外贴式复合相变墙体动态隔热机理及性能优化研究

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相变材料(Phase Change Material,简称PCM)应用于建筑墙体的研究主要集中在寒冷地区建筑围护结构冬季调温方面。而将相变墙体应用于建筑外墙夏季隔热方面的研究尚不深入,尤其在夏季昼夜温差较小地区建筑墙体夏季隔热方面的应用受到制约。本文基于相变传热原理,针对夏热冬暖地区外贴式复合相变墙体的动态隔热特性及其性能优化展开了相关研究。(1)分析了夏热冬暖地区外贴式复合相变墙体全周期动态隔热。针对夏热冬暖地区夏季昼夜温差较小的气候特点,依据PCM层熔化吸热、凝固放热特性,分析了PCM层在一个完整相变周期内相变传热的特点;创新性地提出外贴式复合相变墙体全周期动态隔热模式;在全周期动态隔热模式下,研究了PCM层的相变时间、相变温度、导热系数、相变潜热以及凝固放热方向等因素对外贴式复合相变墙体隔热性能的影响。(2)建立了外贴式复合相变墙体全周期动态传热数学模型。基于数学微分方程和热力学第一定律,从宏观尺度采用等效焓法建立了求解PCM相变时间的热焓方程,获得PCM层相变时间的理论计算公式;提出简化的“并联+串联”动态传热模式,建立了外贴式复合相变墙体全周期动态隔热模式下传热数学模型;结合PCM层相变时间的理论公式,应用分离变量法、等效热容法对传热微分控制方程进行数值求解,获得外贴式复合相变墙体全周期动态隔热下其内表面温度的动态响应表达式。(3)开展了隔热用复合相变材料的制备及其性能表征实验。基于外贴式复合相变墙体全周期动态隔热概念,提出满足隔热要求的PCM及其载基的选配原则和方法;采用步冷曲线法,对一元PCM及其混合物进行测试,确定了最佳配比(2:98、1:8:1)及其载基对其的最大吸附率为57.14%;对海泡石进行酸(盐酸)改性后,其脱镁率为45.63%;制备的海泡石基复合相变材料,其相变温度和相变潜热分别为:40.94/39.7℃、120.3/122.5J/g,化学稳定性和热稳定性良好;基于改进的T-history法对PCM在固态和液态下的比热、导热系数、相变潜热进行测试和计算,获得PCM及其复合材料的基本参数,为PCM层全周期动态隔热数学模型的理论计算提供基础数据。(4)验证了全周期动态隔热数学模型的可靠性并分析了影响隔热性能的因素。制备了复合相变水泥板材,搭建了外贴式复合相变墙体隔热性能测试平台,制定了测试方案;利用自编程序进行数值求解,将理论计算结果与实测数据进行对比,其最大偏差为9.8%,验证了外贴式复合相变墙体全周期动态隔热数学模型可靠性;研究了PCM层的相变潜热、相变温度、导热系数、PCM厚度等参数对外贴式复合相变墙体隔热性能的影响。(5)提出了外贴式复合相变墙体PCM层的结构优化方案。提出以中空板为载体的PCM层结构优化方案(即PCM1层+空气层+PCM2层),并将制备双层相变板材应用于搭建的测试平台进行实测,测试小室与参照小室之间的平均温差分别为:6.5℃(东)、7.2℃(南)、9.3℃(西)、5.2℃(北);通过理论计算和对比,外贴式复合双层相变墙体的实测值与理论计算值的最大偏差为1.4%,属于可接受范围,从而验证了外贴式双层复合相变墙体全周期隔热计算方法的可靠性;研究了不同相变温度、不同导热对外贴式双层复合相变墙体动态隔热性能的影响。
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