蓄能建筑墙体中相变材料部分熔化特性与非对称模型研究

The thermal performance of building envelope can be improved by integrating with phase change material (PCM), which is recognized as one of the effective method to reduce the building energy consumption. Because phase change process is not truly isothermal, PCM has its own phase change temperature range, it may be in partially-melted state or partially-solidified state during application. In this proposal, the partially-melted state of PCM will be studied by theoretical and experimental analyses. The effect of melting rate on the supercooling degree of PCM will be analyzed based on the absorbing and releasing heat characteristics of partially-melted PCM, the solidification mechanism of partially-melted PCM will be explained, the feasibility and effect of decreasing the supercooling degree by controlling the melting rate of PCM will be discussed, the asymmetric model of PCM walls will be built based on the asymmetry of melting process and solidifying process, and the relationships among temperature, melting rate, supercooling degree, surface heat flux and thermal performance of building walls will be obtained. This research will provide theoretical supports and useful data for the thermal analysis of PCM walls and the application of PCM.

将相变材料应用于建筑围护结构中可以提高围护结构的热性能，是降低建筑能耗的一种有效有段。由于相变过程并非严格的等温过程，实际的相变材料都具有一定的相变温度区间，其在使用过程中有时会处于部分熔化或部分凝固状态。本项目将采用理论和实验研究相结合的方法针对相变材料在使用过程中存在的部分熔化现象进行研究，通过分析相变材料部分熔化时降温的吸放热特性，弄清熔化程度对相变材料自身过冷度的影响规律，阐明相变材料部分熔化时降温凝固机理，探讨通过控制相变材料熔化程度来降低其过冷度的可行性和效果，并基于相变循环中熔化过程和凝固过程的非对称性建立相变蓄能墙体非对称数学模型，最终理清材料温度、熔化程度、过冷度、表面热流、墙体性能之间的关系，从而为相变蓄能墙体性能模拟分析以及相变材料在墙体中的实际应用提供理论依据和数据参考。

将相变材料应用于建筑围护结构中可以提高围护结构的热性能，是降低建筑能耗的一种有效手段。本研究采用理论分析与实验研究相结合的方法针对相变材料部分熔化时的相变性能、相变材料熔化状态对墙体热性能的影响、相变材料熔化过程和凝固过程的非对称性、墙体内最优的相变材料层位置等方面进行了研究。结果表明对于过冷度较大的相变材料，其降温冷却前所处的状态会影响其冷却过程，当材料处于部分熔化状态时降温冷却，相比于完全熔化，虽然此时不能释放全部潜热，但它的过冷度却能大大降低；而将相变材料应用于建筑墙体内时，相变材料的熔化状态也会影响到墙体热性能的提升；同时本研究还提出了一种“部分熔化DSC测试方法”来测量相变材料的熔化结束点温度，并以一种石蜡类相变材料为例，通过该方法得到了它的熔化结束点温度值，而该温度值不受加热速率的影响；研究表明无论是动态DSC测试还是分步DSC测试，实验结果都表明相变材料的熔化过程和凝固过程是非对称的；此外以南京市为例，建立了相变蓄能墙体传热的数学模型，找到了不同季节乃至全年工况条件下的墙体内最优的相变材料层位置。