泡沫铝/石蜡复合相变材料蓄放热特性研究

摘要

将相变材料作为太阳房南墙的蓄热层是相变储能房间的主要方式，改善相变材料的热物性，研究相变储能房间的热特性，如何在保证人们舒适度的同时，能够合理、有效的利用能源，将建筑物能耗降到最低是目前建筑节能领域面临的重要问题。
　　本文选用石蜡类相变材料作为建筑墙体的蓄热材料，并将低熔点的液体石蜡和高熔点的固体石蜡按一定比例混合，利用差示扫描量热仪对混合石蜡相变材料的相变潜热、相变温度及其稳定性进行了实验研究。结果表明：当两种石蜡为7:13、3:7等比例时，其相变温度处于19～29℃之间，此时该混合石蜡的相变潜热为60kJ/kg～70kJ/kg，可作为置于墙体中的蓄热材料。利用KD2 Pro热特性分析仪对石蜡混合相变材料的导热系数进行了实验研究，结果表明：混合相变材料的导热系数较低，且其随着液蜡含量的增大而逐渐减小。
　　针对相变材料蓄热熔化时存在的泄漏问题，采用热熔法将高密度聚乙烯（HDPE）与石蜡混合物按一定的比例混合，并利用3D激光显微镜观察样品，表明配比为1:4的定型相变材料的微观结构更平均、紧密，更好的容纳石蜡。利用差示扫描量热仪和KD2 Pro热特性分析仪对定型相变材料的相变潜热、相变温度、均匀性、稳定性及其导热系数进行了实验研究。结果表明：加入聚乙烯对混合石蜡的相变温度几乎没有影响，相变潜热仅下降了约8％，且导热系数降低幅度也较小，其稳定性及均匀性较好，但聚乙烯/石蜡定型相变材料作为墙体中的蓄热材料存在导热系数小、易燃的缺点。
　　为了改善蓄热材料的导热性能，本文以泡沫铝作为多孔基质，填充熔点接近适宜温度的混合石蜡，制备泡沫铝/石蜡复合相变材料（英文，简称FAPC相变材料），并采用实验研究与理论分析相结合的方法研究了FAPC相变材料蓄热性能。结果表明：以泡沫铝作为基体的复合相变材料的相变潜热只下降了2%，但其导热性能有大幅提高，比聚乙烯/石蜡定型相变材料的导热系数提高了近10倍，强化传热效果显著。
　　将FAPC相变材料置入墙体结构中，采用实验的方法探究复合相变墙体的蓄放热特性，以及相变墙体对通道和房间的温度的影响，以检验FAPC相变材料的实用性。结果表明，当墙体内加入复合相变材料后，所在房间内的温度变化幅度减小，温度出现延迟现象，对太阳能通道的温度分布也有影响。
　　采用FULENT模拟软件，抽象出二维全尺寸模型，对加入石蜡定型相变材料及石蜡/泡沫铝复合相变材料墙体的温度场进行数值模拟。结果表明，在太阳房的南墙墙体中置入熔点接近适宜温度的相变蓄热材料，可以在较长的时间内保持室内温度的稳定。在蓄热阶段，FAPC相变墙体的融化速度远大于石蜡定型相变墙体的融化速度，且温度在Trombe墙结构内沿高度方向逐渐上升；在放热阶段，石蜡定型相变材料的液化率与均高于其他两组，导热系数越小，房间温度下降越明显，提高材料的导热性能有利于墙体保温。
　　将试验结果与数值计算结果进行比较，结果表明：南墙墙体中添加泡沫铝复合相变材料，由于相变过程在模拟中的延迟时间比实验的时间要长，并且在实验条件下不能彻底做到绝热，使得实验和模拟结果存在一定偏差，实验值较低，但最大不超过18%，在一定的误差范围内，满足实际要求。因此，在墙体内添加一定的泡沫铝能明显改善墙体的传热性能，可以在较长的时间内保持室内温度的稳定，最终实现建筑节能。

目录

符号说明

1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 墙体储热的主要类型

1.3 泡沫金属/相变复合储能材料的研究进展

1.4 主要研究内容

2 混合相变材料的制备与热物性研究

2.1 材料制备

2.2 相变性能实验研究

2.3 稳定性实验研究

2.4 混合石蜡导热系数的测定

2.5 适于墙体相变材料的选择

2.6 本章小结

3 蓄热材料的制备与热物性研究

3.1 定形相变石蜡的制备

3.2 定形相变材料的表征

3.3 定形相变材料相变性能的实验研究

3.4 定形相变材料的均匀性测试

3.5 定形相变材料试样的稳定性测试

3.6 定型相变材料导热系数的测定

3.7 FAPC相变材料热物性的研究

3.8 本章小节

4 FAPC相变墙体对太阳能通道温度及室内温度的影响

4.1 被动式太阳房

4.2 太阳辐射强度对太阳能通道和室内温度的影响

4.3 太阳能通道和室内温度的变化情况

4.4 相变墙体温度变化的对比研究

4.5 本章小节

5 相变墙体传热数值分析

5.1 实验模型描述

5.2 基于FLUENT有限元分析软件的数值模拟

5.3 模拟结果及分析

5.4 本章小节

6 总结与展望

6.1 主要结论及创新点

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表（录用）论文

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