研究相变材料的热性能

2017年 9月 18日

在炎热的气候下使建筑物保持稳定的温度通常需要大量的能量。改善热性能的一种选择是在建筑物中加入相变材料(PCM)。为了研究相变材料在调节温度方面的有效性,研究人员使用 COMSOL Multiphysics® 软件对包含 相变材料 的新型灰泥进行了模拟。然后,他们分析了相变材料增强型灰泥的热性能,并将仿真结果与参考的灰泥进行了比较。

使用相变材料提高建筑物的热性能

建筑物中的主动温控系统可以帮助人们在极端天气条件下保持舒适。例如,这类系统可以在“夏季主导”的地方维持室内恒定的温度,这些地方通常在白天非常温暖,晚上非常凉爽。然而,主动温控系统会消耗大量能量。全天 24 小时运行也很昂贵,这使得它们在这种气候下保持稳定的室内温度不太理想。

被动温控系统具有更高的效率。这些系统的一个优点是它们可以用更少的能量运行。它们还可以与主动温控系统配合使用,从而最大限度地减少保持恒定温度所需的能量。此外,被动温控系统可以在施工期间包含在建筑物中,有助于在结构的整个生命周期内降低能耗成本。

墙壁上涂着标准灰泥的卧室照片。
正在改造的卧室。墙壁上涂着着标准的灰泥。

在建筑构件中使用相变材料是被动温控的一种方法。当相变材料发生相变时,开始在很小的温度范围内吸收或释放其潜热,这取决于它们是处于液相还是固相。这样做会增加建筑物的热惯性。因为相变材料可以根据需要提供或储存热量,在日常温度变化较大的地区的建筑物中使用相变材料尤其具备优势。但是,这种相变材料的热性能在长期炎热的气候中不太有用,因为它们也会保持高温。

为了优化相变材料在建筑物中的应用, Frederick 研究中心和 Cyprus 大学的研究团队使用了数值仿真。

基于数值仿真的新相变材料增强型灰泥建模

为了研究相变材料在建筑构件中的热性能,研究人员创建了一个三维模型,该模型由混凝土块和一层灰泥组成。他们在灰泥中添加了不同重量的相变材料:

  • 5%
  • 10%
  • 20%

相变材料可以根据炎热气候中的温度变化进行调整。Micronal 5038X 的熔化温度为 26°C,因此可以作为相变材料使用。为了了解相变材料在管理温度方面的效果,该模型还包含了一个参考灰泥作为比较。

建筑构建的几何图形。
建筑构件的几何图形。图片由 A. Kylili、M. Theodoridou、I. Ioannou 和 P.A. Fokaides 提供,摘自他们的COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的论文

该模型通过相变传热 接口描述相变材料的行为。该接口可以帮助预测这类材料在相变时如何转变。在本例中,研究人员在整个模拟过程中用 Micronal 5038X 确定灰泥中的温度传递。

模型中的外部温度基于每小时平均测量的温度。使用真实温度可提高仿真的准确性,从而更真实地了解相变材料在特定气候下的热性能。

请注意,您可以在 COMSOL Multiphysics 中访问 6000 多个不同区域的气象数据。要了解如何操作,请查看这篇关于房屋内部和周围空气流动传热模拟的博客文章。

分析相变材料增强型灰泥的仿真结果

让我们来看看仿真结果与实验数据的比较情况。如下图所示,参考灰泥和 5% 相变材料灰泥的温度峰值和时间都显示出良好的一致性。根据这些结果,还可以验证包含 10% 和 20% 相变材料的灰泥。

参考灰泥和包含相变材料灰泥的仿真和实验结果对比图。
参考灰泥和 5% 相变材料灰泥的仿真和实验结果的比较。图片由 A. Kylili、M. Theodoridou、I. Ioannou 和 P.A. Fokaides 提供,摘自他们的 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的论文。

在查看不同灰泥的热性能时,我们可以看到灰泥中相变材料的百分比越高,性能越好。使用 Micronal 5038X 可以最大限度地减少建筑内部在 24 小时内的温度变化。此外,建筑达到最高和最低温度需要更长的时间。

相变材料的另一个有用方面是它可以适应不同的白天和夜间温度。在 24 小时内,相变材料能够相变两次。

含不同百分比相变材料的灰泥热性能比较。
COMSOL 模型显示了包含相变材料增强灰泥的建筑构建的温度分布。

左:含有不同百分比相变材料的灰泥热性能。右:使用了相变材料增强灰泥的建筑构建中的温度分布。图片由 A. Kylili、M. Theodoridou、I. Ioannou 和 P.A. Fokaides 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的演讲

基于研究人员的模拟结果,并通过实验数据验证,可以优化用在炎热气候下的建筑物中的新型增强灰泥。

了解有关相变材料建模的更多信息


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