相变蓄能砌体外墙中夜间通风的热响应研究

摘要

经济的高速发展带来了能源的大量消耗，随之众多节能技术也如雨后春笋般涌现出来，其中相伴变材料运用于建筑围护结构中便是其中之一，然而相变材料在研究与使用中发现存在热堆积问题，即昼夜吸放热不平衡，导致第二天相变材料蓄热能力大打折扣。
　　本文以南京地区南外墙为研究对象，选取南京夏季“三伏”期中7月20日-7月24日的综合温度，作为室外计算温度，以这5天的室外综合温度为一个周期，以3周期为一组进行研究讨论。最初，利用Matlab软件基于显热容法模型利用有限体积法对相变通风墙（构造A—相变石膏置于三排孔空心砌块内孔中，外孔中为空气;构造B—相变石膏置于三排孔空心砌块外孔中，内孔中为空气;）在不同通风流速下的传热过程进行了编程模拟，对之后的实验过程做一定的指导。实验运用热箱法进行，可编程控制仪模拟出室外环境，室内其他表面绝热，相变通风墙堆砌于试件架上，其底部与顶部分别开有进出风口，进风口与离心式无极变频风机相连，相变通风墙内外表面均布置热电偶与热流计实时监控。该实验研究与分析了相变通风蓄能砌体南外墙不同构造（构造A与构造B）时，夜间通风风速变化对热响应的影响。结果表明:相变材料置于空心砌块内侧时优于外置，内置时墙体内表面温度波最大振幅仅为外置时的55.9％;构造A与构造B的最佳流速均为2m/s，且墙体内表面温度波最小振幅以及最大延迟系数分别为1.74℃、8h和3.72℃、7h，较之不通风，当量热阻分别增大了115.8％和88.6％，流入室内热量分别减少了38.2％和29.3％。得实验数据之后，所编程序的正确性也能得到验证，构造A与构造B在2m/s的通风流速下墙体内表面温度的相对误差分别为3.9％与4.5％，均小于误差标准5％。与此同时，运用该程序分别对构造C（相变石膏置于三排孔空心砌块内孔中，外孔中为发泡聚苯乙烯）与构造D（相变石膏置于三排孔空心砌块外孔中，内孔中为发泡聚苯乙烯）进行了模拟分析。所得结论:构造C与D的最佳流速亦为2m/s，此时墙体内表面最小振幅、最大延迟系数分别为1.91℃、8h与4.07℃、7h，且构造C墙体内表面温度最大振幅为3.94℃，仅为构造D的50.5％，较之不通风，当量热阻分别增大了93.2％和79.6％，流入室内的热量分别减少了35.6％和23.7％。最后，对这四种构造不同通风流速下的室内热舒适度以及节能型亦做了分析。室内热舒适度评价借用“预计平均热感觉指数(PMV)”和“预计不满意者的百分数(PPD)”，而节能性研究最终归结为耗电量，节能率以四种构造通风流速为0m/s时，空调制冷至24℃所需耗电量为参比对象。研究发现在相同气候条件下，相同通风流速时，相变石膏内置要优于外置，对应为构造A优于构造B，构造C优于构造D;四种构造在最佳流速时不仅室内热舒适度较好，而且总耗电量亦较小，耗电量分别节省了29.5％、27.1％、28.3％及24.6％。

目录

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摘要

基本符号表

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 能源危机

1．1．2 建筑能耗

1．1．3 相变材料的优越性

1．2 保温材料与相变材料

1．2．1 保温材料

1．2．2 相变材料

1．3 相变材料国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 相变材料使用中存在的问题及其改进

1．4．1 存在的问题

1．4．2 改进方法

1．5 研究内容

1．6 本章小结

第2章 石膏基相变材料及癸酸热性能测试

2．1 支撑材料的分析

2．2 定型相变石膏的配制

2．2．1 相变材料的选取

2．2．2 相变材料与石膏配比的确定

2．3 癸酸热物性测试

2．3．1 相变潜热、相变温度及比热的测定

2．3．2 导热系数的测定

2．4 本章小结

第3章 相变通风墙传热过程的数值计算

3．1 相变传热求解方法

3．1．1 分析法

3．1．2 数值法

3．2 物理模型

3．3 数学模型

3．3．1 假设条件

3．3．2 控制方程离散

3．3．3 砌块空中空气流动及通风过程的特殊处理

3．3．4 初始条件及边界条件

3．3．5 离散方程的求解

3．4 构造A与构造B墙内表面温度模拟值对比分析

3．5 本章小结

第4章 相变通风传热过程的实验论证

4．1 实验器材及耗材

4．1．1 实验器材

4．1．2 实验耗材

4．2 相变通风墙的堆砌

4．2．1 相变通风砌块制作

4．2．2 相变通风墙介绍

4．3 实验原理及过程

4．3．1 实验原理

4．3．2 测点布置

4．3．3 实验过程

4．4 构造A与构造B相变通风墙的热过程分析

4．4．1 墙内表面温度对比分析

4．4．2 当量热阻及单个通风孔带走热量分析

4．4．3 相变材料固相率分析

4．4．4 相变材料潜热利用率分析

4．5 本章小结

第5章 填有保温材料的相变通风墙传热过程的模拟

5．1 数值计算正确性验证

5．2 物理模型

5．3 数学模型

5．4 构造C与构造D模拟结果对比与分析

5．4．1 墙内表面温度对比分析

5．4．2 当量热阻及单个通风孔带走热量分析

5．4．3 相变材料固相率分析

5．4．4 相变材料潜热利用率分析

5．5 四种构造墙体热性能对比分析

5．5．1 热惰性分析

5．5．2 相变材料潜热利用率汇总分析

5．6 本章小结

第6章 室内舒适性及相变通风墙节能性研究

6．1 室内舒适性研究

6．1．1 舒适性指标

6．1．2 计算结果与分析

6．2 相变通风墙节能性研究

6．2．1 空调耗能

6．2．2 风机耗能

6．2．3 节能性分析

6．3 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 主要工作

7．2 创新所在

7．3 后续工作与展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间成果

致谢