定形相变板材制备及相变墙体热工性能研究

刘瑞丽，高琼旻，马 静，王 薇

(河南工业大学 土木工程学院(建筑学院筹)，河南 郑州 450001)

0 引言

中国是世界能源消费大国，其中建筑能耗占全国总能耗的30%以上。2017年全国总建筑面积已高达630亿平方米，非节能建筑占比达99%[1]。因此,大力发展建筑节能技术，尤其是对已有高能耗建筑进行升级改造，显得至关重要。

建筑围护结构的热工参数是建筑能耗的关键影响参数。现有的节能方式是在基层围护结构上增设保温隔热层，如轻质多孔材料、聚苯颗粒混合物砂浆等[2]，这些材料密度小、导热系数低，在一定程度上能增加墙体传热热阻，但其蓄热性能的提升仍难以满足节能要求[3]。在温度不变或变化较小的情况下，相变材料能够通过相态变化吸收并暂存大量热量。将相变材料应用于建筑围护结构中，通过潜热的吸收或释放，可以改变墙体的传热特性，增加热惰性，降低建筑制冷或供暖负荷，因此，相变蓄能技术与建筑围护结构相结合是实现建筑节能的有效途径。涂航等[4]将宏观封装的相变材料颗粒与混凝土混合,制备出储能墙体，降低了室内温度波动和冷热负荷。陈潇囡等[5]对比了相变墙体与普通墙体的传热性能，结果表明，石蜡类相变墙体蓄热能力更优，室内温度波动幅值可控制在±2.5 ℃。刘朋等[6-7]模拟研究了相变墙体的温度衰减倍数、延迟时间等指标，结果表明，相变材料的加入有效提高了室内环境舒适性。上述研究已证实相变储能墙体可有效改善围护结构热工性能，从而降低建筑能源消耗。

但是，目前相变材料在建筑围护结构中并没有得到广泛应用，主要是因为相变材料面临易泄露、热导率低、热工参数不匹配、与建材混合技术不成熟等问题[8]。在蓄热过程中相变材料转化为液态时，会发生流动和泄露。在建筑墙体中，现有相变材料的封装技术包括相变微胶囊、表皮物理封装等，技术成本较为复杂，工程应用较难推广。低热导率易引起相变材料潜热容利用效率低，难以发挥节能优势。现有热导提升技术多采用添加石墨法，效果有限[9]。要发挥相变建筑最佳节能效果，需根据气候特点、房屋功能选取适宜的相变温度、潜热等热物性参数。相变材料与建筑材料的组合形式直接决定了相变储能建筑技术的可行性。现有相变墙体的搭建一般采用封装相变材料颗粒与建筑材料混合，如刘朋[6]将砂浆混合相变材料构成节能型墙体抹灰层。田国华[10]以石蜡基相变陶粒与砂浆按比例配合制备出相变储能砂浆。Pomianowski等[11]将微胶囊封装的石蜡加入混凝土制备出相变混凝土。为保证力学强度，上述混合式相变墙体须控制相变材料含量，因而导致此类墙体相变潜热容较低，节能效果有限，并且较难应用于已有高能耗建筑的节能改造。制备相变板材，将其作为独立层嵌入到围护结构的内部空隙或外层表面，构成装配式相变墙体[12]，可简化储能墙体的搭建工艺，能够解决高能耗建筑节能改造的技术难题[13]。此类嵌入式相变墙体热工特性的研究多采用软件模拟，但高性能相变板材的成本较高，导致工程应用推广受限。针对上述问题，以某地高能耗建筑改造为背景，首先研究封装性能好、热导率高、相变潜热高的建筑板材的制备，基于该相变板材的热物性参数搭建相变墙体的传热模型，利用ANSYS软件模拟研究其传热特性，分析建筑热工参数和节能效果。

1 定形相变板材制备及热物性

1.1 定形相变板材制备

基于某地区夏季气温变化特性，本文选用高潜热工业级石蜡(相变点为26.2 ℃，相变潜热为201.6 J/g)为相变主体，高密度聚乙烯作为支撑材料，采用高温熔融融合法，设计出板材成形模具，制备定形相变板材。其中石蜡与高密度聚乙烯按照质量比为4∶1进行混合。结合文献[14]中复合相变材料的热导提升技术，选用3%(石蜡和高密度聚乙烯总质量的占比)的膨胀石墨作为导热增强剂添加至相变熔融混合液中。制备流程如图1所示。制备出的定形相变板材如图2所示。

图1 定形相变板材的制备过程Figure 1 Preparation process of shaped PCMB

图2 定形相变板材Figure 2 Shaped PCMB

1.2 定形相变板材热物性表征

采用差式扫描量热仪(DSC)测试相变板材相变温度和潜热。安特热物性测量仪(Quikline TM30)测量热导率。嵌入式(尤其是外贴式)相变墙体需确保相变板材具有高度封装性、相态转变时无泄漏。因此，本文采用恒温加热-称重法测量封装性能。

1.3 热物性测量结果

相变参数测量结果如图3所示。由图3可知，制备的相变板材相变温度与石蜡相变基体保持一致，为26.2 ℃，相变潜热较高为152.1 J/g。相变板材的热物性测量结果如表1所示。由表1可知，相变板材热导率为1.66 W/(m·K)，约为热导强化前的5倍。封装性能测试结果如图4所示，该定形相变板材在发生相态变化时宏观上仍能保持固体形态，并且重量无变化，持续加热至110 ℃时仍能保持原始形状，直至高温120 ℃才呈现出液态。由此可知，该相变板材具有优良的热物性参数和高度封装性能，可应用于高温夏季。

图3 相变板材DSC测量曲线Figure 3 DSC measurement curves of PCMB

图4 定形相变板材试样形态随温度变化Figure 4 Shaped PCMB morphology changing with temperature

表1 相变板材热物性参数Table 1 Thermophysical parameters of PCMB

2 定形相变墙体热工特性分析

2.1 定形相变墙体模型

2.1.1 物理模型

现有建筑多采用砖混-水泥抹灰砂浆结构，为便于其建筑节能改造技术的实施，定形相变板材直接装配于墙体外侧，构建装配式储能墙体模型，不加相变板材的普通墙体作为对照模型。基于定形相变板材实测物性参数建立传热模型，如图5所示，各层材料厚度及热导率如表2所示。外界环境温度从当地气象站获取，以2020年年度最高温度所在周为例，选取6月3日0时到6月6日0时的考虑太阳辐射的综合空气温度作为计算用室外环境温度。

图5 装配式定形相变墙体结构示意图Figure 5 Prefabricated phase-change wall structure

表2 相变墙体各层厚度及热导率Table 2 Thickness and heat conductivity of PCM wall

2.1.2 数学模型及边界条件

假定室外各处的空气瞬时、均匀一致地发生变化，即将外界空气作为一个整体来考虑。本文采用显热容法对墙体结构建立热传递平衡方程的数学模型。

砖混/抹灰层导热方程为

(1)

式中：λ1、ρ1、c2分别为砖混/抹灰层的导热系数、密度、比热容；τ为时间；t为温度。

相变层导热方程为

(2)

墙体外侧表面边界条件：

(3)

墙体内侧表面边界条件：

(4)

式中：hout为墙体外表面对流换热系数；tout为墙外温度；hin为墙体内表面对流换热系数；tin为墙内空气温度。

绝热边界：

(5)

(6)

初始条件：

t=t0，0 mm≤x≤300 mm，τ=0 s；

(7)

tin=t0，τ=0 s。

(8)

室内空气温度设定为恒温25 ℃，室内外壁面与空气自然对流系数hout、hin分别采用文献[3]数据17.5 W/(m2·K)、5 W/(m2·K)。利用ANSYS软件模拟计算该储能墙体传热过程。

2.2 定形相变墙体热工特性

2.2.1 传热效果

该装配式相变墙体与普通墙体的网格划分如图6所示，墙体第72 h的温度云图如图7所示，内壁温度随室外空气温度的变化关系如图8所示。由图8可知，随室外温度波动，墙体内壁面温度均发生波动，但相变墙体的温度波动较普通墙体滞后，如图7所示，同在第72 h，相变墙体高温区主要集中在墙体外部区域，而普通墙体高温区已传递至墙体中间部位。图8中相变墙体在温度达到相变点26.2 ℃时，温升速率开始降低，表明相变墙体的热惰性高于普通墙体，并且相变潜热在温升过程中发挥作用。同时，相变墙体内壁面温度波动幅度明显低于普通墙体，在48～72 h内相变墙体波动幅值约为0.8 ℃，而普通墙体约为1.5 ℃，表明相变板材提升了墙体的调温性能。

图6 墙体局部网格Figure 6 Mesh of local wall

图7 墙体72 h温度云图(℃)Figure 7 Temperature nephogram of wall at 72 h(℃)

图8 相变墙体与普通墙体随室外温度变化的关系Figure 8 Relationship between phase-change wall and ordinary wall with outdoor air temperature

通过墙体向室内的传热量为空调热负荷的重要组成部分。分别计算两类墙体在72 h内向室内的传热量，结果如图9所示。由图9可知，在不同的传热周期内，加入相变板材层的墙体向室内传递的热负荷较低。在第24、48、72 h时，两类墙体累计传热量对比如图10所示。可以发现，初始24 h内相变墙体的传热量由10.76 W/m2降至6.37 W/m2，降低了约40%，表明相变墙体具有优良的隔热性能。

图9 相变墙体与普通墙体向室内的传热量Figure 9 Heat transfer of phase-change wall compared with ordinary wall

图10 相变墙体与普通墙体24、48、72 h累计传热量Figure 10 Heat transfer of phase-change wall compared with ordinary wall at 24 h,48 h and 72 h

2.2.2 热工参数

热阻R、蓄热系数S24、热惰性指标D等是衡量墙体传热特性的关键参数。基于墙体各层材料的物性参数，结合模拟结果，采用GB/T50504《民用建筑设计术语标准》[15]中的公式进行计算。

(9)

(10)

D=∑Di=∑Ri·S24。

(11)

式中：i为第i层材料；λ为热导率；δ为材料层的厚度；ρ为密度；Z为传热时长；c为材料比热容。其中，相变材料在相变区间的比热容采用等效热容法计算，即将相变潜热折算成显热热容形式，为Cp+δ(T)ΔH，采用式(12)所示的高斯分布曲线进行拟合。

(12)

式中：T为温度；Tm为相变温度；2ΔT为相变温度区间。

相变墙体热工参数的计算结果如表3所示。由表3可知，虽然相变板材自身热导率最高，但由于厚度的原因，相变板材的加入将墙体总热阻提升了约4.0%。蓄热系数反映了谐波作用下材料表面温度波动速率，由计算可知，相变板材的蓄热系数为34.12 W/(m2·K)，明显高于砖混和抹灰层，表明相变板材的加入能提升总墙体的蓄热能力，降低墙体温度随环境温度的响应速率。总墙体的热惰性指标为42.51，较普通墙体提升了16.7%，表明相变板材的加入能够强化环境周期性温度波在墙体内部温度的衰减程度，提升墙体的热稳定性。

表3 相变墙体热工参数Table 3 Thermal parameters of PCM wall

2.2.3 经济性评价

以单户100 m2居民住宅在初始24 h墙体的传热量为例，层高取2.7 m，单一房间外墙宽取3 m，参考GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》[16]，窗墙比取0.35，则单户外墙总面积约为36 m2。由上述ANSYS计算结果可知，相变墙体单位面积可降低热负荷约4.39 W，则单户1 h可节约能耗约158.04 W。考虑到居民住宅多采用家用空调器调节室内温度，根据空调市场调研报告，三级能效占比最高。假定居民用户空调能效约为3.2，根据国标GB 21455—2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》[17]，制冷季节空调制冷运行时长约为1 366 h，按照居民用电每度0.56元，则整个制冷季节相变墙体可为单户节约空调耗电费用约为31.32元，表明相变板材有利于降低建筑使用能耗。

3 结论

实验研制获得了可装配式安装的高性能定形相变板材，相变潜热高，热导率得到大幅提升，封装性能好。基于该板材热物性参数，模拟研究相变储能墙体的传热特性，发现相变板材的加入可降低墙体内壁面温度波动幅度，削弱外界环境温度对室内温度的影响；可将围护结构热负荷降低约40%；相变墙体热惰性指标提升了16.7%，可有效改善墙体的热稳定性；从空调耗电角度分析节能效果，在整个制冷季节可为单户节约空调耗电费用约为31.32元。