建筑外皮相变隔热研究(Ⅱ)——建筑相变隔热设计原理与方法

本文首先说明了相变隔热设计中相变温度和相变材料用量的确定原理,而后详细阐述了相变温度和相变材料用量的确定方法,最后以厦门普通屋面为例,分析说明了相变隔热设计的具体应用。实例计算结果表明:1)利用相变材料对现有围护结构进行隔热,一般只需几mm的相变层厚度,其热阻可忽略不计,相变隔热设计可基于无相变层来考虑;2)相变材料及其用量的确定与室内外热作用、围护结构构造及相变层位置有关,需通过计算选定;3)室内侧热扰(如房间通风)对围护结构外表面温度及热流影响很小,当相变材料拟置于建筑外表面时,相变温度及相变材料用量的确定可仅基于室外侧热扰考虑,相变隔热设计相对简单。     

周期性热作用下相变材料内部相变传热特征实验研究

为了揭示周期性热作用下相变材料内部相变传热特征,为建筑外表相变隔热设计和计算提供支撑,本文设计制作了能模拟太阳运行、提供周期性加热的装置,并将正18烷封装于塑料圆桶容器中,使容器底部和侧面绝热,制作了测试试件.利用热电偶和巡检仪自动记录了周期性热作用下相变材料内部各层温度的变化.测试结果表明,在稳定周期性热作用下,材料内部相变传热特征主要可表述为:1)材料在非稳态周期性相变传热阶段,各层温度在达到相变温度点之前,温度变化明显;相界面会随着周期性加热次数的增加间断性地向内部扩展;温度平均值和振幅值向稳态周期性相变传热时的平均值和振幅值靠近.2)材料在稳态周期性相变传热阶段,内部各点温度也表现出与外界热作用等周期性变化,温度振幅从外到内依次减小.这与发生在固体中的周期性传热特性类似.但材料内温度变化呈现折转现象,在温度明显升高前出现等温滞后,在温度降低时会出现等温冷却.这与发生在固体中的传热现象有很大的区别.3)材料在稳定周期性热作用下,内部不会出现多个相界面共存现象.4)空气流速对相变材料中温度振幅和相界面移动速率都有较大影响,提高空气流速可以降低温度振幅和减慢相变进程.这意味着当相变材料用于建筑外表进行相变隔热时,可以通过组织自然通风减少其用量.     

相变蓄能围护结构的冬季调温性能实验研究

搭建了2个相同尺寸的彩钢板轻质缩尺模型室作为对比实验舱,将铝箔袋封装的相变材料(相变温度17℃贴附在实验舱内壁进行实验,测试了相变材料在上海冬季的应用效果。结果表明,相变材料对实验舱空气温度、内表面平均温度的波动都有一定的衰减效果,其作用程度与天气有关。相变材料使得通过窗户得热的平均热流减小了5. 3%,也使得通过壁面散热的平均热流减小了4. 35%,因此需要加强相变蓄热建筑夜间透明围护结构的保温。相变材料的使用使得温度波动幅度减小,热舒适的不满意百分数降低了10左右。对于I级热舒适时间百分比平均增加3. 3,对于II级热舒适时间百分比平均增加19. 0。     

相变墙体与夜间通风改善轻质建筑室内热环境

将自制复合有机相变材料,与EPS保温材料相粘和,制作成轻质建筑用墙体材料,结合夜间通风技术,在重庆地区进行了含相变材料层和不含相变材料层轻质房间的室内热环境对比实验,以分析相变材料用量、相变温度及相变墙体结构等因素对相变墙体的蓄热、放热性能及对室内热环境的影响。实验结果表明：相变材料应用于轻质房间,能显著增强围护结构的热惰性,提高室内的热舒适性,采取夜间通风技术,可以有效地将日间蓄积的热量散至室外;含相变墙体材料房间与普通房间相比较,室内温度最高降低11℃左右,节能效果显著;室内平均温度符合《野营住房空间与环境参数限值》(GJB 4306 2002)中6.2条规定的3级要求;相变材料用量及相变温度对室内温度的控制效果较为明显,采用不同的相变温度,并将相变墙体房间相变材料用量提高1倍,两轻质房间室内温差最大值从3℃增大至11℃左右;进行相变墙体结构设计时,采取不同相变温度的材料搭配使用可以大幅提高其使用效果。     

被动式相变房间传热性能的数值模拟

将相变材料以适当的方式加入围护结构,可提高围护结构的蓄热能力,降低夏季冷负荷和冬季热负荷,达到建筑节能的目的。以建立普通房间和相变房间的数学模型,利用ANSYS软件数值模拟,研究典型气象年室外气象参数波动情况下房间内壁温度和热流的变化规律。研究结果将为相变围护结构的实际应用提供参考依据。     

低温热水辐射供暖相变墙板传热特性影响因素的研究

本文建立了添加相变材料的热水辐射供暖墙板的物理模型和数学模型,利用ANSYS软件对相变墙板在不同影响因素下的传热过程进行了数值模拟,并对热水辐射供暖相变墙板进行了优化设计.结果显示:室内空气温度对热水辐射供暖相变墙板散热特性的影响最为明显,但室内空气温度过高对相变墙板间歇供暖不利;在墙板中加入相变材料,可增加围护结构的热惰性,减小室温和热流的波动;热水辐射供暖相变墙板中的管间距不宜取的过大.研究结果可为热水辐射相变墙板供暖系统的优化提供参考和依据.     

相变建筑节能材料的制备及性能研究

利用石蜡、膨胀珍珠岩、VAE乳液制备出复合相变材料,将其掺加到石膏中制备相变建筑节能材料,并利用差示扫描量热分析(DSC)、导热系数测定仪等手段研究其性能。结果表明:复合相变材料的相变温度、相变焓较石蜡试样变化不大。相变建筑节能材料较石膏试样结构致密度下降,但导热系数有所降低,且随着复合相变材料掺加量的增大,导热系数降低幅度增大。     

相变通风屋面简化动态热网模型研究

本文提出一种新型建筑围护结构——相变通风屋面,该结构通过利用相变材料的相变潜热吸收室外得热,并利用夜间通风带走相变冷凝热,降低室内空调负荷。建立了相变通风屋面简化动态热网模型,利用遗传算法对相关参数进行了辨识,并对比分析了简化模型的准确性与实用性。结果表明,简化热网模型非通风和通风工况的模拟结果中,屋面内表面温度平均值与参考模型分别相差0.04℃和0.13℃,内表面温度的相对误差平均值分别为5.8%和8.9%,内表面热流相对误差平均值分别为4.0%和6.7%,准确性高,实用性强,计算量小,可嵌入到能耗模拟软件中进行节能特性分析及气候适应性分析。     

相变材料蓄能式吊顶辐射供冷系统热性能模拟研究

本文将单位体积蓄能密度较大的相变材料与毛细管网格栅埋入到建筑吊顶中,设计出了一种相变材料蓄能式吊顶辐射供冷末端形式,建立了分析该吊顶在间歇运行工况下热性能的数学模型,利用该模型可以分析不同相变材料物性对该相变材料蓄能式吊顶的表面平均热流密度和蓄能比的影响。通过对影响因素的敏感性分析,得出了影响吊顶热性能的主要因素。此外,对比分析了相变材料蓄能式吊顶与混凝土蓄能式吊顶热性能的差异,指出相变材料蓄能式吊顶辐射供冷方式具有蓄能比更高的特点。     

一种空气源热泵相变贮能式冷凝热回收系统探讨

设计了一种空气源热泵机组在夏季制冷工况运行时,利用相变材料回收机组冷凝热用于生活热水制备的系统,对初步选取的5种有机相变材料,采用差式扫描量热法(DSC)进行了相变温度、相变潜热等参数的热物性实验,通过对比分析实验数据,确定选用月桂酸作为贮能系统的主要蓄热材料,并通过工程算例证实了该系统的可行性。     

轻质相变储热墙体材料研究

采用溶胶-凝胶方法制备了以SiO2作为载体的脂肪酸复合有机相变材料,再将它和聚苯乙烯泡沫板复合制成轻质相变储热墙体材料,该材料可克服普通轻质墙体材料储热能力差的缺陷.用轻质相变储热墙体材料作围护结构,建造了试验建筑模型,并进行了隔热控温试验研究.试验结果表明:轻质相变储热墙体材料能有效利用环境温差储放热,其储热控温作用效果明显.     

自力式套管封装相变墙体排热系统及相变简化模型研究

建筑能耗日益增加,新型建筑节能技术越来越受到人们的重视。在建筑空调领域,提高建筑围护结构的热特性能够明显减少室内负荷,降低建筑能耗。本文提出了一种新型自力式套管封装相变排热节能墙体系统。该墙体系统充分利用夜间天空辐射冷却实现墙体内热量的自动转移。针对该墙体内嵌入的套管相变材料建立了4R2C热容热阻简化相变传热模型,并利用遗传算法对模型参数进行辨识。进一步搭建了套管相变材料的实验平台,并将模拟结果与实验结果进行对比。结果表明,4R2C简化相变模型能够准确的模拟套管相变材料的传热特性,内套管表面温度与热流平均误差分别为0.45℃和14.4%。简化相变模型能够很好与墙体热模型耦合,实现自力式套管封装相变墙体系统热特性与节能特性的集成模拟。     

相变蓄能技术及其在节能建筑中的应用

该文首先介绍了用于固液相变的相变材料,随后综述了目前相变蓄能技术的研究内容和方向.包括间壁式相变蓄热、直接接触式相变蓄热、相变围护结构等蓄热技术和用于空调通风系统以及制冷系统的固液相变蓄冷技术.最后提出我国节能建筑可大力发展利用相变蓄热技术的被动式太阳房和相变蓄冷空调系统.     

脂肪酸/无机纳米颗粒基定形相变材料的制备与热性能

以工业水玻璃为纳米SiO2前驱物,以癸酸(CA)和月桂酸(LA)二元低共熔酸为相变芯材,在表面活性剂的参与下,采用溶胶-凝胶法一步制备出纳米级复合定形相变蓄热材料.利用透射电子显微镜,扫描电子显微镜,傅里叶红外光谱仪,方差扫描量热法和热重分析等测试技术对此定形相变蓄热材料的结构和性能进行分析,并采用瞬态热线法测量了其导热系数.结果表明:相变芯材在吸热熔化后不会产生流动和渗漏;复合相变材料中脂肪酸含量(质量分数)为46％,具有良好的相变蓄热性能(相变温度19.57℃,相变潜热71.28 J/g)和热稳定性;复合相变材料导热系数为0.178 W/(m·K),可作为一种良好的隔热、保温建筑材料.     

典型外墙构造复合相变层的热工性能研究

建筑围护结构结合相变蓄热材料能够大幅提升其蓄热性能,削弱室外温度波动对室内热环境的不利影响,有助于充分利用自然气候资源。由于相变材料的变物性特征,相变墙体和传统围护结构的热工性能存在显著差异。基于人工控制环境下的缩尺模型实验,对比分析了在室内外双向周期性热作用下,相变墙体不同材料层顺序(相变蓄热层、保温层、结构层)对其热工性能的影响。结果表明,当墙体材料层顺序由外向内分别为"保温层-结构层-相变蓄热层"时,实验小室室内空气温度峰值最小。分析了在不同材料层顺序下相变墙体的内表面蓄热系数,结果表明当墙体的材料层顺序由外向内分别为"相变蓄热层-保温层-结构层"及"保温层-结构层-相变蓄热层"时,相变墙体的内表面蓄热系数分别为4. 39 W/(m~2·K)和4. 13 W/(m~2·K),均大于采用材料层顺序由外向内为"相变蓄热层-结构层-保温层"的相变墙体的内表面蓄热系数。内表面蓄热系数计算结果与相变墙体热工性能实验结果相符,能够准确体现相变墙体内表面蓄热性能及其对室内热环境的影响。     

蓄冷空调中有机相变材料机理研究

选取相变温度在5℃~8℃之间的有机相变材料(PCM)进行实验,分别对其进行氧化改性、酯化改性、接枝改性的实验,通过反应接入羟基、羧基、羰基等极性基团,从而使得极性基团与直链烷烃上的氢原子结合形成氢键,最后使得有机混合相变材料的相变温度和相变潜热发生变化,再利用差示扫描量热仪(DSC)、傅里叶红外变化光谱分析仪(FTIR)对改性后的PCM进行了热物性的详细研究。实验显示,氧化产物中虽然接入极性基团,但由于原PCM化学键的破坏,链长的断裂,导致相变潜热降低。因此,在保证链长不变的情况下进行接枝改性,导入极性基团,增大分子间作用力,使得相变温度和相变潜热的提升。     

被动式蓄热相变墙体热工性能的研究

选用石蜡与液态石蜡的二元混合物作为相变材料,按不同比例复合在墙体中,制成被动式蓄热相变墙体.实验分析了不同比例相变材料复合相变墙体的传热性能和节能效果,并与普通墙体进行比较,优选出相变材料最适合的复合比例.结果显示:在加热阶段,不同比例相变材料制备的相变墙体表面温度和热流均小于普通墙体,且温度和热流变化平缓、波动小,存在延迟和衰减现象;在停止加热阶段,普通墙体的温度和热流很快下降,而相变墙体表面温度和热流下降较为缓慢.试验数据为相变墙体的实际应用提供基础和依据.     

相变材料与建筑围护结构蓄能一体化设计及应用

相变材料是传统材料与相变物质复合形成的一种新型储能材料,伴随着温度的变化改变自身物质状态而提供潜热的物质。依据相变材料不同的化学组成、相变温度和相变形式可以分为不同的种类。封装的相变材料可以广泛应用于建筑墙体、地板和吊顶中,使建筑围护结构具有自调节的功能,提高建筑室内环境的热舒适性和稳定性,从而达到节约能源的目的。     

用于墙体和地板的相变材料性能

利用差示扫描量热仪研究了分别由48#石蜡和液态石蜡、癸酸和硬脂酸组成的2种二元混合物的相变温度和相变潜热,并选取其中6种试样进行5 000次热循环试验,旨在寻找适合于建筑围护结构中使用的相变储能材料.结果表明:2种二元混合物的相变温度和相变潜热随配制比例的不同发生了较为明显的变化;它们的热稳定性均较好,且脂肪酸混合物的热稳定性优于石蜡混合物.同时给出了适用于被动式相变墙体和主动式相变供暖地板或墙板中使用的相变材料混合物配比.     

一种相变储能设备的强化传热数值研究

提出了采用铝片强化相变储能设备传热的新方法,并采用软件进行了二维数值模拟,得到了随时间变化的相界面位置、温度分布、表面热流和总凝固时间.从计算结果可以看出铝片结构参数和相变材料导热系数对传热性能的影响.