粮仓相变墙体改造及热工特性初步研究

徐 宁 曾长女 李皖皖 曲晶瑩

河南工业大学土木工程学院（450000）

0 引言

相变材料(PCM)是一种理想的储能材料，在建筑围护结构中的应用是当前低能耗建筑研究的热点[1]。当PCM的温度达到相变温度时，PCM将通过自身相态的改变储存热量。因此，PCM的加入使墙体具备潜热储能能力，能够大幅降低向室内传递的热量，有效提升墙体保温隔热性能[2]。

为提升老旧粮仓的保温隔热性能，文章提出一种构建相变墙体的技术。首先研究了热导强化、可直接外贴安装的相变板材制备。其次，利用数值模拟进行系统分析，研究该墙体在夏高温下的传热性能旨在为相变粮仓围护结构的设计及推广应用提供有利参考。

1 相变板材制备与墙体模型设置

相变材料选取石蜡，高密度聚乙烯被做为支撑材料，对复合相变材料热导计算模型，膨胀石墨为导热增强剂。文章研制的定形相变板材相变潜热高、热稳定性优良、热导率大幅提升，可直接外贴至粮仓墙体外侧，为旧仓相变储能墙体的改造提供技术支撑。图1 为制备的相变板材。

图1 试验制备相变板材

建立了普通加厚改造墙体、外贴PCM改造墙体两种物理模型。设置两种墙体厚度为240 mm，高度为2 000 mm。普通粮仓墙体材料为钢筋混凝土；相变储能墙体材料包括PCM和钢筋混凝土，如图2 所示，其中PCM层厚为L1，钢筋混凝土层厚为L2。

图2 模型示意图

将墙体的内、外表面边界设为对流换热边界，上、下边界为绝热边界。墙外表面对流换热系数为19 W/m2·K，墙体内表面换热系数为8.7 W/m2·K。

当墙体厚度远小于长度和宽度时，厚度方向对温度传热影响较大，文章中墙体物理模型为考虑沿墙体厚度方向进行传热的一维模型。各层墙体的材料均匀分布且热物理性为各向同性；相变材料发生固- 液相变时只存在热传导；忽略PCM相变体积变化及各层材料接触面上的接触热阻等影响。

复合PCM与钢筋混凝土构成相变储能墙体，其传热过程随时间、外界温度发生变化，为非线性瞬态传热过程。文章采用显热容法对墙体结构建立一维传热数学模型。

2 传热性能评价指标

为了定量描述墙体结构的传热性能和对粮仓内温度的调控效果，选取墙体内表面温度、热通量及节能率作为评价指标。

1）墙体内表面温度:外界热能逐渐传递到墙体内，改变墙体的温度。墙体内表面温度越低，说明PCM的储能效果越好。

2）墙体内表面热通量:又称为墙体内表面热流量，指单位时间通过墙体内表面的热能。热通量越小，PCM储存的热量就越多。

3）冷负荷:采用一周内（168 h）通过墙体内表面降低热量的总和。节能率为通过普通墙体与相变墙体的冷负荷差值，与普通墙体冷负荷的比值表示。

Q为冷负荷，W·h/m2；Φ T（）为墙体内表面热通量，W；QPCM-0编号为i 的PCM墙体冷负荷；ΔQi为节能率，%。

3 相变储能墙体厚度传热模拟分析

取不同的PCM层厚应用于粮仓墙体中，模拟墙体7 d 的传热效果。PCM-0 为普通墙体；后面数字代表为PCM 层厚，如PCM-20、PCM-80 分别代表PCM层厚为20 mm、80 mm。其中PCM-30 为试验制备的相变储能墙体材料。

3.1 墙体内表面温度

图3 为不同PCM 层厚7 d 墙体内表面温度变化。由图可知，随着PCM层厚增加，墙体内表面温度逐渐下降。其中PCM-0 墙体内表面最高温度为27.63 ℃，PCM-80 墙体内表面最高温度为25.41℃，相比温度下降2.22 ℃。而且，随着PCM层厚的增加，墙体内表面温度波动逐渐趋缓。而PCM-30增加10 mm PCM 后墙体内表面温度下降最大，为0.64 ℃。

图3 墙体内表面温度

综上分析，随着PCM层厚的增加，墙体内表面温度逐渐下降，但达到一定厚度后，PCM的储能效果逐渐减小。文章模拟范围内，当PCM层厚度为30 mm 时，PCM的储能效果最大，需要进行PCM层厚度的优化设计，以达到最佳的使用效果。

3.2 节能分析

图4 为不同PCM层厚下粮仓墙体内表面热通量变化。由图可知，与普通粮仓墙体相比，相变储能墙体内表面热通量波动小，墙体热性能更为稳定。PCM-0 墙内表面热通量最大达到32.09 W·m-2，而PCM-20 至PCM-80 的墙体内表面热通量变化随着PCM 层厚的增加而递减，最终趋于稳定。与PCM-20 相比，PCM-30 的墙体内表面热通量下降幅度最大为3.46 W·m-2。图5 为根据计算获得的不同PCM层厚下墙体的节能率。由图可知，PCM-20墙体的节能率相比于无PCM 墙体降低最小，为7.06%；PCM-80 墙体与无PCM 墙体相比节能率降低最大，为19.81%。由此可知，随着PCM层厚的增加，节能率也随之增大。

图4 热通量

图5 节约率对比

4 结论

文章研制出可直接外贴至旧仓墙体外侧的高导热相变板材，并物理构建相变储能墙体结构，模拟研究其传热特性、对墙体结构进行参数优化，为提升旧仓保温隔热性能提供工程基础和理论指导。文中得出以下主要结论:

1）研制的复合相变板材，相变潜热高达200 kJ/kg，热导提升约4 倍，热稳定性高，表面平整，可直接外贴至粮仓墙体外侧。经模拟计算发现，该相变储能墙体可降低墙内表面温度和提高节能率，相变板材的高热导率可提升相变速率，增加潜热利用率。

2）PCM层厚增加，墙体内表面温度逐渐降低，温度传递至墙体内表面的时间得到延迟，墙体节能率不断增加，但节能效率却不同。因此，需要选择一个合适的相变层厚。当相变层厚为80 mm 时，墙体内表面温度降低最大，相比于普通粮仓墙体节能率最大为19.81%；当相变层厚为30 mm 时，相变粮仓墙体的潜热利用率最大。