建筑用相变材料

1、建筑用相变材料的自由冷却在本文中，相变材料（PCM的应用是在自由冷却系统中研究的。据了解自 由冷却作为一种手段，存储在夜间户外凉意，以提供室内白天的冷却。相变材料 的使用是合适的因为白天在室内和夜晚室外温差小。统计分析表明，影响凝固过程中的重大影响因素是封装厚度， 空气的入口温度，空气流，还有厚度与温度的 反应。对于熔化过程有同样的作用，但入口空气温度比封装的厚有较高的影响力 度。在这项工作开发的模型与实证中，一个真正的自由冷却系统经过经济评价被 设计出了。相变储存系统已经发展出了多种应用成果，包括那些在建筑上的应用，但是 由于它们的花费它们并没有被广泛应用.相变材料（PCM通过它们的融化和凝

2、固 温度储存和释放热量，由于在建筑应用中温度的改变只有几度， 相变材料明显比 那些感应储存材料有更好的能量储存能力。这里提出的工作目标是设计，建设和运行的实验装置，以研究相变材料与 20-258C大约周围的熔融温度。这个装置可以引导一个自由冷却的可行性研究安 装存储在夜间户外冷却在白天室内释放它（图1）。这个概念是在气候的温度，在夏天白天和夜晚的温差大于 158C时是可行的。这证明了一个学习实验设计（DOE的主要影响因素，并由一个真正的发展自由冷却系统得出结论。在一个自由冷却系统中因素有很多， 比如空气，入口温度，空气流动，使用 的材料等。如果系统由于所涉及的现象的复杂性而不能数学建模和模拟，

3、进行实验时，往往有因素会发生改变。一个更有效的方法是运用由费舍尔开发的实验和 应用在过去的40年中，广泛分布在化学，农业，工业生产中，甚至在社会科学 中的系统化的方法。此方法是一种统计方法，称为DOE它能同时考虑所有因素。DOE提供的有关因素的相互作用和整个系统的工程工作的信息， 有时有的东 西并不能很容易获得通过一次测试，同时保持其他因素不变。 DOE显示了如何相 互将因素的值联系起来，或水平的广泛响应，没有直接要求所有可能值这个测 试完成数学方程拟合响应数据。2.实验装置所用的实验装置是一个封闭的空气循环系统， 通过风扇移动空气，一个加热 和冷却装置设置在合适的温度设定点的空气和热能存储单

4、元。 图2显示了一个实 验装置示意图。 图3是它的图片。存储热能的相变材料在封装几何形状上存在着几个选项。在这项工作中，壳管式换热器或一盘换热器的选择也被考虑到了。相变材料的融化和凝固过程在管表面上不是对称的，所以不是最佳的传热。因此，平板封装因为以下优点：由于几何形状表面厚度可以选择所以热能在相变材料中的传递时可控制的。板型两面的两个相变过程都是对称的。高比例的面积/体积：在几何实验中，使用的比例为 100-150 M2/M3。在空气中压力下降的更少。使用平板封装允许一个简单的设计热能储存， 就像图4里所看到的那样。外 部是用几个板块聚苯乙烯材料所制， 气室在两面都有，确保最低的热损失。封装

5、 板用丙烯酸制成以允许相改变可视化。 气温存储的入口和出口被测量，使用每个 点五校准PT10Q气流使用校准流量计(图3)。所有数据都被储存和一个订造的 软件评估。热性能热储能用一个能量公式评估:dU PUM' dU insQPUM -Qenv mc p (Tiniet 一 Jtlet )dtdt其中dUpum/dt是的PCM勺热能变化随着时间的推移，陆M_CP冒Tinlet2 Toutlet 脼空气的焓变入口和出口之间的空气，环境的热损失通过绝缘外壳可以用公式(2)来计算。即热量的表达通过平壁的传导：Q ambientA ； ins (Twall T inside )e其中A是正常的导

6、热，Twall和面积Tinside中心内部的温度和聚苯乙烯和电子板块内部的外表面，其厚度16-1823图1.自由冷却的概念图2实验装置的简图最后，上式右边成员的最后期限也可以用公式（3）来计算：dU 吟 _ minsCins（Ti j -）dt.-4（Ti 1 _T）/ At是数值的衍生随着时间的保温温度。此比例由实验数据计算得。在初步实验中，几个相变材料进行了测试，但最后只有两个选择最适合研究 应用。一个是分子合金8,9 。 34%的C16和66%的C1810，用熔融温度 19.5-22.28C，另一次是RT25商标，从Rubitherm，与更广泛的相变温度。间 隔从20日至248C3.测量

7、和评价3.1.热物理性能的测定实验最有用的应用之一内置的设置是温度测量PCM勺曲线。笔者称之为能量平衡法。图5和6显示得到的结果来自绝热方法热量表。为准确起见，这些与 具有以下所做的测量其他方法曲线相比：*T-历史11,12。这是一个很容易的方法实施和非常有用的，拥有一流的洞察力PCM勺性能，而且具有相当高的不确定性。不同的扫描量热仪，数码相机，时下最常用的方法来确定一个曲线图3。广泛的的物理化学现象。结果用这种方法获得的，列于表1。绝热热量计，另一个实验相同属性的方法来确定。其结果显示在图5和6。因为它在图5和6中可以看出.所取得的成果绝热量热实验装置非常相似，和数值模拟相媲美那些通过DSC

8、 （见表1）。前两种方法有允许较大数额的优势材料和较慢的加热和冷却速率，使类似的实际应用性能测试。先进的装置，然后，呈现出良好表现的相变材料温度曲线进行评估时，与周围环境温度的熔融温度，与加热 /冷却率约为1 K / H图3实验装置图4.TES设计布局以前的实验表明，在室温25是一个PCM子足够的研究应用，并给予其更低 低于分子，是唯一一个用于相变材料的实验阶段的。图6RT2久的温度变化曲线32实验设计DOE是一组允许的统计技术制度化之间的实验和分析结果14,15。在这里的工作提出三个不同的系统的反应进行了分析：比能量/体积：实验进行。使用RT25的3公斤。在实验装置，这是指在存储设 备的存储

9、密度为28kWh/m3加载/卸载率的时间用于完成相变过程，并在实验中测量。这是非常重要的， 以确保过程的可行性。安装成本的种类和数量：PCM经营成本上升气流时增加，反演成本降低时， 厚度封装上升。前三个反应，取决于基本后，设置等都是固定的，比能量/体积和安装成本c负载/卸载率取决于安装操作和测量响应建立最佳的储热性能设备。在美国能源部考虑的影响因素是：PCM RT25被选中，是因为其商业可用性，并提供足够的热物理性质在应用研究。以前的数学封装厚度：估计表明，取得装卸暗示利率适合自由冷却用板 1至3厘米厚度。 允许使用相同的外壳和相同数量的 PCM 一个五大平板系统内部15毫米封装厚 度和另外三

10、个25毫米的封装室内厚度进行了比较。空气温度：自然冷却的应用思想在工业建设（和冻结 /熔融温度的PCM挑选） 空气的温度，熔化过程中（卸载）PCM勺研究分别为28和308C温度选择在空 气冻结的PCM（加载）分别为16和188C空气流通的地方选择要使用的水平考虑传热率。理想的流量约18，这是应该给予Biot数，在同一范围内的传导和对流。为了得到这样一个选择空气流动的 Biot数其中100和150立方米/小时。做实验，继能源部23阶乘设计，凝固过程和88熔化过程。4.结果结果与讨论在实验中获得的结果显示在图 7和图&图表显示的结果进行了 实验，图7。图7显示的是热量传输和图8显示的交换能

11、量，随时间变化的熔化 和凝固。4.1.结果分析从图7和图8可以得出以下结论得出：曲线的趋势，预计：进程快，当封装的厚度低，与空气的温差的PCM容化温度较高，空气流量较高。传热曲线呈现出不同的形状熔化和固体状中可以看出，在图9中。在结果可以被看作是凝固，几乎线性趋势在固相的厚度稳步增长因此，其热阻。在融化时， 高原出现在液相由于自由对流给人一种恒定的热阻。虽然封装较小的厚度一般给一个更快的熔化和凝固过程中， 必须考虑的相互作 用与其他因素（主要是空气的温度和流量），产生跨越之间的曲线（图7），等进 一步厚度的优化是可能的。表2和表3显示的响应变量的结果实验时间。这些结果表明，15毫米封装将是一个

12、免费的冷却应用程序的理想选择因为凝固的平均时间为4 h,熔化平均时间6 h。另一方面，封装为25毫米厚度似乎更适合这样的应用温度安全，就 是给热惯量的情况下的主要制冷系统的故障（凝固平均时间6.5小时，和融化的 平均时间9小时）。4.2.统计分析进行了统计分析，以确定变量的显着效果和相互作用研究。意义的测试完成 后，三种不同的方法：标准偏差估计，忽略高阶互动（只有二阶相互作用） ，概 率正常图19。所有三种方法相同的结论结果。统计分析结果在表 4和表5。重要的是要突出一个变量的影响只应单独分析时，它并没有与其他任何变量相互作用。从表4可以得出以下结论：在空气流量的增加，减少的平均时间约 0.8

13、6?凝固过程。正如预期的那样，和空气温度的增加和 ？厚度是指在持续增加凝固过程中，但 温度的影响较高时，封装的厚度也高。这意味着，在一个晚上的气候领域温度增 加厚度约168C会更有效，而在地区平均夜间温度 188C,厚度增加的封装可能危 及的可行性自由冷却系统。01234567891011时间（h）图7在融化和凝固实验过程中热量的转化融化过程可以从表5中得到研究：空气流量的增加会平均减少一个小时的融化时间在这个过程中，最显著的影响是空气的温度，在凝固过程中，最显著的影响是 壳体厚度的变薄。在融化过程中，在低温状态下，壳体厚度的增加是最严重的，温度的增加会导致一个更加厚的壳体产生。这意味着，当这

14、个应用里面的温度达到大约28摄氏度时，壳体厚度的增加可能会影响熔化过程的稳定性，当里面的温度达到大约30摄氏度时，融化时间的增加樱井不是那么重要了。43实证模型时间（h）图9选择不同的融化和凝固曲线显示出了它们不同的形状tsoi idfca t ion = 5.33 - 0.187 T -0.4190.0127 c - 0.0405 Te2二 E =0.0195tmelting - -0.590.186 T 2.720.0208 C -0.0848 Te2二 E = 0.0092式中：T是空气温度: T 16.180 C solidifica tion ， T 匸 8 . 30 C fusio

15、n ； C 是空气流量m3 / h 1： C 100 . 150 m3 / h 1; e是平台壳体厚度 1mm ： e E 15 . 20mm 。实证模型的一个阴谋考虑因素，作为一个参数（气流）的影响较小（图和11）。这些数字显示的一般行为系统，但他们不是真正的设计非常有用的系统 这将是有用得多，有图在必要的时间冻结在前面的 PCM寸于一个给定的进气温度 的厚度封装和流量被发现（图12）,和时间图与入口空气温度融化的 PCM气流 参数和封装厚度（图13）。4.4。设计一个真正的系统和应用成果经济评价从上面的实验中，一个真正的结果与安装设计。存储设备设计与进口的3,000 W的平均负载能力，温度

16、在 4小时168C晚上，和一个入口温度在 308C 一 天。使用图12和13,可以选择合适的封装。凝固时间在图发现。11168C封装厚度15毫米和150立方米/小时为3.2小时，并与空气流量为100立方米/小时 4.05?。图7可以看出，在最后部分的传热凝固过程中是非常低，所以能量不存 储将是非常低的。虽然期限凝固过程是一点点的时间比预想的空气选择流量100立方米/小时，以最大限度地减少能源风扇的消耗。在卸货过程中被认为是出风口，在较高的部分工业大厦的建设，并假设在房 间内的分层，温度308C进行了审议。图13给出了与入口空气温度融化的 PCM 气流参数和封装厚度（图13）。图13给出了融化时

17、间，而图12显示了在3个小 时里大约80%勺能量已经被吸收了。图14显示了这个应用简图。表2.能源部结果为响应变量的时间，凝固实验实验内部温度（0c ）空气流量（m / h）冗体厚度（mm）凝固时间（h）118150153.98218100154.9131610015407518150255.47616150257.24716100256.31818100257.8430图10.熔化过程的实验模型图11.凝固过程的实验模型80%每代表封装PCM莫块的图15.如果仅用于模块设计，在三个小时里，其中 的能量被吸收，储存能力需要的是 32.400千焦。鉴于安装设计有8个模块

18、, 个模块5平板与封装厚度为15毫米，40个板需要。图12.凝固过程的参数图13.融化过程的参数在实际应用中，封装材料很便宜，所以在这种情况下，PE-HD的选择，相变材料选择的将是RT25和C22 (PCM融化点和228C和类似的热物理性质价格为 RT25。一系列四个模块的行为凝固过程中，熔化过程如图.16。一个系统的可行性分析与传统的存储系统制冷系统类似的能力。所选择的系统是一个传统的分割设备，系统需要额外的 9%投资，有一个支持一次性3-4年,电力低于传统的9.4英镑26°C27°£28°£2 誉30°CC22 JJ C22RT25RT25 Lggi图16.4个储存模块的温度数据：上面：凝固过程中，下面：融化过程中。5.结论在本文中，提出了申请中成药。要设计一个免费的冷却系统，能够安装测量温度 和流量的入口和出口空气存储模块设计和建造。 与美国能源部战略，进