3.1.1 辐射强度的影响
本次实验首先测试了垂直于构件上表面三种辐射强度下四块实验构件的融化和凝固过程.各辐射强度下相变构件和非相变构件的外表面温度如图7所示.
由图中可以看出,各工况下的外表面温度均呈现相同的趋势:融化过程开始后,由于辐射得热的作用,构件外表面温度迅速升高并逐渐达到稳定; 凝固过程开始后,由于构件表面与空气之间温差的作用,构件外表面温度迅速降低并逐渐稳定.即温升和温降的速率在融化和凝固的起始阶段较大,随着融化和凝固过程的进行而逐渐减小.
对比非相变构件的温度曲线可知,在融化阶段起始的两小时内,不同辐射强度下非相变构件外表面温度平均升高了23.0 ℃,相变构件平均升高21.7 ℃,融化阶段结束时非相变构件外表面温度比相变构件平均升高了1.7 ℃.在凝固阶段起始的两小时内,相变构件外表面温度平均降低了23.3 ℃而非相变构件外表面温度平均降低24.0 ℃,即添加相变材料不仅降低了融化(凝固)起始阶段的外表面升温(降温)速率同时也降低了外表面最终温度.
对比同一构件不同辐射强度的温度曲线可知,增大辐射强度可增加融化和凝固初始阶段的温升速率,同时也增大了构件外表面的最终温度.由图7(a)可以看出,当垂直于构件上表面的辐射强度为232 W/m2和432 W/m2时,融化过程约6 h和 8 h后温度达到稳定.即辐射强度增大时,外表面温度到达稳定所需的时间会相应增加.
图7 不同构件外表面温度
Fig.7 External surface temperature of different component
由图8可以看出,各辐射强度下融化阶段相变构件和非相变构件的内外表面温差变化均呈现相同的趋势:融化开始时温差迅速升高至最大值,之后逐渐降低并达到稳定.融化过程开始时,外表面温度迅速升高,内表面温度由于构件自身的延迟而并未快速响应,从而温差会迅速升高.待室外边界影响到内表面温度后,内外表面温差则逐渐降低.
图8 构件内外表面温差
Fig.8 Temperature difference between inner and outer surfaces of component
对比非相变构件的温差曲线可知,添加相变材料增大了内外表面温差,且增大了温差到达峰值的时间,即添加相变材料延长了内表面温度的响应时间.对比同一构件不同辐射强度的内外表面温差可知,当垂直于构件上边面的辐射强度每增大100 W/m2时,相变构件内外表面温差相应增大约4 ℃,非相变构件增大约0.8 ℃.
3.1.2 水平风速的影响
如图9为各风速条件下相变层厚度为20 mm构件的外侧空气综合温度及上下表面温度.
图9 风速对构件温度的影响
Fig.9 Effect of wind speed on component temperature
由图中可以看出,水平风速对空气综合温度的影响最为明显,空气综合温度的峰值出现在6 h左右.由图9(a)中三条曲线对比可知,在得热量从构件外侧传递到构件内侧的过程中,温度波幅会有相应程度的衰减,且温度峰值出现的时间也会有一定的延迟.这是因为热量在传递时会被材料吸收从而导致了传热的衰减现象.对比不同风速条件的曲线可知,增加风速会降低外侧空气综合温度波幅,进而使得构件的外表面温度波幅和内表面温度波幅降低.
3.1.3 相变层厚度的影响
如图 10为1 m/s风速条件下不同相变层厚度构件的外侧空气综合温度及内外表面温度.对比图中不同相变层厚度的温度曲线可以看出,增加相变层厚度对构件外表面温度波幅的影响较小,而对构件内表面温度波幅的影响较大.当相变层厚度由0 mm增加至40 mm时,外表面温度波幅由62.0 ℃降为47.6 ℃,降低了23.2%,而内表面温度波幅由58.9 ℃降为32.0 ℃,降低了45.7%.
图 10 相变层厚度对构件温度的影响
Fig.10 Effect of phase change layer thickness on component temperature
3.1.4 传热衰减度与延迟时间
图 11为不同风速工况、不同相变层厚度构件的传热衰减度.传热衰减度即围护结构外侧综合温度的波幅与内表面温度波幅的比值.由图中可以看出,不同风速条件下,不同厚度的相变层均会明显增大传热衰减度.随着风速的增加,传热衰减度的变化趋势不明显,结合风速对构件温度影响的曲线可知,这是由于增加风速会同时影响外侧空气综合温度和内表面温度.当相变层厚度由20 mm增加至30 mm时,传热衰减度并未明显增加,分析这是由于相变层厚度为30 mm时,相变过程仍然能够完全发生,而当相变层厚度为40 mm时,一部分相变材料并未发生相变,仅增加了构件的厚度,因此传热衰减度明显增大.当风速为3 m/s,相变层厚度为40 mm时,传热衰减度达到最大,最大为6.4.
图 11 传热衰减度
Fig.11 Heat transfer attenuation
图 12为不同风速工况、不同相变层厚度构件的传热延迟时间.延迟时间即内表面温度波对外侧综合温度的相应滞后.由图中可以看出,传热延迟时间随风速的增加呈现减小的趋势,但当风速继续增加时,传热延迟时间基本不再变化.当风速由自然对流增加到3 m/s时,各构件的传热延迟时间平均减小0.7 h.传热延迟时间随相变层厚度的增加而增加,但当相变层厚度较大时,传热延迟时间随相变层厚度的增加幅度较小.当相变层厚度由0 mm增加至40 mm时,各风速下的传热延迟时间平均增加1.6 h.
图 12 传热延迟时间
Fig.12 Heat transfer delay time
3.2 模拟结果与讨论
3.2.1 分层形式的影响
将相变材料应用于围护结构中时,相变层可放置于室内侧或室外侧.为了讨论分层形式对相变隔热屋顶热工性能的影响,传热模型中分别设置相变层在室外侧和相变层在室内侧两种形式,同时保持相变层和隔热层的厚度不变,分别为20 mm和40 mm.以下将对两种分层形式的外表面温度、内表面温度进行对比分析讨论.
图 13(a)为两种分层形式下屋顶外表面温度.对比太阳辐射强度曲线图可以看出,随着屋顶室外侧太阳辐射强度的增加,外表面温度呈现明显升高的趋势,即太阳辐射对屋顶外表面温度的影响效果明显.当相变层在室外侧时,屋顶外表面峰值温度较小,且屋顶外表面温度波幅也较小.即相变层设置在室外侧时,可借助相变材料的潜热作用来降低屋顶外表面温度.
图 13 不同分层形式的屋顶表面温度
Fig.13 Roof surface temperature of different layered forms
如图 13(b)为两种分层形式下的屋顶内表面温度以及室外空气综合温度.由图中可以看出,屋顶内表面温度相对室外空气综合温度有明显的衰减和延迟.当相变层在室外侧时,屋顶的传热衰减度为2.91,内表面峰值温度为32.6 ℃; 当相变层在室内侧时,屋顶的传热衰减度为2.64,内表面峰值温度为34.2 ℃.因而,将相变层设置在室外侧时,屋顶的传热衰减度较大,同时内表面峰值温度较小.
综上,对比以上两种分层形式可知,相变层在室外侧时可更好地降低内外表面温度并增加传热衰减度.所以将相变层设置在室外侧能使围护结构更好地应对室外环境的波动,起到隔热的作用,以减小室外环境对室内环境的影响.
3.2.2 相变层厚度的影响
当相变层中相变材料的质量分数不变时,改变相变层厚度即代表改变了相变材料的用量.为了探究相变层厚度对相变隔热屋顶热工性能的影响,传热模型中分别设置10 mm、20 mm、30 mm和40 mm的相变层厚度,且隔热层均为40 mm.以下将对各工况的外表面温度、内表面温度和分界面温度进行对比分析讨论.
图 14为不同相变层厚度下屋顶的外表面温度.对比图中曲线可知,随着相变层厚度的增加,屋顶外表面温度的波幅呈现减小趋势,但变化效果不明显,当相变层厚度由10 mm增加至40 mm时,外表面温度波幅从10.5 ℃降低至9.6 ℃.外表面温度日均值不受相变层厚度影响,当相变层厚度由10 mm增加至40 mm时,外表面温度日均值一直保持在33.0 ℃.
图 15为不同相变层厚度下屋顶的内表面温度及室外的空气综合温度.由图中可以看出,屋顶内表面温度相对室外空气综合温度有明显的衰减和延迟,且传热衰减度和传热延迟时间均随相变层厚度的增加而增加.当相变层厚度由10 mm增加至40 mm时,传热衰减度从2.38增加到了4.94.
图 16为不同相变层厚度下相变层与隔热层分界面的温度,其中两条水平线为相变温度区间.通过对分界面温度与相变温度的比较,可以判定相变层是否已经完全液化或凝固.对比图中各曲线可知,相变层厚度增加时,相变隔热屋顶在蓄热时完全液化的时间越晚,同时放热时完全凝固的时间也越晚.但当相变层厚度大于30 mm时,分界面温度在夜间放热时已无法降低至相变温度区间以下,即相变材料在夜间不能完全释放潜热,因此相变层厚度不能大于30 mm.
图 14 屋顶外表面温度
Fig.14 External surface temperature of roof
图 15 屋顶内表面温度
Fig.15 Internal surface temperature of roof
图 16 分界面温度
Fig.16 Roof interface temperature
综上,相变层厚度越大,内外表面温度波幅均会减小,且屋顶的传热衰减度和传热延迟时间均会增大,这使得屋顶更有利于隔热.但是当相变层厚度大于30 mm后,相变层将不能完全放热,因此相变层合理的厚度应为30 mm.
3.2.3 相变温度的影响
相变材料虽然可以在相变过程中储存大量潜热,但是如果相变温度区间选择不恰当时,就不能良好地发挥其潜热的作用.因而相变温度区间作为遴选相变材料时所需要考虑的重要参数之一,往往对相变材料的应用效果有着巨大的影响.为了对比相变温度区间对相变隔热屋顶热工性能的影响,传热模型中设置相变温度区间为28~30 ℃、30~32 ℃、32~34 ℃、34~36 ℃、36~38 ℃和38~40 ℃的对比工况,同时保持其他参数不变.以下将选取三种相变温度区间的结果进行直观对比,并对各工况的外表面温度和内表面温度进行分析讨论.
如图 17 为不同相变温度区间下屋顶的表面温度.由图可知,由于相变温度的不同,虽然各外表面温度曲线在蓄热升温和放热降温的阶段的变化速率不同,但当温度进入各自的相变区间时,各外表面温度曲线的升温速率和降温速率均会呈现减小的趋势.内表面温度随相变温度区间的变化趋势与外表面温度曲线相似.为了进一步分析相变温度区间的影响,图 18中列出了各工况下屋顶的传热衰减度,对比可知,由于相变温度区间的变化影响了内表面温度的波幅,所以当相变温度区间升高时,传热衰减度呈现先增大后减小的趋势.在相变温度区间处于34~36 ℃时传热衰减度达到峰值4.7.
图 17 不同相变温度区间的表面温度
Fig.17 Surface temperature of different phase change temperature ranges
图 18 不同相变温度区间的屋顶传热衰减度
Fig.18 Heat transfer attenuation of roof in different phase change temperature range
综上可知,相变潜热会使得内外表面温度在进入相变区间时升温和降温的速率减小,故而改变相变温度区间会改变温度曲线的走向,进而改变内外表面的温度波幅.如图 17所示,当相变温度区间处于34~36 ℃时传热衰减度达到最大值,即该工况下相变隔热屋顶的隔热效果最好.