相变石膏板应用性能研究与数值模拟

刘迎新，庄伟，李海建，张洪才，孙义永

[1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024；3.绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024；4.中国国检测试控股集团股份有限公司，北京 100024；5.菏泽城建工程发展集团有限公司，山东菏泽 274000]

0 引 言

随着人们生活水平的提高，大众对于生活空间品质的要求越来越高，为了长期维持室内热舒适度，需要消耗更多的能源。相变储能材料具有恒温相变、吸放热量大的特点，可在提升室内热舒适度的同时节约能源。因此，以石膏板为载体，以相变储能材料为功能性成分复合而成的相变石膏板，正逐渐被广泛研究。研究者采用物理方法制备相变石膏板。Jeong 等[1]将石膏板浸泡于十八烷和蜂蜡中，利用浸渍法制备相变石膏；为了防止液态相变材料渗漏，Abden 等[2]将硬脂酸甲酯与多孔硅藻土复合后掺入石膏板中，作为屋顶可节约16.2%的制冷量，Kumar 等[3]将月桂酸和多孔沸石复合至石膏板中，屋顶温度降低13.86%，南墙温度降低了7.78%；Errebai 等[4]发现，当相变微胶囊质量掺量为20%时，相变石膏板的储热性能最佳。Srinivasaraonaik 等[5]用葵酸和棕榈酸复合制备相变微胶囊，掺入石膏板中，相变石膏板的舒适温度保持时间延长了150%；Oliver[6]发现1.5 cm 厚的相变石膏板储热量相当于普通石膏板的5 倍，与12 cm 砖墙相当。

已有研究表明，相变石膏板的导热系数较普通石膏板减少25%以上[4，7]，经过1000 次以上的冷热循环后，相变石膏板依然保持结构和性能的完整性[3，8]，在夏季最高温度40 ℃时，与普通石膏板屋顶和墙体相比较，相变石膏板屋面降温3 ℃，南墙降温4.54 ℃，屋面达到峰值温度时间延迟200 min，南墙到达峰值温度时间延迟180 min、制冷负荷降低了12.14%[9-10]。有学者研究了相变石膏板的节能效率。肖伟等[11]通过模拟相变石膏板的热性能发现，与普通石膏板房间相比，采用相变石膏板的房间温度波动性减小54%。李鸿锦等[12]通过模拟定形相变石膏板在不同保温位置及不同相变温度时的传热发现，相变温度为27℃的相变石膏板墙体比普通墙体节能约27.6%。李帆等[13]通过分析相变蓄能石膏板在建筑围护结构中的热影响，发现相变蓄能石膏板可改善室内热舒适，降低全年空调运行能耗。张维维等[14]利用焓法模型和有效热容法模型对相变墙板进行了模拟计算，发现夏季相变墙体相变温度为26 ℃、冬季相变墙体相变温度为7 ℃时房间节能效果最好。张正松等[15]研究发现，相变温度为28 ℃的定形相变蓄能石膏板隔热效果最好，以24 h 为1 个周期，其传入室内的热量总和最小，由此引起的空调冷负荷最小，节能效果最好。

目前，相变石膏板的研究基本围绕制备方法和基本性能进行，相变石膏板的墙体传热机理和节能原理相关研究较少。本文采用实际测试和数值模拟相结合的方式，针对相变石膏板的应用性能进行分析，通过相变石膏板的实际应用效果，确定相变板材的应用性能测试方法以及相关数值模型，为相变墙体的设计提供参考。

1 原材料

普通石膏板和相变石膏板：北新建材集团有限公司，相变石膏板的相变温度为25 ℃，相变潜热为5 kJ/kg。普通石膏板和相变石膏板的基本物理参数如表1 所示。

2 试验方法

采用样品搭建试验箱，试验箱由6 块尺寸为300 mm×300 mm×300 mm 的样品组成，外层粘贴50 mm 厚的聚氨酯板，试验箱的最外层和内层设有温度探头，试验箱构造和测试系统见图1。将试验箱放入环境试验箱中进行实际应用性能测试，环境试验箱中的温度采用程序软件控制，温度按照正弦规律变化，温度变化区间为10~40 ℃。温度记录仪自动记录保存温度变化数据。

图1 试验箱构造和测试系统

3 试验结果分析

普通石膏板和相变石膏板实测温度变化曲线见图2。

图2 普通石膏板和相变石膏板实测温度变化曲线

由图2 可见，环境温度按照10~40 ℃正弦规律变化，普通石膏板和相变石膏板内部温度随之规律变化，峰值温度的降低和延迟，使得室内热舒适明显提高。普通石膏板的峰值温度降低了7.4 ℃，相变石膏板的峰值温度降低了10.6 ℃，峰值温度减少3.2 ℃，相变石膏板比普通石膏板表现出更优异的热性能。普通石膏板峰值延迟时间为171 min，相变石膏板峰值延迟时间为200 min，峰值延迟时间增加29 min。在相变温度附近，相变材料的相变潜热充分发挥出控温的效能，让室内温度保持在舒适温度范围的时间更长[9]，相变石膏板的热惰性指标更高。

4 相变石膏板数值模拟

4.1 建立数值模型

基于上述相变石膏板和普通石膏板的应用性能试验方法建立数值模型见图3。测试房间由普通石膏板或相变石膏板搭建而成，在普通石膏板/相变石膏板的外层粘贴聚氨酯保温板。在模拟过程中，砂浆层外壁的温度在10~40 ℃范围内以正弦规律变化。模拟过程采用焓法求解，传热过程设置为瞬态传热，空气流动设为层流。通过模拟相变石膏板/普通石膏板内壁的温度变化，验证数值模型的可行性后，再模拟层间热流量变化情况。

图3 数值模型

4.2 普通石膏板和相变石膏板数值模拟（见图4、图5）

图4 普通石膏板实测和模拟数据对比

图5 相变石膏板实测和模拟数据对比

由图4 可见，普通石膏板的模拟数据和实测数据规律基本一致，峰值温度变化情况接近。造成差异的原因与保温箱的密封性有关，表现出测试的温度比模拟值稍高，总体规律基本一致。

由图5 可见，相变石膏板实测和模拟数据变化规律相似。从峰值温度的降低量和峰值延迟时间量来看，实测值和模拟值没有差别，只是在相变温度附近，模拟值表现出来的相变性能更加明显，而实测值表现出来的相变过程比较舒缓，可能与实际测试过程中探头与内墙壁的贴合度有关，或者是相变材料是均匀分布的，相变材料不能同时发生相变，测试的只是局部相变材料的相变过程，过程相对较短，模拟值测试的是理想状态下的相变过程，用的是层流过程，没有考虑湍流的影响。

综合图4、图5 可知，无论实测值还是模拟值，相变石膏板均表现出更优异的热性能，峰值温度降低量和延迟量都大于普通石膏板，试验箱内部的热环境更加舒适。

5 相变石膏板传热机理和节能探讨

从上述普通石膏板和相变石膏板的实测和模拟数据对比来分析，本文中设计的数值模型能够真实模拟出整个实测试验的过程和温变情况，和实际测试模型结果高度符合，因此，可使用本数值模型来模拟墙体板材的实际应用性能。为了研究相变石膏板全面的实际效能，利用该模型进一步模拟墙体的传热过程，以期获得相变石膏板的储/传热机理和节能效果。

利用数值模型针对试验箱各个墙体面的传热量进行模拟计算，得出墙体外壁面（聚氨酯外壁面），墙体内壁面（普通石膏板或相变石膏板内壁面）和墙体中间壁面（聚氨酯与石膏板中间接触壁面）的传热变化规律，然后分别将装载普通石膏板和相变石膏板的各个壁面储热量数据进行对比分析。普通石膏板和相变石膏板墙体传热量变化见图6。

图6 普通石膏板和相变石膏板墙体传热量变化

由图6 可知，由于墙体的热惰性，普通石膏板与相变石膏板墙体的传热量从外壁面到内壁面直线下降，热量被阻挡和吸收。相变材料的加入，使得墙体的传热过程更为复杂，从传热量的影响程度来看，对于外壁面影响最小，传热量增加了5.1%，中间壁面最大，传热量增加了13.1%，内壁面次之，传热量减少了9.8%。其中，相变石膏板外壁面和中间壁面的传热量均大于普通石膏板，相变石膏板内壁面的传热量小于普通石膏板，这说明相变石膏板房间与外界的热交换量降低。

由图6（c）可见，升温过程的吸热段和降温过程的放热段，相变石膏板内壁面的传热过程中较普通石膏板明显受到了相变材料的吸放热过程的影响。结合图5，外界温度下降时，室内开始向外界传热，温度降低，当温度降低到相变温度时，由于相变材料的放热作用，室内热量变化较小，室内温度波动减小，舒适度提高；外界温度升高时，外界向室内传热，室内温度升高，当温度升高到相变温度时，相变材料发挥吸热作用，吸收外界传过来的热量，室内热量不再增加，室内温度保持恒定，室内温度波动减小，舒适度提高。

1 个冷热循环过程中，普通石膏板内壁面传热量为3.74 kJ/m2，相变石膏板内壁面传热量为3.37 kJ/m2，相变石膏板内壁面传热量比普通石膏板减少了0.37 kJ/m2，节能率达9.8%。

6 结 论

本文针对相变石膏板和普通石膏板的实际应用热性能进行了实际测试和数值模拟，发现相变石膏板内壁面传热量为3.37 kJ/m2，相变石膏板内壁面传热量比普通石膏板减少了0.37 kJ/m2，节能率达9.8%。而且采用相变石膏板的房间峰值温度降低3~5 ℃，时间延迟200 min，舒适度明显提高。因此，对于过渡季节和温差变化大的气候区相变石膏板将发挥更大的作用。