摘 要

相变蓄能墙体是一种新型的、节能效益高的围护结构，并成为绿色建筑的热门研究方向。相变材料通过相态的变化来储存能量，在需要时以一定的方式释放能量，并且可以有效地调节建筑物的热环境和建筑能耗。本文采用CFD模拟的方法，建造相关相变墙体的网格模型，并以武汉为相变建筑所在地，对传热过程进行了模拟。

基于相变传热过程中的相变现象，本文利用相变材料的储能和传热性能进行了数值模拟，并用CFD模拟方法，建立了相变蓄热集热墙的三维非稳态模型。根据武汉的气象条件，模拟了墙体的内部热力性能。通过一天内不同时间内的实验数据，验证了该模型具有一定可靠性，并可以证明相较于普通墙体，相变材料可以使墙体外表面温度降低5K左右的温度。

本研究提出了一个简单的CFD相变蓄能建筑模型，利用该模型能模拟部分相变蓄能墙体的热工性能。利用该模型分析出相变材料与室内热环境的关系，所得结果表明相变蓄热墙体有较高的热效率，并为高效节能建筑设计和工程应用提供了参考。

关键词：相变蓄能；相变传热模型；CFD模拟；气候区分析；建筑节能

Abstract

The phase change energy storage wall is a new type of energy-efficient enclosure structure and has become a hot research direction for green buildings. Phase change materials store energy through changes in phase state, release energy in a certain way when needed, and can effectively regulate the thermal environment and building energy consumption of buildings. In this paper, the CFD simulation method is used to construct the grid model of the phase change wall, and the heat transfer process is simulated using Wuhan as the phase change building site.

Based on the phase transition in the phase change heat transfer process, this paper uses the energy storage and heat transfer properties of phase change materials for numerical simulation, and uses the CFD simulation method to establish a three-dimensional non-stationary model of the phase change thermal storage and heat collecting wall. According to the weather conditions in Wuhan, the internal thermal performance of the wall was simulated. Through the experimental data at different times of the day, it is verified that the model has certain reliability, and it can be proved that the phase change material can lower the external surface temperature of the wall by about 5K compared with the ordinary wall.

This study proposes a simple CFD phase change energy storage building model, which can be used to simulate the thermal performance of part of the phase change energy storage wall. The model was used to analyze the relationship between the phase change material and the indoor thermal environment. The results show that the phase change thermal storage wall has a higher thermal efficiency, and provide a reference for energy efficient building design and engineering applications.

Keywords: Phase change thermal storage, Phase change heat transfer model, CFD, Climate zones analysis, Building energy conservation

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 研究现状 2

1.2.1相变蓄热技术与相变蓄热建筑 2

1.2.2 相变蓄能建筑研究现状 3

1.2.3 相变蓄热墙的数值模拟方法 4

1.3 主要研究内容与方法 4

1.3.1 研究内容 4

1.3.2 研究方法 5

第二章 相变材料的制备及应用 6

2.1 相变材料的选择 6

2.2 相变材料的制备 7

2.3 相变材料与围护结构的结合方式 8

2.5 本章小结 10

第三章 相变蓄热墙体热性能的模拟研究 11

3.1 CFD求解过程与模型 11

3.2 相变传热过程分析 12

3.3 模型的建立和边界条件的设置 13

3.3.1 相变墙体动态传热模型建立 13

3.4 模型的建立和边界条件的设定 15

第四章 模拟结果分析 18

4.1 物理模型与模拟结果 18

4.2 武汉地区热工特性分析 21

4.3 模拟结果分析 22

4.3.1 有、无相变材料时对相变蓄热墙体的影响 22

4.3.2 不同相变温度的PCM热工性能比较 23

4.4 本章小结 25

第五章 总结与展望 26

5.1 全文总结 26

5.2 展望 26

致 谢 28

参考文献 29

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

能源（Energy Source），是国民经济的重要物质基础。随着国际社会的发展，能源消耗量越来越大。根据国际能源机构公布的数据：在1984至2004年这二十年间，一次能源消费增长了49％，二氧化碳排放量增长了43％。其中我国能源消耗量最为突出，在这二十年内能源消耗增长率翻了一番^[1]

建筑能耗约占社会总能耗的三分之一，是我国社会三大能源消耗之一。表1.1给出了我国2012年建筑总能耗的统计结果，根据统计出的数据，建筑能耗约占全国能源消耗总量的19.1%。

表1.1 中国2012年建筑总能耗

目前，我国处在城市化发展的高潮，并正在积极进行转型跨越，向绿色社会发展。根据目前数据，如果以当前的建筑建造速度发展的话，人们对室内热舒适性的要求也会逐渐提高，并导致空调和供暖的能耗日益增加。因此如果不采用有效的措施实现生态文明建设，那么我们国家将会不可避免地面对环境危机、资源危机和能源危机的威胁。对此，我国把建筑节能作为关系国民经济、建筑资源节约型和环境友好型社会的重要议题纳入了国家中长期发展规划。

图1-1 全国建筑能耗占全国能源消费总量的比重散点图

1.2 研究现状

1.2.1相变蓄热技术与相变蓄热建筑

相变储能是指利用物质在相态变化中能量的存储和转移的过程。主要原理是利用相变元件将能量储存在相变潜热中，在相变过程中释放潜热，并在需要时以一定的方式将热能释放给使用者，通常分为显热蓄热和潜热蓄热两种。与显热蓄热方式相比，潜热蓄热方式具有以下特点：

1. 相变潜热通常较大，因此潜热蓄热方式具有较大的蓄热密度；
2. 相变过程基本上在恒温条件下进行，这有利于负载和相变材料的协作；
3. 大多数潜热储存介质具有小的热导率和低的吸热/释放速率；
4. 相变倾向于产生相分离现象。

由于上述特点，相变材料已广泛应用于建筑，空调和冷库，工业废热回收，太阳能等各个行业。