsx0 y r,h-r y h,e x f=h(TS-Tf)(4)释能时:-sTsx0 y r,h-r y h,e x f=0(5)式中:s水管的导热系数,W/(mK);Ts、Tf分别为水管管壁温度及流体温度,K;h水与管壁对流换热系数,W/(m2K),释能时水管壁面处对流换热系数取 0。(3)墙体内外表面辐射对流换热边界条件墙体外表面边界条件:qr,o u t+qc,o u t=wTwxx=0(6)墙体内表面边界条件:qr,i n+qc,i n=Txx=g(7)其中:qc,o u t=ho u t(To u t-Tw,o u t)(8)qc,i n=hi n(Ti n-Tw,i n)(9)式中:Tout、Tin分别为室外空气温度和室内空气温度,K;Tw,out、Tw,in分别为墙体外表面温度和墙体内表面温度,K;hout、hin分别为室外空气与墙体外表面的对流换热系数及室内空气与墙体内表面的对流换热系数,W/(m2K)。3 结果及分析对不同导热系数相变材料与不同厚度相变材料层组合构成的不同相变墙体做模拟分析,相变层厚度分别取 20 mm、25 mm、30 mm,相变材料导热系数分别取 0.2 W/(mK)、0.3 W/(mK)、0.4 W/(mK),通过分析相变材料层液相分数及墙体内壁面温度和热流密度得到不同结构的相变墙体传热特性。下文各图片中的(a)、(b)、(c)分别代表相变材料导热系数为 0.2 W/(mK)、0.3 W/(mK)、0.4 W/(mK)时的热性能参数随时间变化曲线。3.1 内壁面温度分布在导热系数和相变层厚度的不同组合下,相变墙体内壁面温度随时间的变化见图 3。以图 3(a)PCM 导热系数 0.2 W/(mK)为例,不同厚度的 PCM(20 mm、25 mm、30 mm)在蓄 能 结 束 时,墙 体 内 壁 面 温 度 分 别 为34.50、34.22、34.19;释能结束时,墙体内壁面温度分别为:21.88、22.39、22.62。从图 3 可以看出:尽管 PCM 导热系数不同,但在蓄能阶段前中期 PCM 厚度不同的三条曲线基本重合,这是因为水管布置在相变材料层与室内抹灰层之间,在相变材料完全融化之前,PCM 进行潜热蓄热,水管以恒定速度向室内提供热量,故在蓄能前中期,单纯地增加相变材料层的厚度对室内温度无影响。蓄能末期,20 mm 厚的 PCM 温度曲线与25 mm 及 30 mm 厚的 PCM 温度曲线明显分离,说明 20 mm 厚的相变材料层已经完全融化,不能再进行潜热蓄热,流体的热量更大部分地向室内传递,故墙体内壁面升温速率变快。释能阶段,由于停止供暖,因此在释能阶段初期墙体内壁面温度会急剧下降,而后PCM 将储存的热量逐渐释放至室内,曲线变82区域供热 2023.4 期图3 不同导热系数下墙体内壁面温度随时间变化曲线得平缓。相变层厚度越大,墙体热阻也就越大,故 30 mm 厚的 PCM 内壁面温度比其余两个壁面更低,但由于其蓄能最多,因此在释能中后期的内壁面温度最高。3.2 内壁面热流分布不同 PCM 厚度及导热系数组合的相变墙体内壁面热流随时间的变化如图 4 所示。以相变层的厚度 30 mm 为例,导热系数为0.2 W/(mK)、0.3 W/(mK)、0.4 W/(mK)的相变材料构成的相变墙体在蓄能结束时,其内壁面的热流密度分别为 70.82 W/m2、71.71 W/m2、72.15 W/m2;释能结束时,其内壁面热流密度分别为 12.99 W/m2、13.56 W/m2、13.88 W/m2。由于增加了相变层的厚度,相当于增加了墙体的热阻,导热系数分别为0.2 W/(mK)、0.3 W/(mK)的相变材料在蓄能结束时均未完全融化,且导热系数为0.3 W/(mK)的相变材料融化程 度 大 于0.2 W/(mK);PCM导热系数为 0.4 W/(mK)的相变材料在蓄能结束时能完全融化,故在蓄能结束时其壁面热流密度最大。图4 不同导热系数下墙体内壁面热流随时间变化曲线92区域供热 2023.4 期从图 4 可知:增大相变材料的导热系数能够缩短相变时间,相变材料的导热系数越大,墙体内壁面热流越大,即墙体内壁面热流随 PCM 导热系数的增大而增大,并且导热系数对蓄能阶段的影响较大,对释能阶段影响较小。在导热系数不变时,增加相变层厚度对于导热系数较小的 PCM 墙面热流影响较小,可以考虑在 PCM 导热系数较大的条件下增加相变层厚度。3.3 相变材料层液相率分布液相率是相变材料融化部分质量与总相变材料质量的比值,反映了相变材料的融化情况,液相率在 01 间取值,液相率为 0 代表相变材料呈完全凝固状态,液相率为 1 代表相变材料呈完全融化状态。不同导热系数和相变层厚度构成的不同组合的相变墙体,其液相率随时间的变化如图 5 所示。从图 5 可知:导热系数不变时,PCM 厚度越大,在相同的时间内液相率越低,增加相变层厚度意味着增加了墙体热阻,在蓄能时对相变墙体是不利的,并且在导热系数较小时,PCM 不能完全融化。导热系数变化时,以PCM 厚度 20 mm 为例,其在 0.2 W/(mK)、0.3 W/(mK)、0.4 W/(mK)的导热系数下均能完全融化,完全融化时间分别为 24980 s、19 160 s、16 330 s。随着导热系数的提升,完成相变的时间越来越短,但完成相变的时间过早会导致热量以显热的方式传递给 PCM并逐级传至室外,造成资源的浪费,因此在增大导热系数的同时可以考虑增加相变层厚度,使相变完成时间与供热时间基本一致。3.4 相变潜热对墙体传热特性的影响在导热系数、相变温度等不变的条件下,相变材料的蓄放热能力受相变潜热的影响。本小节以相变材料导热系数 0.4 W/(mK)、相变层厚度 30 mm 为例,对相变潜热分别为160 kJ/kg、180 kJ/kg、200 kJ/kg 三种工况下的供暖特性进行数值模拟,结果如图 6、图 7、图8 所示。图5 不同导热系数下相变材料液相率随时间变化曲线图 6、图 7、图 8 分别为不同相变潜热下墙体内壁面温度、热流密度和相变层液相率的变化曲线。可以看出:增大相变潜热减缓了相变过程,在相同时刻,内壁面温度和热流在蓄热阶段下降,释热阶段上升,提高了室内的热稳定性和舒适性,相变潜热对室内温度和热流密度的影响较小。原因在于:增大相变潜热使相变材料蓄能更多,完成相变的时间更长,在蓄能阶段内壁面的温度和热流就更低,释能时由于蓄热多,因此墙面热流和温度就更高。03区域供热 2023.4 期图6 不同相变潜热下墙体内壁面温度随时间变化曲线图7 不同相变潜热下墙体内壁面热流随时间变化曲线图8 不同相变潜热下相变材料液相率随时间变化曲线4 结论(1)相变层厚度和相变材料导热系数对墙体传热性能影响较大,每个导热系数都对应着最佳相变层厚度,导热系数 0.2 W/(mK)、0.3 W/(mK)、0.4 W/(mK)对应的最佳相变层厚度分别为 20 mm、25 mm、30mm。(2)相变材料的导热系数越大,蓄能时间越短,墙面热流密度和温度越大。在相变层厚度较小时,相变完成时间过早,易造成资源的浪费。(3)相变潜热越大,墙面热流密度和温度越稳定,室内舒适度越好,增大相变潜热能使墙体轻薄化,节约材料成本。参考文献 1巫洋茜,谢东,王汉青.相变蓄能墙体在主/被动建筑中的应用现状 J.建筑热能通风空调,2021,40(6):89-94+100.2樊智轩,赵运超,丁云飞,等.相变储能材料用于建筑墙体的研究进展 J.化工新型材料,2022,50(7):225-228.3闫全英,王晨羽,梁高金,等.用添加剂强化有机相变材料导热性能的研究 J.太阳能学报,2021,42(9):205-209.4孔祥飞,姜丽娜,任键林.基于复合相变材料的梯级相变辐射末端实验研究 J.河北工业大学学报,2022,51(3):52-63.5LU S L,TONG H J,PANG B.Study on the coupling heating system of floor radiation and sunspace based on energy storage technology J.Energy and Buildings,2018,159:441-453.6胡自成,杨晨,郭兴龙,等.低质水套管式相变墙体的热性能模拟 J.江苏大学学报(自然科学版),2023,44(2):242-248.7见禹,陈宝明,张明,等.含穿孔翅片腔体中石蜡相变传热特性研究 J.区域供热,2023(1):29-40+52.8 GOVINDASAMY D,PANWAR V.Effect of variation in thickness of phase change material on temperature across the composite building wall J.Materials Today:Proceedings,2021,45:10221-10226.9夏燚,姚文超,张小松,等.双层相变蓄能地板供冷暖末端设计与模拟 J.化工学报,2014,65(S2):240-247.10赵春雨.太阳能相变蓄热墙冬季供暖与夏季降温的性能研究 D.天津:天津大学,2016.11周莹,王双喜,刘中华,等.基于 ANSYS 的日光温室复合相变保温墙体的模拟研究 J.太阳能学报,2020,41(4):113-122.13区域供热 2023.4 期