添加相变石蜡RT28的建筑墙体的传热性能分析

吴晓东，雷　声，*，朱银峰，潘　勇，王　雅,沈振豪

(1安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601;2安徽建筑大学 机械与电气工程学院，

安徽 合肥 230601;3安庆市住房和城乡建设委员会，安徽 安庆 246001)



添加相变石蜡RT28的建筑墙体的传热性能分析

吴晓东1，雷声1，2*，朱银峰2，潘勇3，王雅2,沈振豪2

(1安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601;2安徽建筑大学 机械与电气工程学院，

安徽 合肥 230601;3安庆市住房和城乡建设委员会，安徽 安庆 246001)

摘要：相变材料作为一种新型的功能性材料在建筑节能领域被人们逐渐认识并开始重视。为了解相变储能材料的节能效果，通过ANSYS有限元软件对比分析相变储能墙体与普通墙体的传热效果。模拟结果显示：混凝土墙体在降温的过程中，加入了相变石蜡RT28的墙体平均温度要比普通墙体的平均温度高出约3 ℃，而且在相变墙体的峰值温度附近温度下降趋势比较平缓，这表明相变材料有阻碍温度变化的效果，可以使环境温度保持稳定，既舒适又节能。

关键词：相变储能材料；节能；模拟；传热

随着社会的进步，人类对能源的需求日益增加，对能源的利用率提出了越来越高的要求。储能技术“削峰填谷”的作用对提升能源的利用效率具有重要意义。

本研究研究一种新型材料——相变储能材料，将相变储能材料加入到普通混凝土中制成相变储能建筑墙体，利用相变材料的蓄热、放热特性，可以调整、控制建筑物内部及周围环境的温度，减轻能源供求在时间和速度上的不匹配，使建筑物达到自调温效果[1]。对于这项研究，目前国内已有学者展开了详细的ANSYS的数值模拟和实验研究。ANSYS最强大的热分析功能之一就是分析相变问题,而相变问题一般都是一种非线性的瞬态热分析问题[2]。非线性与线性问题的唯一差别在于非线性问题需要考虑相变过程中吸收或释放的潜热[3-4]。郭志强等[5]利用ANSYS有限元软件对相变材料的相变过程进行了模拟分析，并且通过实验验证，模拟计算结果表明，ANSYS模拟结果和实验结果基本一致。孙潇和邹钺[6]利用ANSYS 强大的非线性分析功能，对相变材料的温度变化过程进行了简单的模拟，将石蜡与石膏混合后制成复合相变墙体，通过简化复合材料的物理模型并仿真了墙体温度的变化过程。研究结果表明，在一侧受热的情况下温度沿厚度方向逐渐升高，但是升高速率缓慢，肋片状结构有助于相变材料吸热融化、储存潜热，提高吸收效率。

以上实例表明，ANSYS软件已经能够模拟仿真加入相变储能材料的温度变化规律。本研究将相变储能材料RT28加入到普通墙体中，通过观察墙体内部受热情况，分析相变储能材料的储能特性。

1墙体传热的数学模型

墙体传热采用长方体模型，长方体中间部分为相变材料RT28，左右两边是混凝土墙体。左边部分作为外层面向室外，与露天环境接触；右边部分作为里层面向室内。

相变材料导热方程：

(1)

1)第1类边界条件是墙外层与室外环境界面的温度T|x=0=TW(t)。

本次模拟实验计算所采用的外界日常温度变化示意图如图1所示，最低温度为22 ℃，最高温度为36 ℃，日气温最大变化温差为14 ℃ 。

2)第2类边界条件为室内环境温度与墙体内部的接触面温度，即给定的环境温度和与墙体的对流交换系数q''|X=L=h[T(L,Y,t)-T∞]。

3)初始条件。

初始温度取：T(x,y,0)=T∞。

2计算分析

2.1实验步骤

模型尺寸为：120 mm×15 mm×35 mm；单元类型：Solid 70(由于本次模拟主要是热分析，对于墙体使用实体单元更方便)；单元边长：1 mm，采用映射网格划分单元。定义室内初始温度：20 ℃；蒸压加气混凝土初始温度：17 ℃；在有限元模型的两端分别设置边界条件，同时在中间相变材料部分和两边的墙体部分交界处设置对流交换系数为0.86。求解步长为240 s，求解时间为86 400 s,每隔5步保存一次数据。

2.2墙体传热分析

相变储能混凝土墙体和普通混凝土墙体室内外空气对流换气系数不同，使得墙体表面温度有所不同[8]。相变混凝土墙体的内部温度分布云图如图2所示。图2(a)～(b)分别是选取T=480 s和T=86 400 s时刻的墙体内部温度分布云图，显示外界热量从墙体的外表面通过墙体内部传导至墙体内表面，中间经过了相变材料部分。相变材料的全部融化过程所用时间经历了32 000 s，而所有凝固过程所用时间持续了20 000 s。普通混凝土墙体T=480 s和T=86 400 s时刻的温度分布云图如图3所示。

在传热初期两者区别不大，但随着时间的推移，传热发生了明显的变化，从图2(b)与图3(b)中可知，前者在热量经过相变材料时有一区间的温度基本保持不变，原因是随着温度的降低，相变石蜡凝固并释放出热量，使得墙体的温度降低得到延缓，使周围温度恒定一段时间，直到石蜡完全融化为止。随着时间的推移，直到相变石蜡完全凝固时，温度才逐渐降低，表明相变材料能保持某一温度范围，从而实现保温、节能的效果。

2.3分析结果与实验结果比较

相变混凝土墙体表面温度分析结果与实验结果[9]的对比如图4所示，红色曲线表示实际测量结果，黑色曲线表示分析结果。从图4中可以看出模拟数值结果与实验结果存在一定的误差，其主要原因是相变材料在发生相变阶段和相变结束的时期，模拟时相变材料的状态转换时间比实际实验时所需要的时间要长，以致热量的传递、吸收和释放都存在延迟现象。图5是普通混凝土墙体的表面温度曲线对比情况，由图5可知，2种墙体的模拟结果基本吻合，且最大误差不超过2%。

图6是相变混凝土墙体和普通混凝土墙体表面温度的数值模拟结果对比，由图6可知加入相变材料RT28的墙体温度要比没有添加相变材料的普通墙体的温度平均大约高出3 ℃，而且在相变墙体的温度峰值附近相对于普通墙体所对应的温度比较平缓，表明其温度下降程度得到了延迟，即延长了某一温度范围时间。随着环境温度的不断变化，直到超过了材料的相变温度区间，相变墙体的表面温度才逐渐下降。

3结论

1)加入相变材料RT28的墙体温度要比没有添加相变材料的普通墙体温度高3 ℃。

2)相变混凝土墙体的温度峰值相对于普通墙体所对应的温度比较平缓，说明该温度峰值可保持一段时间，即延长了某一温度范围时间。

3)相变混凝土墙体可以降低室内温度变化幅度，缓解房间的热量流失，既环保又节能。

参 考 文 献

[1]D C Hittle C,T L Andre.A new test instrumentand procedure for evaluation of fabrics containing phase-change material[J].Ashrae Transactions,2002,108:175-182.

[2]邵蕴秋.ANSYS 8.0热分析教程与实例解析(下)[M].北京:中国铁道出版社,2004：70.

[3]金丽丽.相变墙体的实验研究与数值模拟[D].北京:北京建筑大学,2013.

[4]胡小芳,肖迪.基于ANSYS的相变储能建筑材料温度响应特性的研究[J].材料导报,2009,23(22):83-86.

[5]郭志强，吴文健，满亚辉，等.基于ANSYS有限元方法对相变材料相变过程的分析[J].新技术新工艺，2007(11):87-89.

[6]孙潇，邹钺.相变墙体温度变化的计算机模拟[J].建筑节能,2010,38(9):58-60,65.

[7]柴国荣. 基于ANSYS的相变墙体传热特性计算分析[J].新型建筑材料,2011(1):79-81,85.

[8]张盼.建筑用新型复合相变材料储能过程的模拟及实验研究[D].重庆:重庆大学,2014.

[9]石超. 相变储能材料RT28在建筑墙体中的应用研究[D].合肥：安徽建筑大学，2015.

(责任编辑吴鸿霞)

Analysis of Heat Transfer Performance of Building Wall with Paraffin RT28

WuXiaodong1,LeiSheng1，2*,ZhuYinfeng2，PanYong3,WangYa2,ShenZhenhao2

(1School of Civil Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei Anhui 230022;2School of Mechanical and Electrical Engineering,

Anhui Jianzhu University,Hefei Anhui 230022;3Anqing Housing and Urban-rural Construction Committee,Anqing Anhui 246001)

Abstract：As a new functional material,phase change material plays an increasing important role in the field of building energy-saving.In order to understand the energy-saving effect of the phase change energy storage material, heat transfer effect of phase change energy storage wall is analyzed and compared with ordinary wall through the finite element software ANSYS.The simulating results indicate that the average temperature of the wall with the change paraffin RT28 is about 3 ℃ higher than the average temperature of conventional wall,in addition, the downward trend of the peak temperature of the phase change wall is not remarkable,which means the peak temperature can last much longer time.As a result, phase change materials have heat-insulating effect on the temperature change,which can keep the environment temperature stability,both comfortable and energy saving.

Key words：phase change energy storage material;energy saving;simulation;heat transfer

中图分类号：TU59

文献标识码：A

文章编号：2095-4565(2016)02-0033-04

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.02.008

*通讯作者：雷声,教授，博士，研究方向:材料科学和材料成形技术。

作者简介：吴晓东，硕士生。

基金项目：安徽省科技厅2013年度第二批科技计划项目(项目编号：1305073037);2015年度安徽省自然科学基金项目(项目编号：1508085ME84);安徽省高等学校省级自然科学基金重点项目(项目编号：KJ2014A040)。

收稿日期：2015-10-12