组合式相变房间围护结构冬季换热性能研究

孟二林，于航,刘成刚，孙志高，周波

（1.苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏苏州215009；2.同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

组合式相变房间围护结构冬季换热性能研究

孟二林1，于航2,刘成刚1，孙志高1，周波1

（1.苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏苏州215009；2.同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

搭建了组合式相变围护结构和普通围护结构的实验房间，测试并计算了两个房间的室内空气温度、不同朝向围护结构的热流密度。通过对比分析可知，组合式相变房间能有效改善冬季室内热环境，其围护结构换热性能也与普通房间存在一定的差异。

组合式相变房间围护结构；室内空气温度；热流密度

相变材料与建筑围护结构的结合可以提高室内舒适性，降低建筑能耗，一直是目前国内外研究的热点问题[1-2]。Neeper[3]计算得到相变墙板能转移居民空调负荷中90%的显热负荷到用电低谷期，可降低30%的设备容量。Stovall等人[4]对含相变材料的石膏板用于冬季辅助供暖进行了经济性分析。Kedl等人[5]对吸收了石蜡的混凝土墙体的性能进行了研究。结果表明,采用浸泡法研制的相变混凝土比在其中加入装有石蜡的相变小球效果更好。Heimut等[6]研究一种新型的透明相变外墙，与传统的不透明保温材料相比，此种新型墙体更能充分利用太阳辐射，提高相变材料的蓄放热效率。Maria Telkes[7]在相变材料的配制、相变材料封装、相变储能系统设计等方面做了大量工作，并在马萨诸赛州建起了世界上第一座PCM被动式太阳房。

叶宏等人[8-9]开展了定形相变材料电缆加热地板辐射供暖的研究,建立了该系统热性能的数学模型。林坤平等人[10]建立了相变贮能地板电供暖系统地板和房间的热性能理论模型，分析评价了该系统在我国不同气候地区冬季使用的效果。张群力等人[11]研究了定形相变材料的相变温度、相变潜热和导热系数变化对地板表面平均热流密度和蓄能比的影响。

另外，目前有学者[12-15]研究了相变墙体内表面对流换热情况对墙体蓄、放热性能的影响。然而关于相变房间墙体内表面的换热方式是以对流为主还是辐射为主尚不明确。为了改善室内全年热环境，孟二林等[16]提出了组合式相变房间的构思，即在房间不同朝向的围护结构上布置两种不同相变温度的相变材料。文章搭建了组合式相变围护结构和普通围护结构的实验房间，对两个房间的室内空气温度、围护结构热流密度等参数进行了测量和比较分析。

1 实验房间概况

1.1 实验房间介绍

该文采用模型实验的方式，实验对象见图1，两个缩尺寸房间的规格都是1 m×1 m×1 m，在两房间的南墙上都开有0.7 m×0.7 m的窗户。两房间围护结构从外到内的材料构成见表1。

图1 测试房间实物图

表1 两房间围护结构从外到内的材料构成

在组合式相变房间的内表面贴有两种不同相变温度的相变材料板，分别为SP29（西墙、屋顶和地板）和RT18（东墙和北墙），两种相变材料的物性参数见表2。两种材料的封装方式见图2。

1.2 测试参数及测点布置

实验过程中测试的参数包括：两房间内的空气温度以及各内表面的壁面温度、室外空气温度、室外太阳辐射强度、房间墙体内表面热流密度。测点布置情况见图3。

表2 相变材料的物性参数

图2 相变材料封装方式

图3 测点布置示意图

2 室内热环境实验结果

如图4所示，实验过程中室外温度大约在10℃至20℃之间波动，普通房间室内空气的最高温度为42.8℃，最低温度为7.3℃，组合式相变房间室内空气温度最高值为32.1℃，最低值为9.3℃。组合式相变房间相对普通房间最高温度下降了10.7℃，最低温度提高了2.0℃，室内空气温度波动幅度下降了12.7℃。另外从图中还可以看出普通房间室内空气温度的峰值大约出现在中午12:00，而相变房间空气温度的峰值出现时间比普通房间晚了约2 h。需要说明的是冬季时候两个房间白天的室内空气温度都比较高，主要是因为实验房间较大的窗户面积导致其太阳辐射得热量也比较大，有类似被动式太阳房的作用。

图4 两房间室内空气温度比较

3 围护结构内表面辐射和对流换热热流

3.1 辐射和对流热流的计算

房间内某一朝向的围护结构内表面与其他5个内表面的辐射换热热流计算公式为

式中，ε1为计算围护结构表面发射率；σ为斯忒藩－波尔兹曼常量，值为5.67×10-8W/（m2·K4）；T1为计算围护结构表面的温度，K；Ti为除计算围护结构外的房间其他五个围护结构的内表面的面积加权平均温度，K。

由于通过围护结构内表面的总热流qz已经通过热流仪测得，因此其对流热流qc为

3.2 屋顶内表面辐射和对流热流

从图5可以看出，组合式相变房间屋顶在中午的时候主要以对流的方式从室内吸热，由于屋顶内相变材料SP29的相变温度较高，因此相变屋顶在下午约15:00左右便开始放热，其放热方式以辐射为主。放热约持续到晚上21:00。

普通房间屋顶在中午的时候对流热流为负值，而辐射热流为正值，说明屋顶内表面温度低于房间空气温度，但是却高于其他几个表面的平均温度，在对流热流和辐射热流中，对流热流的绝对值更大，即普通房间屋顶白天主要以辐射的方式从室内吸热，夜晚时其对流和辐射热流都比较小，没有明显的强弱关系。

图5 两房间屋顶辐射和对流热流

3.3 西墙内表面辐射和对流热流

如图6所示，组合式相变房间西墙白天主要以对流的方式从室内吸热，傍晚放热时主要以辐射的方式，放热时间较短，在夜晚时候，室内换热方式没有明显的主次关系。

普通房间西墙白天主要以对流的方式从室内吸热，在13:00左右对流热流减小的原因是西墙受太阳辐射的直射，壁面温度升高，与室内空气之间的温差减小。夜晚时候，辐射和对流热流没有明显的强弱关系。

图6 两房间西墙辐射和对流热流

3.4 地板内表面辐射和对流热流

从图7可以看出：由于本次实验中天气以阴天为主，白天时通过窗户的辐射得热量较小，室内空气温度较低，两房间地板的对流热流都几乎为0，只有比较小的辐射热流，原因是受混凝土地面的影响，两房间的地板温度都相对较高，向其他壁面放热。在第一天和第二天的中午时刻，都出现了短暂的晴天，这时地板的对流热流迅速降低，两房间地板都主要以对流的方式从室内吸热。夜晚时候，两房间的对流热流又基本降为0，地板以辐射的方式放热。

图7 两房间地板辐射和对流热流

3.5 东墙内表面辐射和对流热流

从图8中可以看出，相变房间和普通房间在白天时候都主要以对流的方式从室内吸热，其原因是白天时候受太阳辐射的影响，使得两房间的室内空气温度都比较高，墙体和空气之间的对流换热比较强烈。夜晚时候，空气温度下降，壁面和空气之间的对流换热量减小，对于普通房间而言，由于不同朝向的壁面温差很小，导致壁面之间的辐射换热量也比较小，然而对于组合式相变房间，由于不同朝向的壁面温差较大，导致壁面之间的辐射换热量也较大。

图8 两房间东墙辐射和对流热流

3.6 北墙内表面辐射和对流热流

从图9可以看出，组合式相变房间北墙换热方式的变化规律与东墙比较相似，白天时对流和辐射热流都为负值，主要以对流的方式从室内吸热，夜晚时对流和辐射都为正值，主要以辐射方式向室内放热。

普通房间北墙白天对流和辐射热流都为负值，主要以对流的方式从室内吸热，夜晚时，对流和辐射热流都比较小，没有明显的强弱关系。

图9 两房间北墙辐射和对流热流

4 两房间围护结构热性能比较和总结

从表3中可以看出，白天时候无论组合式相变房间还是普通房间，其内表面的换热方式都主要以对流为主，原因是白天时候通过窗户的得热量较大，使得室内空气温度上升较快，流动加速，导致对流热流较大。

表3 两房间围护结构主要换热方式

夜晚时候通过两房间围护结构的辐射和对流热流都比较小，其中组合式相变房间内的换热方式主要以辐射为主，主要是由于房间内不同围护结构含有两种不同的相变材料，其中RT18发生相变，而SP29没有发生相变，导致组合式相变房间内围护结构内壁面温度差别较大，因此辐射换热热流也较大。普通房间由于围护结构本身的蓄热能力有限，夜晚时各面墙的温度差别不大，其辐射换热和对流换热无明显强弱关系。

5 结论

（1）组合式相变房间可以有效改善冬季的室内热环境。（2）组合式相变房间白天时室内的换热方式以对流为主，夜晚以辐射为主。普通房间白天时室内的换热方式以对流为主，夜晚时对流和辐射没有明显的强弱关系。（3）为了进一步研究这种新型相变房间的热性能，有必要对其进行夏季工况的实验研究。另外还需要对这种新型相变房间进行数值研究，以确定其在典型年气象参数下的室内热环境和围护结构热性能。该文的实验结果可以作为数值研究的验证。

[1]Khudhair A M,Farid M M.A review on energy conservation in building applications with thermal storage by latent heat using phase change materials[J].Energy Conversion and Management,2004,45（2）：263-275.

[2]Tyagi V V,Buddhi D.PCM thermal storage in buildings:a state of art[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2007（11）：1146-1166.

[3]Peippo K,Kauranen P,Lund P D．A multi-component PCM wall optimized for passive solar heating[J]．Energy Buildings,1991,17（4）：259-270.

[4]Stovall T K,Tomlinson J J.What are the potential benefits of including latent storage in common wallboard[J].Journal of Solar Energy Engineering,1995,117（4）：318-325.

[5]Kedl R J,Stovall T K.Activities in support of the wax-impregnated wallboard concept[M]//U.S.Department of energy thermal energy storage research activities review,New Orleans,Louisiana,U S Department of Energy,1989：467-476.

[6]Helmut Weinlader,Andreas Beck,Jochen Fricke.PCM-facade-panel for daylighting and room heating[J].Solar Energy，2005，78：177-186.

[7]Telkes M.Thermal storage in salt-hydrates[M].New York：Academic press,1980.

[8]叶宏，葛新石，焦冬生.带定形PCM的相变贮能式地板辐射采暖系统热性能的数值模拟[J].太阳能学报，2002，23（4）：482-487.

[9]叶宏，程丹鹏，葛新石，等.定形相变贮能式地板辐射采暖系统数值模型的实验验证及参数分析[J].太阳能学报，2004，25（2）：189-194.

[10]林坤平，张寅平.电加热相变材料蓄热地板采暖的热性能模拟[J].太阳能学报，2003，24（5）：633-637.

[11]张群力，狄洪发，张寅平，等.定形相变材料蓄能式地板供暖模块热性能及其影响因素研究[J].暖通空调，2006，36（增刊）：11-14.

[12]Neeper D A.Thermal dynamics of wallboard with latent heat storage[J].Solar Energy,2000,68（5）：393-403.

[13]Koo J,So H,Hong S W,et al.Effects of wallboard design parameters on the thermal storage in buildings[J].Energy and Buildings,2011,43（8）：1947-1951.

[14]Guobing Zhou,Yinping Zhang,Kunping Lin,et al.Thermal analysis of a direct-gain room with shape-stabilized PCM plates[J].Renewable Energy,2008,33（6）：1228-1236.

[15]Damien David,Frédéric Kuznik,Jean-Jacques Roux.Numerical study of the influence of the convective heat transfer on the dynamical behavior of a phase change material wall[J].Applied thermal engineering,2011,31（16）：3117-3124.

[16]Meng ErLin,Yu Hang,Zhan GuangYi,et al.Experimental and numerical study of the thermal performance of a new type of phase change material room[J].Energy Conversion and Management,2013,74:386-394.

Research on the winter heat exchange performance of envelops of combined phase change material rooms

MENG Erlin1,YU Hang2,LIU Chenggang1,SUN Zhigao1,ZHOU Bo1
（1.School of Environment Science and Engineering,SUST,Suzhou 215009,China;2.College of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China）

In this paper,two experimental rooms of combined phase change material and ordinary material are built.The indoor air temperature the two rooms and the heat fluxes of envelops in different directions are measured and calculated.The results of the comparison show that the combined phase change material room can effectively improve the indoor thermal environment during the winter,and the performance of the building envelopes thermal also differs from that of the ordinary room.

envelops of combined phase change material room;indoor air temperature;heat fluxes

TK02

A

1672-0679（2015）04-0001-05

（责任编辑：经朝明）

2015-05-18

国家自然科学基金项目（51578386）；先进土木工程材料教育部重点实验室开放基金（201304）

孟二林（1982-），男，江苏淮安人，讲师，博士，主要从事相变储能技术研究。