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相变蓄热墙板微/宏观优化及其对墙体热工性能的影响

王梦媛  
【摘要】:相变材料应用于围护结构的原理是通过其物态变化缓解建筑用能在时间和空间上不匹配的矛盾。采用相变材料提升围护结构的蓄热性能,能够最大程度的的通过围护结构本体利用自然资源,进而降低建筑用能。但目前广泛应用于建筑节能领域中的有机相变材料存在导热性能差以及应用方式不合理,与围护结构结合后会出现蓄放热过程不及时、潜热利用率低等问题,其特有的潜热特性对室内热环境的调控能力难以有效、稳定并长期的发挥。本文从建筑热工学的角度出发,基于现有的相变蓄热墙板提出一种与轻质墙体表面结合的优化相变蓄热墙板。分别从相变材料本身的微观层面和相变蓄热墙板的宏观层面开展理论分析、实验研究和数值模拟,针对有机相变材料的导热性能提升方法、相变蓄热墙板内部结构的传热强化及不同复合墙体(相变蓄热墙板复合墙体)构造形式的动态热特性进行研究。主要研究工作及结果如下:(1)基于工业级石蜡,采用碳纳米管作为微观导热提升介质。结合物理分散和化学分散的制备方法,通过分散效果的视觉观察和紫外可见光光谱仪吸光度的表征确定了复合相变材料中不同成分的最佳配比;通过关键热物性参数的测试获得复合相变材料液态和固态的导热系数,相较纯石蜡分别提升了18.9%和21.1%,平均潜热值为122 kJ·kg~(-1),能够满足相变蓄热墙板的使用需求且具备良好的热稳定性;纯石蜡和复合相变材料的蓄热和放热过程的红外热成像测试对比结果表明,复合相变材料在熔化和凝固过程的传热速率均优于纯石蜡,且在熔化过程能够抑制自然对流对传热的不利影响。(2)通过多物理场耦合的COMSOL Multiphysics有限元软件建立相变蓄热墙板复合轻质墙体的数值模型。以蓄热过程为例,分析并探讨了相变材料液相自然对流对相变蓄热墙板传热模拟的必要性。借鉴换热设备中肋片的设计原理,以相变材料的完全熔化时间、相变蓄热墙板传热面温差及熔化均匀度作为传热强化的评价指标,以此确定肋片的最佳参数。模拟结果表明,在相变蓄热墙板现有的封装体积下,当肋片间距为5 mm、长度为8 mm、厚度为0.2 mm时,其蓄热和放热性能最佳。(3)以深圳夏季典型日的自然通风和空调房间的室内外周期热作用作为相变蓄热墙板复合轻质墙体的边界条件,首先通过轻质墙体的表面温度累计平均值确定不同工况、墙体构造下相变蓄热墙板的最佳相变温度,通过复合墙体内表面蓄热系数和相变材料的潜热利用率确定相变蓄热墙板的最佳厚度。其次,对比分析了相变蓄热墙板优化前后的复合墙体在不同周期热作用和不同构造下的动态热特性、蓄放热特性和热工性能,通过墙体内外表面的温度、热流密度的变化规律定量分析了室内累计得热量、墙体逐时传热量和蓄放热总量。最后,综合评价并获得了优化相变蓄热墙板复合墙体在不同房间运行模式下的最佳构造形式。模拟结果表明,优化相变蓄热墙板内置时对室内热环境的调控效果优于外置,优化相变蓄热墙板复合墙体在自然通风房间的应用效果最好,在相变材料用量相同的条件下,相较未优化相变蓄热墙板复合墙体的内表面温度波幅降低了0.4℃,24 h周期内室内累计得热量降低了7.8%,白天的蓄热总量增加了8.8 kJ·m~(-2),夜间的放热总量增加了15.2kJ·m~(-2),具备更好的热稳定性和蓄放热特性,有效实现了夏季对墙体“白天蓄热好、夜间散热快”的热工需求。


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