第29卷第4期 苏州科技学院学报（工程技术版） Vol. 29No. 4 2016年12月 Joumal of Suzhou University of Science and Technology (Engineering and Technology )Dec. 2016 一种新型相变围护结构的热性能研究 朱信宇，孟二林，曹闫，倪荣妹，张威威，陈建梅 （苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州215009） 摘要：我国夏热冬冷地区的气候特点是夏季阅热，冬季湿冷.
一种新型的相变围护结构（组合式相变围护结构）被 提出，利用显热容法建立了相变围护结构的传热模型，在此基础上利用数值模型对组合式相变围护结构在上海地区 典型气候条件下的室内空气温度和围护结构内表面热流密度进行了模拟，并将模拟结果与普通围护结构进行了比 较，结果显示这种新型相变围护结构可以有效改善冬季和夏季的室内热环境.
关键词：组合式相变围护结构：冬季和夏季：空气温度：热流密度 中图分类号：TK02文献标识码：A文章编号：1672-0679（2016）04-0017-05 利用相变储能建筑材料构筑建筑围护结构可以增加围护结构的热情性，提高蓄热能力；可以与建筑物供 暖、空调系统结合使用，缓解建筑物的能量供求在时间和强度上不匹配的矛盾，起到电力“削峰填谷“的作用： 可以减少外墙厚度，从而达到减轻建筑物自重、节约建筑材料的目的.
因此，日益受到国内外学者的重视，成 为目前国内外研究的热点问题 Athienitis通过研究得出相变墙体应用于被动式太阳房的内墙时，白天室温比常规墙体低4℃，而夜间 放热可以延续7h以上，夜间相变墙体表面温度比常规墙体高3.2℃m.
IbanezM将相变材料与混凝土进行掺混并将其布置在西墙和屋顶，结果显示最佳的相变温度在25- 27.5℃，相变墙体最大可以使室内温度降低3C".
StrihU研究了该相变材料与夜间通风联合应用时室内 的空气温度、热流等参数".
他们指出如果要获得充分的传热量，空气温度和相变材料的相变温度之差应为 3-5C.
BogdanM提出了双层相变围护结构的概念，研究显示双层相变材料能减少冬夏的室内负荷，有利于 全年节能".
JinX在地板了布置了两种相变温度的相变材料，并指出地板采暖时，相变材料最佳相变温度为 38°℃C；地板供冷时，相变材料最佳相变温度为18℃CHelmut等人研究了相变温度为25°C的石蜡做成的围护 结构与夜间通风联合使用时室内空气温度、墙体表面温度等参数.
结果表明，该相变墙板可使室内空气温度 波幅下降2-3C.
Kalousck和Hirs对应用了PCM墙板的房间屋顶进行了模拟，通过对夏季两个房间的热舒 的热舒适性，并且房间表面的温度和空气温度分别降低了3.5℃和2.1℃.
张群力对结合夜间通风的相变围 护结构的热性能进行了理论研究和模拟分析，指出相变墙适用于平均温度低于25℃、温差较大的气候条件 很难找到一种材料同时满足全年舒适性.
由上述可见，相变围护结构不论是在被动式建筑中改善室内热环境还是在主动式建筑中减小室内负荷 方面都有积极作用.
另外，早期的研究多是针对相变围护结构在某一个季节的应用，近期已经有越来越多的 学者开始关注相变围护结构全年的应用效果.
该文构建了一种组合式相变房间模型，利用显热容法建立了 相变围护结构的传热模型，在此基础上利用数值模型对组合式相变国护结构在上海地区典型气候条件下的 热性能进行了模拟，并将模拟结果与普通围护结构进行了比较.
[收稿日期] 20160809 [基金项目]江苏省自然科学基金项目（BK20160354）：江苏省大学生创新创业训练计划项目（201610332066X） [作者简介]朱信宇（1992-），男，江苏徐州人，在读本科生.
通信联系人：孟二林（1982-），男，讲师，博士，主要从事相变储能技术的研究，Emilm20_nju126.
18 苏州科技学院学报（工程技术版） 910 1 实验台的搭建 实验设备包括一个普通房间以及一个组合式相变房间，两房间的尺寸都是1mxlmxlm，在两房间的南 墙上都有一面双层玻璃窗户，窗户尺寸为0.7mx0.7m.
组合式相变房间中两种相变材料在室内的布置方式 见图1，其墙体结构如图2所示.
实验中使用的两种相变材料分别为RT18和SP29，相变材料封装方式为铝 板宏观封装.
两种相变材料的物性参数见表1.
calins PCM leyer (SP29) SP29) (RT18) oorth RTIB) Outdoor floor (SP29) 图1两种相变材料在室内的布置 图2相变围护结构的形式 75mm 表1相变材料的物性参数 相变材料 物性参数 数值 相变材料 物性参数 数值 相变温度/C 190 29 相变温度/C 18 相变潜热x(J-kg) 相变潜热 (kJ-kg) 225 SP 29 比热AkJ(kg-C)) 2000 RT 18 比热 /(k-(kgC)) 1530(s) 2 000 密度 Akg-m) 密度 gm) （s）088 导热系数AW-(mK)) 1 520(1) 导药系致xW-(mK）） 0.6 0.2 2相变传热数值模型建立与验证 2.1数值模型的建立 在建立相变围护结构数值模型的过程中作以下假设：（1）相变围护结构内的传热过程为一维：（2）墙 体材料都是各向同性的：（3）忽略相变材料在融化过程中的自然对流和凝固过程中的过冷效应.
该文选择使用显热容法建立相变围护结构传热的数值模型如下： dx" (1) 其中边界条件为 o=g1 (2) dx (3) 式中p为相变材料密度，kg/m²；c为相变材料比热，kJ/（kgC）；为相变材料温度，℃C；A为相变材料导热系 数，W/（m-K）；q:为x=0边界处热流密度，W/m²，q.为x=L边界处热流密度，W/m².
其中液相百分比的定义为 0 1 0.5r 式中，为相变温度，C；△为相变区间，C；c 为液相或固相相变材料的比热，J/（kg℃C）；M为相变潜热，kJ/ kgf为液相百分比 该文借助于瞬时系统模拟程序TRNSYS（Transient System Simulation program）平台，根据以上显热容法
第4期 朱信宇，等：一种新型相变围护结构的热性能研究 19 建立的相变围护结构的传热模型，通过FORTRAN语言在TRNSYS中建立了新的相变围护结构的传热模块， 并将该文建立的新模块与TRNSYS中的“多区域建筑模型"（type56）联合运行计算，这样便可以模拟组合式 相变围护结构下室内的空气温度及热流密度等参数.
2.2数值模型的验证 根据实验中测量的气象参数以及组合式相变房间、普通房间的参数，利用TRNSYS中建立的相变传热模 型，该文模拟了实验条件下的室内空气温度以及围护结构内表面热流密度，并将模拟结果与实验结果进行了 对比，对比结果见图3.
-吾通病间室通-拟值 警通房间空准-实验例 →相交病间室通-衡拟值 OS 营通房间内表面热值-实验售 宝外气 太阳楼保度 相交房闻六面热拟 0 250) 1500 212748002012742090201275800201275200020127600 时间 /h 时间 /b 图3实验结果和数值计算结果的比较 从图3中可以看出：普通房间和组合式相变房间的室内空气温度以及内壁面热流密度的实验结果和数 值计算结果都具有较好的吻合度.
说明该文建立的组合式相变房间围护结构的数值模型可以用于其传热性 能的描述.
3典型气候条件下组合式相变房间热性能模拟 为了更加深入的研究组合式相变房间围护结构和普通围护结构在不同季节下换热性能方面的差别，选 取了夏热冬冷地区的上海作为研究对象，其典型年气候条件下的室外空气温度以及太阳辐射强度见图4.
由 于东墙和北墙是RT18的相变材料，而屋顶、地板和西墙是SP29的相变材料，在夏季时RT18的相变材料基 本处于液态（液相百分比为1），而在冬季时，SP29的相变材料基本处于固态（液相百分比为0），因此在分析 液相百分比时，夏季仅仅针对含有SP29的屋顶，冬季仅仅针对含有RT18的东墙 (e) 2000 (b)5 室外空气温度-大阳辐射强度 室外空气通度 -大阳辐针强度 2000 00 1300 6 1 24487296120144168192216240 时间% 961911第0 图4上海地区典型年夏季（a）和冬季（b）室外空气温度和太阳辐射强度 时间 3.1室内空气温度模拟 图5为两房间室内空气温度以及屋顶SP29和东墙RT18的液相百分比.
在夏季时候，组合式相变房间 的室内空气最高温度为56.5℃，最低温度为27.4℃，而普通房间的室内最高和最低气温分别为59.7℃和 26.3℃.
在冬季条件下，相变房间室内最高温度为30.7°℃，最低温度为7.5℃，普通房间室内气温的最高和最 低值为41.8℃和4.4℃.
相变房间可以在夏季减小室内温度变化幅度达4.3℃，在冬季减小室内温度变化幅 度达14.2℃.
20 苏州科技学院学报（工程技术版） 910 (a)" 67 b) 东港柜支村科查相百分比 E S K& 内 2) H 组台式相交度间 85 星顶相变材料液相百分此 -0 时间 /h 图5夏季（a）和冬季（b）情况下两房间的室内空气温度以及相变材料的液相百分比 相变房间在冬季减小室内温度波动的作用更显著的原因主要是，冬季条件下RT18的相变材料每天都 发生相变作用，而在夏季条件下，SP29的相变材料在大约两天后就全部融化了，而且在后面的几天中一直处 于液态，没能发挥其相变储能的作用.
3.2墙体内表面热流密度模拟 图6为屋顶和东墙内表面热流密度的变化以及SP29和RT18的液相百分比.
在夏季工况下的开始阶段 白天的时候，相变房间屋顶内表面的热流密度为负值，这表明相变材料从室内吸热.
在夜晚的时候，相变房 间屋顶的热流为正值，屋顶向室内放热，但是由于夜晚时候相变房间的室内空气温度比较接近29℃，因此夜 晚时候相变房间屋顶向室内的放热的热流密度比较小.
(a)” (b)30 水级热值 57 9121 时间 / 时间h 图6夏季（a）和冬季（b）组合式相变房间屋顶和东墙内表面的热流密度及液相百分比 夏季工况下，相变房间东墙内的RT18都为液态，没有发生相变，因此东墙内表面白天的热流密度为正 值，夜晚时候的热流密度为负值.
在夏季的后面几天，当SP29相变材料的液相百分比为1时（全部融化），相 变房间屋顶内表面的热流密度方向和东墙内表面的热流密度方向基本相同.
即在开始阶段组合式相变房间 在冬季条件下，相变房间屋顶的SP29基本一直处于固态，没有发生相变，因此屋顶内表面的热流密度 方向仅仅取决于室内外空气温度的高低.
但是RT18在每天的白天吸热融化，夜晚放热凝固，起到了相变储 能的作用，使得东墙内表面热流密度的方向和室内外温差呈现出相反的方向.
组合式相变房间围护结构内 表面的传热表现为“异向传热”.
4结论 （1）在上海地区典型年气候条件下，相变房间可以在夏季减小室内温度变化幅度达4.3℃，在冬季减小 室内温度变化幅度达14.2℃.
冬季和夏季的室内热环境都得到了一定的改善.
（2）当组合式相变围护结构内两种相变材料一种发生相变，另一种不发生相变时，两种围护结构内表面 的热流传递表现为“异向传热”，当两种相变材料都没有发生相变时，两种围护结构内表面的热流传递表现为 “同向传热”.
该文只对实验的建筑类型进行了实验和模拟研究，当组合式相变的构思应用于其他类型建筑，比如多层
朱信宇，等：一种新型相变围护结构的热性能研究 21 建筑时，文中所建立的数值模型仍然可以为其传热性能的研究提供平台.
该文的研究成果可以为组合式相变 围护结构的设计提供参考.
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