基于ANSYS的相变储能建筑材料温度响应特性的研究

基于ANSYS的相变储能建筑材料温度响应特性的研究

基于ANSYS的相变储能建筑材料温度响应特性的研究/胡小芳等 83

基于ANSYS的相变储能建筑材料温度响应特性的研究3

胡小芳1,2,肖　迪1

(1　华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510640;2　华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室,广州510640)

摘要　　将石蜡相变储能微囊与石膏复合制备了复合建材,检测了复合建材墙体温度对环境温度变化的响应,结果表明,复合建材的温度变化响应曲线达到峰值的时间较常规建材滞后,存在温度相对稳定阶段。通过简化复合建材物理模型建立了传热方程,得到了仿真墙体内层壁温对外层壁温的响应特性,结果表明,常规建材内层壁面温度对外层壁面温度变化的响应基本无滞后现象,且不存在温度相对恒定阶段,而复合建材内层壁面温度对外层壁面温度变化的响应有滞后现象,且存在温度相对恒定阶段,最高温度也较低。由此可知,将相变储能材料引入到建材中,可达到降低建筑物内部温度、减小建筑物空调制冷系统容量的目的,为降低建筑制冷能耗和费用提供了良好途径。

复合建材　相变材料　温度响应　仿真关键词　　

ResearchonthePropertiesofthePhaseBuildingMaterialTemperture,2,(1　SchoolofUniversityofTechnology,Guangzhou510640;2　KeyLaboratory

ofPolymertheofEducation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640)

Abstract　　Thecomplexbuildingmaterialispreparedbymixingtheparaffinphasechangepowerstoragemicro2capsules.Thetestingoftheboardtemperaturerespondingtotheenvironmenttemperaturechangeshowsthatthereisalagoftheresponsecurveofthecomplexbuildingmaterialcomparedwiththenormalmaterial,andthecomplexmate2rialalsohasarelativelystabilizationstageoftemperature.Aftersimplifyingthephysicalmodelofthecomplexmateri2al,andestablishingtheheattransferequation,thesimulationresultsoftheinnerlayersurfacetemperatureinresponsetotheoutsidelayersurfacetemperatureindicatethatthereisnolagoftheinnerlayersurfacetemperatureinresponsetotheoutsidelayersurfacetemperaturechangeofthenormalbuildingmaterial,andnorelativelytemperaturestabiliza2tionstage.Butthecomplexbuildingmaterialhasareverseresults,andthemaximumtemperatureisalsolower.Thereat,itwilldecreasetheinnertemperatureofthebuildingandreducethecapabilityofthebuildings′airconditionerrefrigerationsystem.Ifthephasechangepowerstoragematerialsareintroducedintothebuildingmaterials,anditalsosuppliesagoodapproachtoreducethebuildingrefrigerationpowerconsumptionandcharge.

Keywords　　complexmaterial,phasechangematerials,temperatureresponse,simulation

0　引言

相变材料(Phasechangematerials,PCMs)可在等温或近似等温的相变过程中吸收或释放大量的热,即其相变温度段的等效比热很大。近年来,由于能源问题的日益突出,相变材料凭借其降低能耗和减少对环境负面影响的优势被广泛运用于建材、纺织、农业、太阳能利用、军事等领域[1-3]。利用相变材料的蓄热、放热特性,可以调整、控制建筑物内部及周围环境的温度,减轻能源供求在时间和速度上的不匹配,使建筑达到自调温效果[4]。

因此,研究PCMs复合相变储能建材对外界温度变化的响应特性将为相变储能建材的性能和使用提供重要的参数依据。

　3广东省工业攻关项目基金资助项目(2005B10301051)

本研究利用自制的石蜡相变储能微囊(Paraffinphasechangeheatstoragemicrocapsule,PPCHSM)与石膏基材复合制备了相变储能建材,测试了其墙体温度对环境温度变化的响应关系,通过简化材料物理模型建立了传热方程,得到了仿真模拟墙体内壁温度对外壁温度响应的规律。

1　实验

1.1　药品与仪器

石蜡:化学纯,天津市化学试剂一厂;石蜡储能微囊:粒度范围8～17μm,华南理工大学工业装备与控制工程

β实验室制备;2石膏:广东省佛山市三水广铁联营石膏厂;

差示扫描量热仪:温度范围170～700℃,德国NETZSCH公司生产。

　胡小芳:1956年生,博士,教授,主要从事粉体工程方向及其交叉学科研究

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1.2　石膏基石蜡储能板材的制备

材料导报:研究篇　　2009年11月(下)第23卷第11期

将β2石膏和石蜡储能微囊按照一定比例混合,然后按照β2石膏与水的质量比为100∶60加入水,搅拌至体系具有一定黏度后将其倒入成型模具中定形固化β,2石膏和水发生水化反应:

β　　　　2CaSO4+1.5H2O→CaSO4 2H2O

随着水化时生成的二水石膏的针状晶体交错生长、互相连生,导致石膏浆体的凝结和硬化[5]。待模内石膏板具有一定强度后开模取出,即得石膏基石蜡相变储能建筑材料板材。

不作简化,直接采用二、三维数值模拟,在许多情况下不仅计算量很大,而且没有必要。本研究通过简化材料的物理模型,建立了相关的传热数学模型,采用ANSYS进行仿真分析,得出了不同试样对温度变化的响应特性。

2.1　物理模型的简化与传热模型的建立

本研究将相变储能微囊与常规建筑材料石膏混合,得到了具有储能功能的建筑材料(剖面图如图3所示)

。

1.3　相变储能墙体对环境温度变化的响应测试

按照上述的方法将相变储能建筑材料制备成试块,在试块中预埋热电偶,试块中热电偶与测试系统连接好后置于室外环境中进行温度变化的响应测试。测试系统如图1所示,测试结果如图2

所示。

Fig.3　Sectionplanofthegypsumbasalbodyphase

changepowerstoragematerial

由于微囊在基体结构中的排列是无规则的,这就为数学描述带来较大困难。为了简化问题的求解,假设截取一部分基体结构,使所截取的高度远大于结构的厚度,假定在截取的高度内微囊的排列是整齐的,并忽略微囊之间的囊壁面对传热的影响,就可以将复合储能材料的结构分为如图4所示的3个部分:内、外层是石膏层,中间是相变材料层,并建立了如图4

所示的坐标系。

从图2中可以看出,含石蜡储能微囊试样的温度变化响应曲线达到温度峰值的时间较未含相变储能微囊试样滞后,温度相对稳定的持续时间也较长。因此,将相变储能材料引入建筑基体材料中,对维持建筑物温度恒定、降低建筑物制冷能耗具有积极的作用。

图4　复合相变储能材料的数学模型

Fig.4　Mathematicalmodelofthecompoundphase

changepowerstoragematerial

2　仿真分析

与一般复合材料不同,含有相变材料(PCMs)的复合材料在其相变温度附近的比热容不是常数,而是温度的强函数[6],从而使得利用解析方法难以确定相变复合材料的瞬态热性能,但是若对含有相变材料的复合材料的瞬态导热问题

针对图4可建立其导热传热的数学描述方程[7]:

2α(1)　　　　=1　　0<x<L1

x22(2)　　　　=α　　L2<x<L32

x2

αα式中:t1、t2为外层、内层石膏基体结构的温度;1、2为外层、

内层石膏基体结构的导热系数;τ为时间。

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基于ANSYS的相变储能建筑材料温度响应特性的研究/胡小芳等2.2　边界条件

本研究假定采用本实验制备的石膏基石蜡相变储能材料作为空调建筑的墙体结构,且忽略湿度因素,则在传热过程中所受到的扰量主要包括2部分[8]。(1)室内部分:人、设备、室内空气等对其内表面的散热;(2)室外部分:太阳、室外空气等对其外表面的散热。对于空调建筑,一般可以认为外围结构的内表面温度是恒定的;而室外只考虑太阳、室外空气的周期性作用。本试验中只考虑温度的变化,从而可以提出外围结构传热数学模型的边界条件:

(3)　　　　t=T(周期性变化)　　　x=0

补充初始条件为:

(4)　　　　t2=t1=t0<tp　　　t=0

式中:tp为固2液相变温度。

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采用余弦函数近似拟合表示。相变储能石蜡的焓是一个随温度变化的量,根据图5,输入不同温度下的焓值,通过插值得到的焓值随温度变化的曲线如图7

所示。

2.3　ANSYS仿真

相变问题实际上是一种非线性的瞬态热分析问题[9]。非线性与线性问题的唯一差别在于非线性问题需要考虑相变过程中吸收或释放的潜热[10-12]。ANSYS随温度变化的焓来考虑潜热[13]。,

图7　ANSYS插值相变储能石蜡焓随温度变化的曲线Fig.7　changeheatinenthalpychange

withinterpolation

,8所示。图8(a)为不含相变储能外层壁面温度变化的曲线,图8(b)为含石蜡储能微囊试样内、

外层壁面温度变化的曲线。

图5　石蜡DSC和焓值变化的曲线

Fig.5　DSCandenthalpycurveofparaffin

假设加入石蜡相变储能微囊的石膏板的导热系数不随

温度变化而发生改变,且环境温度呈连续周期性变化,1天中最高温度为32℃,最低温度为18℃,则日温度变化曲线如图6

所示。

图8　内层壁面温度对外层壁面温度变化的响应曲线Fig.8　Temperaturechangecurveoftheinnerlayersurface

respondtooutsidelayersurfacetemperaturechange

图6　日温度变化曲线

Fig.6　Daytemperaturechangecurve

由于温度是连续变量,在ANSYS中需要对其分段建立时间和温度的函数,本实验分2段建立方程,以表示1天内的温度变化。升温段采用抛物线方程近似拟合表示,降温段

从仿真后所得不同石膏板材试样的内、外层壁面温度的

变化曲线可知:未加入相变材料的石膏板材,其内层壁面温度对外层壁面温度变化的响应基本无滞后现象,且不存在温度相对恒定阶段;而在石膏板材中加入石蜡储能微囊后,内层壁面温度对外层壁面温度变化的响应有滞后现象,且存在温度相对恒定阶段,最高温度也较低,这是由于相变储能材料潜热储能的缘故,温度在相变区间相对恒定。对比实际测试结果可知,仿真结果与测试结果一致,说明仿真物理模型的简化、传热方程的建立较为准确。

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3　结论

测试了石蜡相变储能微囊与石膏基体复合得到的相变

储能复合材料的墙体温度对环境温度的变化响应,结果表明,温度变化响应曲线达到温度峰值的时间较未含相变储能微囊的试样滞后,温度相对稳定的持续时间也较长。通过简化物理模型建立传热方程,仿真模拟了不同石膏板材试样的内层壁面温度变化对外层壁面温度变化的响应特性,结果表明,加入石蜡相变储能微囊后,内层壁面温度对外层壁面温度变化的响应有滞后现象,且存在温度相对恒定阶段,峰值温度也较低,仿真结果与实验结果相符,说明模型的建立和简化较为准确。在实际应用中将相变储能材料引入到建筑材料中,由于相变材料的潜热储能可使建筑物本身具备很大的热容,从而达到降低建筑物内部温度、减少建筑物空调制冷系统容量的目的,为降低建筑制冷能耗和费用提供了良好的途径。

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(责任编辑　云　哲)

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