带有防晒墙的PCM墙体的动态传热特性数值研究

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在炎热的夏季,建筑外墙由于与太阳直接进行辐射换热,使得室内壁面温度受室外环境影响过大,这样不仅使得建筑冷负荷增大,且降低了居住环境的舒适性。建筑能耗本身就在我国的社会总能耗中占有较高的比重,且这份比重也将随着我国建筑总量的上升而不断增加。因此,采用合理的措施降低建筑能耗并提高人民居住环境的舒适性至关重要。在建筑中使用防晒墙,其与建筑外墙脱离开,有效的挡住了太阳的直射光,同时有利于空气在双墙空间内流通,能有效的降低室外环境对室内壁面温度的影响。而相变围护结构由于存在相变材料(Phase Change Material,PCM),能在环境温度高时吸收多余的热量,在环境温度低时释放吸收的热量,从而提高居住环境的舒适性并降低建筑能耗。本文将防晒墙与PCM墙体相结合,建立起二维墙体传热模型,并通过改变PCM层的空间位置、厚度、PCM的物性参数、双墙空间内风速、PCM层层数等因素,研究该墙体模型的动态传热特性。主要研究内容与结果如下:(1)数值研究了PCM层的空间位置和厚度对墙体热特性的影响。PCM层的空间位置考虑如下三种形式,分别为:形式一:不含PCM层的普通墙体;形式二:PCM层在建筑外墙外表面的PCM墙体;形式三:PCM层在建筑外墙内表面的PCM墙体。数值结果表明,无论普通墙体还是PCM墙体,其建筑外墙内/外表面温度和热流密度由于受室外空气温度随时间正弦波动的影响均呈现周期性变化。在相同作用条件下,PCM墙体内表面温度要比普通墙体内表面温度的波幅更小,且在时间上存在一定的滞后。对比形式二和形式三墙体模型,发现当PCM层在外墙外表面时,建筑外墙内表面的波峰温度更小;当PCM层在外墙内表面时,建筑外墙内表面的波谷温度更大。PCM层的厚度考虑5mm、10mm、15mm、20mm四种情况。随着PCM层厚度的增加,建筑外墙内表面温度和热流密度的波动范围逐渐减小,滞后时间逐渐增长。(2)数值研究了PCM的物性参数对墙体热特性的影响。主要通过改变PCM的相变温度、导热系数和相变潜热来研究建筑外墙热特性的变化。PCM的相变温度考虑两种变化方案:改变相变温度区间和扩大相变温度区间间隔。通过改变PCM的相变温度区间得到290K~292K、292K~294K、294K~296K三种不同相变温度区间的PCM墙体;通过扩大PCM的相变温度区间间隔得到292K~294K、291K~295K、290K~296K另外三种不同相变温度区间的PCM墙体。当PCM的相变温度区间越靠近室外随时间正弦波动的空气温度的平衡温度时,外墙内表面温度和热流密度的波动范围更小,且滞后时间更长;当PCM的相变温度区间低于室外空气的平衡温度时,可使外墙内表面的波谷温度提升更多;当PCM的相变温度区间高于室外空气的平衡温度时,可使外墙内表面的波峰温度削弱更多。扩大PCM的相变温度区间间隔,使得PCM在相变过程中处于糊状区的时间变长,从而使外墙内表面温度和热流密度的波动范围增大,时间滞后减弱。研究了1.0W/(m·K)、0.6W/(m·K)、0.2W/(m·K)三种不同的PCM导热系数对墙体热特性的影响,发现降低PCM的导热系数,使得整个墙体的热阻增加,从而有效削弱了室外空气温度对外墙内表面温度的影响。研究了74k J/kg、104k J/kg、134k J/kg、164k J/kg四种不同的PCM相变潜热量对墙体热特性的影响,发现增大PCM的相变潜热量,使得整个墙体的蓄热量增加,从而削弱了室外空气温度对外墙内表面温度的影响。(3)数值研究了双墙空间内的风速(3m/s、5m/s、7m/s)对墙体热特性的影响。计算结果表明,降低双墙空间内的风速,使得室外空气与墙体外表面间的换热强度减弱,从而削弱了室外空气温度对外墙内表面温度的影响。(4)数值研究了双层PCM层对墙体热特性的影响。将两种相变温度不同的PCM同时填充到建筑外墙中构成双层PCM层复合外墙,重点研究双层PCM层的空间位置以及两种PCM的相变温度对墙体热特性的影响。在本研究中,当相变温度低的石蜡RT-21位于外墙内表面,相变温度高的石蜡RT-27位于外墙外表面时,外墙内表面温度的波动范围最小。改变任意一种PCM的相变温度区间,当其相变温度区间更接近室外随时间正弦波动的空气温度的平衡温度时,外墙内表面温度的波动范围更小。
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