相变材料特性对建筑围护结构传热的影响

摘要：采用有限容积法对选用相变材料时建筑围护结构的传热问题进行数值研究。利用“焓法模型”
进行求解，得出如下结论：随着相变层的增厚，相变层内侧温度变化越小，稳定时间在增加；随着相变
温度的升高，相变层内侧温度变化比较大，稳定时间在缩短，相变温度主要影响相变层的稳定时间；随
着相变游热量的增加，相变层内侧温度变化较小，稳定时间增长。由此可见，不同相变材料的潜热量
对传热的稳定时间有直接影响；当导热系数较小时，固体层内侧温度变化较小，稳定时间比较长；当导
热系数较大时，全天都可以较快地进行热传递，从而导致温度变化比较大；相变半径的影响可以不予
考虑。

引言
现有保温材料多为普通材料，其热容比相变材料小。采用热容较大的相变材料作为外围护结构，可以改变建筑环境内的温度分布，减小温度波动。相变材料将是墙体保温的发展趋势。但是对于不同的相变材料，由于固体层厚度、导热系数、相变潜热、相变半径、相变温度等存在不同的影响，所以对固一液相变的传热模型进行分析至关重要。本文重点通过数值计算的方法对固一液相变的非稳态传热过程进行分析求解，讨论不同固体层厚度、导热系数、相变潜热、相变半径、相变温度等因素对相变传热的影响。
关于相变墙体传热问题，国外学者已进行了一些相关研究。相变墙体传热理论研究与模拟的难点在于相变材料求解域中存在一个运动的界面，即在相变材料的熔化和凝固过程中，其固体和液体边界是运动的，且运动取决于其潜热被吸收或释放的速度，故其边界的位置是未知的。Carbonari…等人将相变材料与建筑墙体相结合，以减小冷负荷，或在不开空调器时显著提高热舒适性。Grassi心1等人采用基于时间序列的统计方法评价了相变墙体的热性能，并通过试验验证了建筑构件动态传热的物理模型。Dariusz旧1等将相变石膏板墙体应用于自然通风被动太阳房中，模拟研究了其热特性。结果表明，在过渡季节，相变材料有效蓄存了太阳能，但没有明显减缓室温波动。他们还评价了供暖季、供暖初期和供暖末期的能耗，指出在供暖季，当相变材料熔化温度为22℃，如高于供暖室内设定温度2。c时，储存在相变石膏板墙板中的太阳能有时可以减少供暖能耗高达90％。
国内关于相变墙体传热的研究较少，ChenHl等采用有效热容法求解一维非线性相变问题，模拟分析了新型相变储能墙板的传热特性，研究了相变材料的相变温度、相变比焓、比热容、密度、导热系数以及相变材料厚度对相变墙房间供暖季的热稳定性和能耗的影响。结果表明，相变温度和相变比焓是影响冬季供暖节能率的主要因素，相变材料厚度的影响很小。叶宏bo等分别采用有效热容法和焓法对石蜡定形相变材料的传热过程进行了模拟分析，发现只要在焓法中将相变半径按照差式扫描量热仪测试结果取值，两种方法的结果一致。文献[6]基于集总参数法和矩形相变等效比热容假设建立了相变材料的相变过程温度模型，并研究了环境温度、相变潜热、相变温度范围和换热效率等多种因素对相变的影响。
1基本模型与数学描述
1．1问题描述与模型
固一液相变传热模型如图l所示。左侧高温壁面瓦=370C，右侧低温壁面瓦=17℃，上下壁面绝热。整个相变层初始温度为17℃，相变层的无量纲厚度为6。

1.2相变传热过程的求解方法
实际上，对于相变直接求解是很困难的。为了简化计算，期望在整个区域（包括固相、液相和固-液共有区)内建立一个统一的控制方程，例如根据有限差分法求解的“焓法模型”和“显热容法模型”7。
熔法模型：

焓法模型引入了热焙，采用焓和温度同时作为待求参数。由于相变界面上温度随时间的变化曲线是间断的，但是焙随时间的变化曲线是连续的，因此用数值方法求解焓分布时不需要跟踪两相交界面，从而使液相区和固相区统一处理成为可能。求得焓场和温度场后，即可确定相变界面的位置。

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