郭茶秀，蔡宏偉

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低溫輻射供暖復合相變墻體熱性能分析

郭茶秀1，蔡宏偉2

（1鄭州大學化工與能源學院，河南 鄭州 450001；2南昌大學資源環(huán)境與化工學院，江西 南昌330029）

低溫熱水墻體輻射供暖技術因其節(jié)能、舒適及對供暖溫度（熱源品位）要求低等優(yōu)勢而越來越得到廣泛應用。在研究相變墻體輻射供暖系統(tǒng)的基礎上，針對相變墻體層蓄熱效率低的問題，提出采用一種新的復合相變墻體板。并建立相應復合相變墻體的傳熱模型，利用數(shù)值模擬軟件對復合相變墻體的蓄放熱過程進行分析，對比分析了有復合相變層和沒有相變層時室內供暖系統(tǒng)的區(qū)別，同時研究了相變溫度、相變層厚度等參數(shù)對復合相變墻體表面平均溫度、表面熱流密度的影響，得到了它們對復合相變墻體的傳熱過程的影響規(guī)律。研究結果可為提高供暖系統(tǒng)的舒適度提供理論依據(jù)，并為發(fā)展低品位能源利用提供技術支持。

低溫輻射供暖；復合相變墻體；模擬分析

低溫熱水墻體輻射供暖技術因其節(jié)能、舒適及對供暖溫度（熱源品位）要求低等優(yōu)勢而越來越得到國內外學者的關注[1]。但輻射供暖系統(tǒng)因為受混凝土熱容量及蓄熱能力限制，其對房間溫度的調節(jié)能力相對有限，在熱源溫度變化較大或經(jīng)歷時間較長時會造成室溫大幅度波動，需要比較復雜的控制系統(tǒng)才能達到較高的熱舒適度。為簡化控制和提高熱舒適度, 將地板輻射采暖與相變蓄熱技術結合起來的低溫熱水有源相變墻體輻射供暖系統(tǒng)是一個新的解決方法。PEIPPO等[2]對相變墻房間的熱性能進行了測試，指出對于采用相變墻體的房間年可節(jié)省空調采暖能耗15%左右；文獻[3]論證了在實際建筑中相變墻體輻射供暖（冷）系統(tǒng)能有效增加室內環(huán)境的熱舒適性并可以在能量利用上發(fā)揮“削峰填 谷”的作用。國內的學者也探索相變墻體儲能的特點和系統(tǒng)的可操作性，陳超等[4]研究了復合相變墻體材料在被動式太陽房中應用的可行性；施冠羽 等[5]模擬研究非對稱墻體兩側的蓄放熱溫度變化，為有源相變墻體的供暖技術提供了基礎；何葉從 等[6]基于焓法，建立相變墻體的數(shù)值傳熱模型，研究分析了影響相變墻體系統(tǒng)傳熱性能的條件。余龍[7]提出了結合太陽能的微膠囊相變墻體輻射采暖系統(tǒng)，模擬仿真冬季室外溫度較低時，以太陽能作為唯一熱源，室內環(huán)境在動態(tài)負荷作用下的溫度分布規(guī)律。目前文獻中所報導的相變材料與建筑材料的結合方式有兩種：采用以石蠟為相變主體而用高密度聚乙烯作為支持載體的定形相變材料[1]和微膠囊相變材料。但其中相變材料的導熱系數(shù)低，致使其在儲熱系統(tǒng)的應用中傳熱性能差，從而導致儲熱效率下降。為了改善相變材料導熱性能，文獻[8]中提出的辦法是在相變材料中加入金屬粉末、纖維、肋片和膨脹石墨等導熱系數(shù)高的材料。但添加金屬粉末、纖維后導熱系數(shù)增加程度有限。如在石蠟[導熱系數(shù)為 0.15 W/(m·K)]中添加質量分數(shù)為20%的A1粉，導熱系數(shù)增加到0.48 W/(m·K)，仍然比較低；并且在相變材料中添加金屬粉末、纖維，很難保證這些添加的材料始終均勻分布在相變材料中，長期運行會導致聚集、沉淀等不良后果，導致其強化傳熱性能逐漸降低。泡沫鋁具有密度小、孔隙率高、比表面積大的特點。已有研究表明高孔隙率泡沫鋁用于石蠟相變儲熱單元，泡沫材料可提高儲熱單元的傳熱性能和相變熱控裝置的溫度均勻性、可充裝性及可靠性[9]。但泡沫鋁用于強化相變墻體輻射采暖系統(tǒng)研究還未見有報導。因此本文在有關低溫熱水相變墻體輻射采暖系統(tǒng)的文獻基礎上，采用的是在建筑材料中常用的十水硫酸鈉水合鹽為相變材料。這種相變儲能材料的導熱系數(shù)大，具有固定的熔點和足夠的相變潛熱[10]，相變溫度接近人體的舒適溫度，經(jīng)濟性好，單位價格的熱量高。提出運用高孔隙率構成復合相變墻體的方法以強化墻體輻射采暖的傳熱性能，并運用數(shù)值模擬軟件對圖1所示的復合相變墻體的傳熱過程進行模擬分析，以了解該相變墻體提高室內采暖效果的原因和途徑，為有源相變墻體輻射采暖系統(tǒng)的設計和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

本文在低溫熱水相變墻體輻射采暖的基礎上，改變其相變墻體中的相變材料層為復合相變材料層。復合相變墻體是由水泥砂漿層、黏土磚墻層、復合相變材料層和加熱盤管組成的，其加熱盤管的輻射方式是雙回型結構，其剖面圖如圖1所示。復合相變墻體的材料參數(shù)和厚度列于表1。墻體兩表面為散熱面，且為提高墻體的蓄熱性能，在散熱盤管周圍填充一定厚度的復合相變材料（水合鹽填充到孔隙率為85%的泡沫鋁中形成的）。蓄熱運行時，低溫熱水在管內流動，將熱量通過管壁傳給相變層，在相變層中溫度上升，熱量通過黏土磚墻和水泥砂漿傳到墻體表面，進而通過輻射對流的方式傳給室內。其中相變層溫度達到相變點后，相變材料融化吸收熱量進行顯熱儲存；放熱時，散熱盤管內熱水停止流動，利用儲存在復合相變材料中的顯熱，由于溫度降低而凝固釋放熱量，熱量通過墻體向房間持續(xù)供暖以維持室溫穩(wěn)定。

為了便于分析問題，將模型做如下假設：①盤管的長度遠大于墻體的厚度和管間距，管子軸線方向的溫度變化小，可忽略，簡化成二維非穩(wěn)態(tài)導熱問題；②傳熱模型取兩管之間的單元為模型，斷面處的邊界條件按絕熱處理；③不考慮墻體各層處理之間的接觸熱阻；④相變材料密度與溫度相關，符合Boussinesq假設，其它物性參數(shù)不變，相變時相 變層的體積變化忽略不計；⑤假定室內空氣均勻 一致。

經(jīng)過一定的簡化，將三維導熱問題簡化為二維導熱問題，再取其中的一段供回水管子之間的墻體結構層作為研究對象，如圖2所示，建立低溫輻射供暖復合相變墻體的數(shù)值傳熱模型。

1.2 傳熱模型

復合相變墻體的傳熱采用焓法模型，控制方 程如式(1)～式(3)所示

表1 復合相變墻體材料參數(shù)和厚度[10]

式中，為墻體各層材料密度；為各層材料的比焓；為時間；為溫度；為墻體各層材料的熱導率；T為相變溫度；s、l分別為相變材料固態(tài)和液態(tài)的密度；s、l分別為相變材料固態(tài)和液態(tài)的熱導率；s、l分別為相變材料固態(tài)和液態(tài)的比熱容；、分別為相變材料固態(tài)和液態(tài)的比焓。利用焓法可不用跟蹤相變界面，可由上述公式先求焓場，再求溫度場。

1.3 凝固/融化及多孔介質模型

本工作利用Fluent求解融化/凝固及多孔介質模型，在模擬相變的過程中采用焓法模型。在本文的復合相變層中使用的是85%孔隙率泡沫鋁的多孔金屬材料，在其中加入水和鹽無機相變材料所形成的復合相變材料。在這個相變層中采用融化/凝固模型進行實驗操作。引入一個非常重要的概念——液相率。液相率的表示如式(4)所示

式中，s為固相線，l為液相線，當0<<1時，這是相變過程中的固液共存區(qū)域，按多孔介質處理，多孔部分等于液體所占的部分。

（1）能量方程源項

式中，S為源項；為密度，kg/m3；C為比熱容，J/(kg·K)；為任意時刻的比焓，J/kg；為溫度，K。

（2）動量方程源項

由于有固液混合區(qū)的存在，其多孔性的減少造成的動量損失如式(6)所示

式中，為液相率；為流體速度，m/s；是一個小于0.0001的數(shù)；mush為糊狀區(qū)域連續(xù)數(shù)，在104～107之間。

1.4 邊界條件

圖2所示的復合相變墻體模型的邊界條件為：上下邊界除供、回管道以外的地方為絕熱邊界[式(7)、式(8)]；供、回管道壁溫：在蓄熱時由管內的低溫熱水和管壁的對流換熱邊界確定為式(9)，而在放熱期間，由于水的比熱容比較小，可視為絕熱邊界條件，為式(10)；墻體表面與空氣進行對流和輻射，式(11)其邊界為對流輻射換熱。

（9）

式中，為管子的導熱系數(shù)，W/(m2·K)；為管子的溫度，K；為管內熱水和管壁的熱交換系數(shù)，W/(m2·K)；T為管內熱水溫度，K；d為管子外徑，m；q為墻體表面的對流換熱量，W/m2；q為墻體表面的輻射換熱量，W/m2；T為室內空氣設計溫度，K；T為非輻射墻體表面的平均溫度，K。

由上述能量方程、邊界條件和初始條件（=0，=291 K），使用模擬軟件FLUENT可對復合相變墻體的蓄、放熱過程進行模擬分析。

2 模擬結果及討論

根據(jù)圖2的計算模型，利用Gambit2.3.16建立2D復合相變墻體單元的幾何模型，采用0.5 mm的四邊形網(wǎng)格能夠滿足精確求解。在模擬軟件FLUENT中設定好管子邊界、耦合邊界和墻表面的邊界條件。模擬研究時將室溫設定為恒定值（20 ℃），供水管在下面，溫度為50 ℃；回水管在上面，溫度為42 ℃，管徑為20 mm，供、回水管間距為150 mm；熱水流量為0.3 m3/h，其余材料參數(shù)見表1。模擬周期3天，一天之中熱水供暖8 h，其余時間由相變墻體自然釋熱。數(shù)值模擬時采用凝固/融化及多孔介質模型，能量方程為一階迎風差分方程，能量方程的殘差項設為1e-06。首先對比分析了在墻體中有相變材料和沒有相變材料時墻體表面的平均溫度和表面熱流密度的區(qū)別，然后分析了相變溫度、相變層的厚度對復合相變墻體的墻體表面平均溫度、表面平均熱流密度的影響，以討論復合相變墻體輻射供暖系統(tǒng)的輻射供暖特性。

2.1 相變材料對供暖特性的影響

為了研究相變材料對房間供暖的影響，本文在圖2的基礎上不考慮中間的復合相變層，其余結構和計算條件都與復合相變墻體的相同，即為沒有相變材料層的墻體傳熱模型。兩種傳熱模型的墻體表面的平均溫度和熱流密度在圖3和圖4中進行了對比。圖3中可以看出復合相變墻體表面的平均溫度最小值比無相變材料的最小值高了約2 ℃，溫度波動幅度比無相變材料的墻體也小得多。從圖4中可以看出兩者熱流密度的變化，有復合相變材料的熱

流密度的波動范圍為50 W/m2到96 W/m2，而無相變材料的墻體的熱流密度的波動范圍為8 W/m2到96 W/m2。所以，墻體中使用復合相變材料后，由于室內溫度和熱穩(wěn)定性明顯提高，室內的熱舒適度因此得以很大程度的提升。

2.2 相變溫度對供暖特性的影響

相變溫度對相變材料的蓄熱能力影響比較大。在其它條件不變的情況下，本文對相變溫度分別為29 ℃、32 ℃和34 ℃的復合相變墻體進行了模擬研究，墻體表面的平均溫度隨時間變化情況曲線圖如圖5所示。從圖中可以得出，在第一天蓄熱8 h的時間內，大約前4 h墻體表面溫度的變化曲線很大，溫度急劇上升。4 h之后一直到加熱第8 h結束，曲線的上升速度慢慢平緩，到第8 h墻體表面溫度達到最高點。進入放熱階段時溫度開始慢慢下降，最后下降趨勢慢慢平緩直至放熱結束。這是由于相變層的相變材料在低溫熱水開始加熱時，相變層溫度低于相變溫度，相變材料儲存顯熱而溫度快速上升，墻體表面的平均溫度急劇上升；之后溫度變平緩是因為相變材料吸收熱量后逐步發(fā)生融化過程，相變墻體進入相變蓄熱階段，溫度變化較緩慢，導致墻體表面平均溫度變化減緩；進入放熱階段后，相變材料在高于相變凝固點之前，釋放顯熱，所以墻體表面平均溫度由于墻體表面散熱而下降；之后墻體表面溫度變平緩，是由于相變材料在凝固過程中釋放潛熱而導致墻體的表面溫度下降很慢，溫度曲線變平緩，一直到第二天蓄熱階段。第二天、第三天與初次蓄放熱情況類似。

從圖5看出，隨著相變溫度的升高，墻體表面的平均溫度也會相應地升高。相變材料相變溫度高的墻體表面溫度曲線的最大值和最小值也相對高于相變材料低的。所以，在其它條件相同的情況下，提高相變材料的相變溫度，對墻體表面溫度會有相應的提高。

從圖6可以看出，在其它條件都相同的情況下，相變溫度高的墻體表面的熱流密度要大于相變溫度低的墻體。如相變溫度為34 ℃的墻體表面熱流密度比相變溫度為32 ℃的墻體表面熱流密度大8 W/m2。因此相變材料的相變溫度，對墻體表面的熱流密度有一定的影響。

2.3 相變層厚度變化對供暖特性的影響

在其它條件不變的情況下，本文研究了相變層厚度分別為30 mm、40 mm和50 mm時墻體表面溫度和熱流密度的變化。從圖7可以看出隨著相變層厚度的增大，墻體表面的平均溫度的最大值降低，而最小值升高，即相變層厚的室內溫度波動幅度小。這是由于相變材料越厚，墻體的傳熱熱阻加大而導致墻體表面的平均溫度降低，但隨著放熱時間的增

加，相變材料厚的釋放的熱能多，導致放熱結束后溫度降低小，從而有效地降低室內的溫度波動。不同相變層厚度對墻體的熱流密度的影響如圖8所示。當相變層的厚度從30 mm增加到50 mm，墻體表面的熱流密度的最大值也隨之下降了3 W/m2，最小值升高了大約6 W/m2，即增加相變材料的厚度有利于降低墻體表面的熱流密度的波動幅度。所以，相變層厚度的增加有利于降低室內的溫度波動，能夠較好地滿足采暖建筑的要求。

3 結 論

針對低溫熱水有源相變墻體中相變層傳熱效率低的問題，提出了一種水和鹽/泡沫鋁復合相變材料，用于復合相變墻體。該相變墻體應用于低溫輻射供暖系統(tǒng)中，可高效地將夜間廉價電能產(chǎn)生的熱儲存于相變材料中以供次日白天使用，不僅能降低供暖費用，還能對電力起到“削峰填谷”的作用。通過建立低溫水輻射供暖系統(tǒng)中復合相變墻體的傳熱模型，使用FLUENT軟件對其蓄放熱過程進行了模擬分析，證明了墻體中復合相變材料層的引入可明顯提高室內溫度的穩(wěn)定性和熱舒適度。另外還研究了復合相變材料的相變溫度和相變層厚度對復合相變墻體表面平均溫度、表面熱流密度的影響，結果表明提高材料的相變溫度，墻體表面的平均溫度和熱流密度會增大，即提高了室內的供暖溫度；而增大相變層的厚度，墻體表面的平均溫度和熱流密度的波動幅度減小，有利于減小室溫波動。

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Analyses of thermal behavior of composite wallboards containing phase change materials (PCM) for low-temperature hot water based radiant spacing heating system

1,2

(1School of Chemical and Energy Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan, China;2School of Resouces, Environment & Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330029, Jiangxi, China)

Low-temperature hot water based radiant spacing heating systems are widely used to provide a comfortable environment due to low heating temperature requirements and high energy efficiency. We propose the introduction of a PCM based wallboard radiant heating system with an aim to improve the efficiency of the system through the use of energy storage. A heat transfer model is set up for the composite PCM wallboards to study the storage and release processes of the materials with a CFD software package. The influence of the use of the composite PCM on the room environment is compared with that without the use PCM. The influences of phase change temperature, the thickness of composite PCM layer on the wallboard surface temperature and heat flux are studied.

low-temperature hot water radiant system; composite PCM wallboard; simulation

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.04.021

TK 512.4

A

2095-4239（2016）04-539-06

2015-10-23；修改稿日期：2015-12-24。

國家自然科學基金（51176173）、河南省科技攻關計劃（162102210001）及河南省教育廳科學技術研究重點項目科技攻關（14A480002）。

及通訊聯(lián)系人：郭茶秀（1968—），女，博士，教授，主要從事太陽能研究與利用，E-mail：guochaxiu@163.com。