CN114486998A - 一种相变材料墙体热性能快速评估法 - Google Patents

一种相变材料墙体热性能快速评估法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相变材料墙体热性能快速评估法：以任一相变墙体的实际参数为基础，建立一套规则，对墙体的热性能主要影响因素进行评分；将各因素的得分与权重的积相加，即得到PCM墙体热性能的综合得分；根据该综合得分的大小即可判断和评价该墙体的热性能水平。本方法避免了繁琐的数值计算和高成本的实验或现场测试，实现以简单的手工计算方式和单一的得分形式反映任一形式含PCM墙体的热性能水平，具有显著的简便、快捷、准确等特点，可广泛应用于科研与工程中含PCM墙体的热性能评估。

Description

一种相变材料墙体热性能快速评估法
技术领域
本发明属于建筑节能技术领域，具体涉及相变材料墙体热性能评估技术。
背景技术
在建筑墙体内采用保温材料(具有较低导热系数值的材料)可以有效提升墙体的热阻值，以满足规范对建筑节能的要求。同时，保温材料也具有较低的热容值，并且大多具有火灾安全隐患，也不能做到与建筑同寿命。当前的建筑大量采用框架结构，这种结构的墙体称为填充墙，它们大多是中空、轻质墙体。这使得整个墙体的热容值较低，造成墙体内表面温度随室外温度的变化而产生较大幅度的温度、热流波动。这严重影响了室内的热舒适度，也导致室内空调设备的频繁启闭或者不能保持较长时间在最佳工况运行，在一定程度上增加了能耗。
相变材料(PCM)是指随温度变化而转变相态并发生潜热的吸收与释放的一类物质，诸如石蜡、水合盐、脂肪酸等。在相变过程中，PCM吸收或释放大量的潜热，而自身的温度不变或变化很小。由于PCM的潜热值远高于普通建筑材料的显热值，因此若能在建筑墙体内合理地使用PCM，则可有效稳定墙体内表面以及室内的温度波动，提高热舒适度并降低能耗。另外，白天室外温度和热流的峰值到达墙体内表面的时刻将被显著延后，在傍晚甚至夜里才能进入室内。此时的环境温度已较低、且处于电价的谷时时段，不仅有利于室内热环境的控制，还可利用夜间较为廉价的电来处理进入室内的温度与热流波的峰值(且此时的峰值大小已被显著削弱)，提高经济性。因此，PCM在建筑墙体中的应用是一个极具潜力的方式。
由此可见，准确且快速地获得含PCM墙体的热性能水平成为一项基本需求。然而，目前对含PCM墙体的热性能状况只能通过较为繁琐的数值计算(通过编程或商业软件进行计算)或成本较高的实验室、现场测试才能得到，这些方法的便捷度和经济、时间成本均受到挑战。鉴于此，无论对于相关领域的科学研究还是工程应用来说，都亟需一种既简便快速、又较为准确的相变墙体热性能评估方法，为使处于设计中或已建成的相变墙体保持高的热性能水平与环境适应性，提供便捷、有效的途径和工具。
现有研究表明，影响PCM墙体热性能的主要因素有以下几个方面[1,2]：
因素A：PCM相变温度与墙体内、外边界环境平均温度的偏离情况
该因素直接决定PCM是否发生相变。可分别取相变温度与左边界中心温度及右边界温度均相等(水平1)、相变温度低于左边界中心温度但高于右边界温度或相变温度高于左边界中心温度但低于右边界温度(水平2)、相变温度均低于或均高于左边界中心温度和右边界温度(水平3)三种情况作为代表性水平；
因素B：所用PCM总潜热大小的变化，反映墙体中PCM能量储存与释放能力的大小，包含PCM的质量潜热、用量、厚度、孔排数等因素变化的影响
分别取总潜热为56.22kJ、74.60kJ和92.99kJ(水平1、水平2与水平3，这是PCM与石膏按质量比3：4混合后、分别取PCM质量潜热为150kJ·kg-1、200kJ·kg-1和250kJ·kg-1时的总潜热)作为代表性水平；
因素C：墙体材料导热系数的变化
分别取0.5W·m-1·K-1、0.8W·m-1·K-1和1.2W·m-1·K-1作为代表性水平；
因素D：墙体中PCM所处的厚度位置
分别取PCM靠近墙体室外侧、处于中间位置、以及靠近墙体室内侧作为代表性水平。
参考文献：
[1]Y.Zhang,Impact ofstructural configuration on thethermalperformance ofPCM hollowblock wall.Science andTechnology for the BuiltEnvironment,2018,24(9):945-961.
[2]Y.Zhang,Q.Wang,Impact ofphase change material’s thermalpropertieson the thermal performance ofphase change materialhollowblockwall.HeatTransfer Engineering,2019,40(19):1619-1632.
发明内容
本发明的目的在于提供一种相变材料墙体热性能快速评估法；该方法避免了繁琐的数值计算和成本较高的实验室、现场测试，并能实现以简单的手工计算方式和单一的得分形式反映任一形式的含PCM墙体的热性能状况，从而大大提高其快捷性、方便性、准确性和适用性。
本发明通过以下思路来实现：1)以任一特定相变墙体的实际参数为基础，建立一套规则，对墙体的热性能主要影响因素进行评分；2)将各因素的得分与权重的积相加，得到PCM墙体热性能的综合得分；3)根据该综合得分的大小判断和评价该墙体的热性能水平。
本发明采用的具体技术方案如下：
一种相变材料墙体热性能快速评估法，相变材料简称PCM，其特征在于制定因素评分规则以及综合得分算法，具体包括以下六个步骤：
根据现有研究可知，PCM墙体热性能的主要影响因素为：
因素A：表示PCM相变温度与墙体内、外边界环境平均温度的偏离情况；
因素B：表示所用PCM总潜热大小的变化，反映墙体中PCM能量储存与释放能力的大小，包含PCM的质量潜热、用量、厚度、孔排数等因素变化的影响；
因素C：表示墙体中普通材料导热系数的变化；
因素D：表示墙体中PCM所处的厚度位置；
步骤一，对因素A评分
TPCM,m为PCM相变温度、Tleft,m为墙体左边界平均温度、Tright,m为墙体右边界平均温度；|ΔTleft-PCM|为Tleft,m与TPCM,m的温差绝对值，|ΔTright-PCM|为Tright,m与TPCM,m的温差绝对值；
1.1当TPCM,m等于Tleft,m和Tright,m时，对因素A的评分SA为100分；
1.2当Tleft,m高于TPCM,m且Tright,m低于TPCM,m时，或Tleft,m低于TPCM,m且Tright,m高于TPCM,m时，分以下方案讨论：
方案A，当|ΔTleft-PCM|＝|ΔTright-PCM|时
采用拟合法得出特定水平对应的指标平均值与|ΔT|的关系表达式，针对墙体衰减倍数指标的拟合关系式为
kdf＝-3.5225|ΔT|+26.08 (1)
kdf表示针对衰减倍数指标所算得的特定水平对应的指标平均值；ΔT为Tleft,m或Tright,m与TPCM,m的温差，即|ΔTleft-PCM|或|ΔTright-PCM|；
针对墙体延迟时间指标的拟合关系式为
ktl＝-0.545|ΔT|+7.2 (2)
ktl表示针对延迟时间指标所算得的特定水平对应的指标平均值；
因素A中针对衰减倍数的得分按下式计算
SA,df＝kdf/k1,df,A·100 (3)
SA,df表示因素A中针对衰减倍数的得分，k1,df,A表示因素A的最优水平所对应的衰减倍数指标平均值，k1,df,A＝(20.63+29.19+25.26+7.91+39.61+33.85)/6＝156.45/6＝26.08；
因素A中针对延迟时间的得分SA,tl按下式计算
SA,tl＝ktl/k1,tl,A·100 (4)
SA,tl表示因素A中针对延迟时间的得分，k1,tl,A表示因素A的最优水平所对应的延迟时间指标平均值，k1,tl,A＝(6.8+7.5+7.2+5.1+8.8+7.8)/6＝43.2/6＝7.20h；
墙体对因素A的得分SA为SA,df和SA,tl的平均值
SA＝(SA,df+SA,tl)/2 (5)
方案B，当|ΔTleft-PCM|≠|ΔTright-PCM|时
先算得|ΔTleft-PCM|与|ΔTright-PCM|的平均值
Figure BDA0002744459510000033
再将
Figure BDA0002744459510000034
作为|ΔT|，按方案A中的方法进行计算；
1.3当Tleft,m与Tright,m均高于或均低于TPCM,m时
方案C，当|ΔTleft-PCM|＝|ΔTright-PCM|时
针对墙体衰减倍数指标的拟合关系式为
kdf＝-4.845|ΔT|+26.08 (6)
针对墙体延迟时间指标的拟合关系式为
ktl＝-0.7875|ΔT|+7.2 (7)
因素A中针对衰减倍数与延迟时间的得分分别按式(3)、式(4)计算，墙体对因素A的得分SA按式(5)计算；
方案D，当|ΔTleft-PCM|≠|ΔTright-PCM|时
先算得|ΔTleft-PCM|与|ΔTright-PCM|的平均值
Figure BDA0002744459510000043
再将
Figure BDA0002744459510000044
作为|ΔT|，按方案C中的方法进行计算；
步骤二，对因素B评分
采用拟合法得出特定水平对应的指标平均值与PCM总潜热值L的关系表达式；针对墙体衰减倍数指标的拟合关系式为
kdf＝18.14351-689.67702·e-0.08032L (8)
针对墙体延迟时间指标的拟合关系式为
ktl＝0.09768+0.14369L-9.31998×10-4L2 (9)
因素B中针对墙体衰减倍数与延迟时间的得分分别按式(3)、式(4)计算，将式中的SA,df、k1,df,A、SA,tl和k1,tl,A换成SB,df、k1,df,B、SB,tl和k1,tl,B；
SB,df表示因素B中针对衰减倍数的得分，k1,df,B表示因素B的最优水平所对应的衰减倍数指标平均值，k1,df,B＝(25.26+25.43+5.35+33.85+8.34+8.26)/6＝106.49/6＝17.75；SB,tl表示因素B中针对延迟时间的得分，k1,tl,B表示因素B的最优水平所对应的延迟时间指标平均值，k1,tl,B＝(7.5+3.6+3.9+8.8+6.4+3.6)/6＝33.8/6＝5.63h；
墙体对因素B的得分SB按式(5)计算，将式中的SA、SA,df和SA,tl换成SB、SB,df和SB,tl；
步骤三，对因素C评分
采用拟合法得出特定水平对应的指标平均值与墙体材料导热系数值λ的关系表达式，针对墙体衰减倍数指标的拟合关系式为
kdf＝23.48714-7.76905λ-2.69048λ2 (10)
针对墙体延迟时间指标的拟合关系式为
ktl＝6.78714-1.15238λ-0.52381λ2 (11)
因素C中针对墙体衰减倍数与延迟时间的得分分别按式(3)、式(4)计算，将式中的SA,df、k1,df,A、SA,tl和k1,tl,A换成SC,df、k1,df,C、SC,tl和k1,tl,C；
SC,df表示因素C中针对衰减倍数的得分，k1,df,C表示因素C的最优水平所对应的衰减倍数指标平均值，k1,df,C＝(20.63+25.43+8.32+39.61+11.31+8.26)/6＝113.56/6＝18.93；SC,tl表示因素C中针对延迟时间的得分，k1,tl,C表示因素C的最优水平所对应的延迟时间指标平均值，k1,tl,C＝(6.8+5.4+4.6+8.8+6.4+4.5)/6＝36.5/6＝6.08h；
墙体对因素C的得分按式(5)计算，将式中的SA、SA,df和SA,tl换成SC、SC,df和SC,tl；
步骤四，对因素D评分
采用拟合法得出特定水平对应的指标平均值与PCM所处的厚度位置P即厚度方向上PCM中心坐标值与墙体厚度的比值的关系表达式；针对墙体衰减倍数指标的拟合关系式为
kdf＝-7.12882+96.63683P-86.47838P2 (12)
针对墙体延迟时间指标的拟合关系式为
ktl＝5.99298-4.38816e-5.41315P (13)
因素D中针对墙体衰减倍数与延迟时间的得分分别按式(3)、式(4)计算，将式中的SA,df、k1,df,A、SA,tl和k1,tl,A换成SD,df、k1,df,D、SD,tl和k1,tl,D；
SD,df表示因素D中针对衰减倍数的得分，k1,df,D表示因素D的最优水平所对应的衰减倍数指标平均值，k1,df,D＝(29.19+25.43+5.35+39.61+11.26+6.57)/6＝117.41/6＝19.57；SD,tl表示因素D中针对延迟时间的得分，k1,tl,D表示因素D的最优水平所对应的延迟时间指标平均值，k1,tl,D＝(7.2+6.0+4.6+7.8+6.4+3.6)/6＝35.6/6＝5.93h；
墙体对因素D的得分按式(5)计算，将式中的SA、SA,df和SA,tl换成SD、SD,df和SD,tl；
步骤五，计算PCM墙体热性能综合得分S
PCM墙体热性能的综合得分S按下式计算
S＝SA·WA+SB·WB+SC·WC+SD·WD (14)
式中，S表示PCM墙体的综合得分，SA、SB、SC、SD分别表示墙体在因素A、因素B、因素C、因素D的得分，而WA、WB、WC、WD分别表示因素A、因素B、因素C、因素D的权重大小；任一因素的权重大小可由下式得到
Figure BDA0002744459510000051
式中，Wx表示任一因素的权重，RA,df和RA,tl分别表示因素A中衰减倍数和延迟时间指标的极差值，RA,df＝26.08-6.70＝19.38，RA,tl＝7.20-4.05＝3.15h；RB,df和RB,tl分别表示因素B中衰减倍数和延迟时间指标的极差值，RB,df＝17.75-10.60＝7.15，RB,tl＝5.63-5.23＝0.40h；RC,df和RC,tl分别表示因素C中衰减倍数和延迟时间指标的极差值，RC,df＝18.93-10.29＝8.64，RC,tl＝6.08-4.65＝1.43h；RD,df和RD,tl分别表示因素D中衰减倍数和延迟时间指标的极差值，RD,df＝19.57-9.71＝9.86，RD,tl＝5.93-4.63＝1.30h；avg(RA,df,RA,tl)、avg(RB,df,RB,tl)、avg(RC,df,RC,tl)、avg(RD,df,RD,tl)分别表示因素A、因素B、因素C、因素D的平均极差值；
根据公式(15)，因素A、因素B、因素C、因素D的权重为各因素的平均极差值与所有因素的平均极差值之和的比；各因素的权重依次计算如下：
Figure BDA0002744459510000061
Figure BDA0002744459510000062
Figure BDA0002744459510000063
Figure BDA0002744459510000064
步骤六，根据PCM墙体的综合得分S评估墙体的热性能水平
根据PCM墙体的综合得分S，对PCM墙体的热性能水平进行评估：
当S<60时，评估墙体的热性能水平为很差；
当60≤S<70时，评估墙体的热性能水平为差；
当70≤S<80时，评估墙体的热性能水平为合格；
当80≤S<90时，评估墙体的热性能水平良好；
当90≤S≤100时，评估墙体的热性能水平为优秀；
能被采用的相变墙体热性能水平至少要达到合格。
所述的相变材料墙体为多层平壁墙体、多层墙板、空心砖墙体、空心砌块墙体中的任意一种。
所述的相变材料为石蜡、脂肪酸、水合盐、多元醇中的任意一种。
和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
a.所述相变材料墙体热性能快速评估法避免了现有技术采用的繁琐的数值计算和成本较高的实验室、现场测试手段，实现以简单的手工计算方式反映含PCM墙体的热性能状况；
b.如步骤五所示，所述方法的计算结果的表现形式极为简洁，实现以单一的墙体综合得分形式反映含PCM墙体的热性能水平；
c.根据PCM墙体热性能的主要影响因素的共同性特点，所述方法具有广泛的适用性，适用于任一形式含PCM墙体的热性能评估；
d.所述方法采用的手工计算与单一得分方式大大节约了常规数值计算与实物测试所带来的经济、时间、人力成本。
本发明的计算方法中各参数的物理意义明确，为PCM墙体的热性能预测与评估提供了简便、快捷、准确的方法，尤其适用于对该种墙体热性能的分析评估、工程计算以及墙体的构造设计。
附图说明
图1为本发明相变墙体热性能快速评估法的计算流程图；
图2为本发明衰减倍数与综合得分的对比；
图3为本发明延迟时间与综合得分的对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例1
本发明各因素组合的墙体的热性能正交分析及相应指标结果如表1所示。
表1 L18(37)正交表及热性能计算结果
Figure BDA0002744459510000071
Figure BDA0002744459510000081
以表1中墙体13为具体实施例一对本发明的技术方案做详细说明。墙体13的主要因素水平为A2B1C3D2，具体因素水平的情况如下所述：
因素A(水平2)：相变温度低于左边界中心温度、但高于右边界中心温度；
因素B(水平1)：PCM总潜热取为56.22kJ；
因素C(水平3)：墙体材料的导热系数取为1.2W·m-1·K-1；
因素D(水平2)：PCM处于墙体内的中间位置。
具体评估过程如下
步骤一：对因素A评分
a.由于TPCM,m＝26℃，Tleft,m＝30℃，Tright＝22℃，因此墙体13属于Tleft,m高于TPCM,m且Tright,m低于TPCM,m，并且|ΔTleft-PCM|＝|ΔTright-PCM|＝4℃；
b.根据公式(1)，kdf＝-3.5225|ΔT|+26.08＝-3.5225×4+26.08＝11.99；
c.根据公式(2)，ktl＝-0.545|ΔT|+7.2＝-0.545×4+7.2＝5.02；
d.根据公式(3)，SA,df＝kdf/k1,df,A·100＝11.99/26.08×100＝45.97；
e.根据公式(4)，SA,tl＝ktl/k1,tl,A·100＝5.02/7.20×100＝69.72；
f.根据公式(5)，SA＝(SA,df+SA,tl)/2＝(45.97+69.72)/2＝57.85；
步骤二：对因素B评分
a.根据公式(8)，kdf＝18.14351-689.67702·e-0.08032L＝18.14351-689.67702·e-0.08032×56.22＝10.60；
b.根据公式(9)，ktl＝0.09768+0.14369L-9.31998×10-4L2＝0.09768+0.14369×56.22-9.31998×10-4×56.222＝5.23；
c.根据公式(3)，SB,df＝kdf/k1,df,B·100＝10.60/17.75×100＝59.72；
d.根据公式(4)，SB,tl＝ktl/k1,tl,B·100＝5.23/5.63×100＝92.90；
e.根据公式(5)，SB＝(SB,df+SB,tl)/2＝(59.72+92.90)/2＝76.31；
步骤三：对因素C评分
a.根据公式(10)，kdf＝23.48714-7.76905λ-2.69048λ2＝23.48714-7.76905×1.2-2.69048×1.22＝10.29；
b.根据公式(11)，ktl＝6.78714-1.15238λ-0.52381λ2＝6.78714-1.15238×1.2-0.52381×1.22＝4.65；
c.根据公式(3)，SC,df＝kdf/k1,df,C·100＝10.29/18.93×100＝54.36；
d.根据公式(4)，SC,tl＝ktl/k1,tl,C·100＝4.65/6.08×100＝76.48；
e.根据公式(5)，SC＝(SC,df+SC,tl)/2＝(54.36+76.48)/2＝65.42；
步骤四：对因素D评分
a.根据公式(12)，kdf＝-7.12882+96.63683P-86.47838P2＝-7.12882+96.63683×0.5-86.47838×0.52＝19.57；
b.根据公式(13)，ktl＝5.99298-4.38816e-5.41315P＝5.70；
c.根据公式(3)，SD,df＝kdf/k1,df,D·100＝19.57/19.57×100＝100；
d.根据公式(4)，SD,tl＝ktl/k1,tl,D·100＝5.70/5.93×100＝96.12；
e.根据公式(5)，SD＝(SD,df+SD,tl)/2＝(100+96.12)/2＝98.06；
步骤五：计算综合得分S
a.根据公式(15)，四个主要因素A、B、C、D的权重依次为：WA＝0.4391，WB＝0.1471，WC＝0.1963，WD＝0.2175；
b.根据公式(14)，S＝SA·WA+SB·WB+SC·WC+SD·WD＝57.85×0.4391+76.31×0.1471+65.42×0.1963+98.06×0.2175＝70.8；
表1中最后一列即为各因素组合下的墙体综合得分S；
步骤六：评估墙体的热性能水平
PCM墙体的综合得分-常用热性能指标值-热性能水平的大致对照情况如表2所示；
表2综合得分-热性能指标值-热性能水平评价对照表
综合得分S S≥90 80≤S<90 70≤S<80 60≤S<70 S<60
衰减倍数DF DF≥25 15≤DF<25 9≤DF<15 5≤DF<9 DF<5
延迟时间TL/h TL≥7 5.5≤TL<7 4.5≤TL<5.5 3≤TL<4.5 TL<3
热性能状况 优秀 良好 合格 差 很差
由步骤一至步骤五的计算以及表2可知，墙体13的综合得分S为70.8，该得分属于中等热性能水平。同时，根据常规的数值计算，墙体13的衰减倍数与延迟时间分别为11.26与4.8h，同样处于中等热性能水平上；
其综合得分S为70.8，接近合格热性能水平(70≤S<80)的下限边缘，因此该种墙体的热性能水平偏低，勉强能够接受，但应尽可能得到改善。
实施例2
以表1中墙体11为具体实施例二对本发明的技术方案做详细说明。墙体11的主要因素水平为A1B2C1D2，具体因素水平的情况如下所述：
因素A(水平1)：相变温度等于左、右边界中心温度；
因素B(水平2)：PCM总潜热取为74.60kJ；
因素C(水平1)：墙体材料的导热系数取为0.5W·m-1·K-1；
因素D(水平2)：PCM处于墙体内的中间位置。
步骤一：对因素A评分
由于TPCM,m＝Tleft,m＝Tright＝26℃，因此墙体11的因素A得分SA＝100；
步骤二：对因素B评分
a.根据公式(8)，kdf＝18.14351-689.67702·e-0.08032L＝18.14351-689.67702·e-0.08032×74.60＝16.42；
b.根据公式(9)，ktl＝0.09768+0.14369L-9.31998×10-4L2＝0.09768+0.14369×74.60-9.31998×10-4×74.602＝5.63；
c.根据公式(3)，SB,df＝kdf/k1,df,B·100＝16.42/17.75×100＝92.51；
d.根据公式(4)，SB,tl＝ktl/k1,tl,B·100＝5.63/5.63×100＝100；
e.根据公式(5)，SB＝(SB,df+SB,tl)/2＝(92.51+100)/2＝96.26；
步骤三：对因素C评分
a.根据公式(10)，kdf＝23.48714-7.76905λ-2.69048λ2＝23.48714-7.76905×0.5-2.69048×0.52＝18.93；
b.根据公式(11)，ktl＝6.78714-1.15238λ-0.52381λ2＝6.78714-1.15238×0.5-0.52381×0.52＝6.08；
c.根据公式(3)，SC,df＝kdf/k1,df,C·100＝18.93/18.93×100＝100；
d.根据公式(4)，SC,tl＝ktl/k1,tl,C·100＝6.08/6.08×100＝100；
e.根据公式(5)，SC＝(SC,df+SC,tl)/2＝(100+100)/2＝100；
步骤四：对因素D评分
a.根据公式(12)，kdf＝-7.12882+96.63683P-86.47838P2＝-7.12882+96.63683×0.5-86.47838×0.52＝19.57；
b.根据公式(13)，ktl＝5.99298-4.38816e-5.41315P＝5.70；
c.根据公式(3)，SD,df＝kdf/k1,df,D·100＝19.57/19.57×100＝100；
d.根据公式(4)，SD,tl＝ktl/k1,tl,D·100＝5.70/5.93×100＝96.12；
e.根据公式(5)，SD＝(SD,df+SD,tl)/2＝(100+96.12)/2＝98.06；
步骤五：计算综合得分S
a.根据公式(15)，四个主要因素A、B、C、D的权重依次为：WA＝0.4391，WB＝0.1471，WC＝0.1963，WD＝0.2175；
b.根据公式(14)，S＝SA·WA+SB·WB+SC·WC+SD·WD＝100×0.4391+96.26×0.1471+100×0.1963+98.06×0.2175＝99.0；
步骤六：评估墙体的热性能水平
由步骤一～步骤五的计算以及表2可知，墙体11的综合得分S为99.0，该得分属于优秀的热性能水平。同时，根据常规的数值计算，墙体11的衰减倍数与延迟时间分别为39.61与8.8h，同样处于优秀的热性能水平上；
其综合得分S＝99.0接近满分，属于优秀的热性能水平(S≥90)，因此该种墙体的热性能水平非常优异。
由表1中最后三列指标值可以看到，衰减倍数和延迟时间大的墙体，其综合得分S也高，综合得分S可以准确描述各种配置的墙体的热性能高低。

Claims (3)

1.一种相变材料墙体热性能快速评估法，相变材料简称PCM，其特征在于制定因素评分规则以及综合得分算法，具体包括以下六个步骤：
根据现有研究可知，PCM墙体热性能的主要影响因素为：
因素A：表示PCM相变温度与墙体内、外边界环境平均温度的偏离情况；
因素B：表示所用PCM总潜热大小的变化，反映墙体中PCM能量储存与释放能力的大小，包含PCM的质量潜热、用量、厚度、孔排数等因素变化的影响；
因素C：表示墙体中普通材料导热系数的变化；
因素D：表示墙体中PCM所处的厚度位置；
步骤一，对因素A评分
TPCM，m为PCM相变温度、Tleft，m为墙体左边界平均温度、Tright，m为墙体右边界平均温度；|ΔTleft-PCM|为Tleft，m与TPCM，m的温差绝对值，|ΔTright-PCM|为Tright，m与TPCM，m的温差绝对值；
1.1当TPCM，m等于Tleft，m和Tright，m时，对因素A的评分SA为100分；
1.2当Tleft，m高于TPCM，m且Tright，m低于TPCM，m时，或Tleft，m低于TPCM，m且Tright，m高于TPCM，m时，分以下方案讨论：
方案A，当|ΔTleft-PCM|＝|ΔTright-PCM|时
采用拟合法得出特定水平对应的指标平均值与|ΔT|的关系表达式，针对墙体衰减倍数指标的拟合关系式为
kdf＝-3.5225|ΔT|+26.08 (1)
kdf表示针对衰减倍数指标所算得的特定水平对应的指标平均值；ΔT为Tleft，m或Tright，m与TPCM，m的温差，即|ΔTleft-PCM|或|ΔTright-PCM|；
针对墙体延迟时间指标的拟合关系式为
ktl＝-0.545|ΔT|+7.2 (2)
ktl表示针对延迟时间指标所算得的特定水平对应的指标平均值；
因素A中针对衰减倍数的得分按下式计算
SA，df＝kdf/k1，df，A·100 (3)
SA，df表示因素A中针对衰减倍数的得分，k1，df，A表示因素A的最优水平所对应的衰减倍数指标平均值，k1，df，A＝(20.63+29.19+25.26+7.91+39.61+33.85)/6＝156.45/6＝26.08；
因素A中针对延迟时间的得分SA，tl按下式计算
SA，tl＝ktl/k1，tl，A·100 (4)
SA，tl表示因素A中针对延迟时间的得分，k1，tl，A表示因素A的最优水平所对应的延迟时间指标平均值，k1，tl，A＝(6.8+7.5+7.2+5.1+8.8+7.8)/6＝43.2/6＝7.20h；
墙体对因素A的得分SA为SA，df和SA，tl的平均值
SA＝(SA，df+SA，tl)/2 (5)
方案B，当|ΔTleft-PCM|≠|ΔTright-PCM|时
先算得|ΔTleft-PCM|与|ΔTright-PCM|的平均值
Figure FDA0002744459500000021
再将
Figure FDA0002744459500000022
作为|ΔT|，按方案A中的方法进行计算；
1.3当Tleft，m与Tright，m均高于或均低于TPCM，m时
方案C，当|ΔTleft-PCM|＝|ΔTright-PCM|时
针对墙体衰减倍数指标的拟合关系式为
kdf＝-4.845|ΔT|+26.08 (6)
针对墙体延迟时间指标的拟合关系式为
ktl＝-0.7875|ΔT|+7.2 (7)
因素A中针对衰减倍数与延迟时间的得分分别按式(3)、式(4)计算，墙体对因素A的得分SA按式(5)计算；
方案D，当|ΔTleft-PCM|≠|ΔTright-PCM|时
先算得|ΔTleft-PCM|与|ΔTright-PCM|的平均值
Figure FDA0002744459500000023
再将
Figure FDA0002744459500000024
作为|ΔT|，按方案C中的方法进行计算；
步骤二，对因素B评分
采用拟合法得出特定水平对应的指标平均值与PCM总潜热值L的关系表达式；针对墙体衰减倍数指标的拟合关系式为
kdf＝18.14351-689.67702·e-0.08032L (8)
针对墙体延迟时间指标的拟合关系式为
ktl＝0.09768+0.14369L-9.31998×10-4L2 (9)
因素B中针对墙体衰减倍数与延迟时间的得分分别按式(3)、式(4)计算，将式中的SA，df、k1，df，A、SA，tl和k1，tl，A换成SB，df、k1，df，B、SB，tl和k1，tl，B；
SB，df表示因素B中针对衰减倍数的得分，k1，df，B表示因素B的最优水平所对应的衰减倍数指标平均值，k1，df，B＝(25.26+25.43+5.35+33.85+8.34+8.26)/6＝106.49/6＝17.75；SB，tl表示因素B中针对延迟时间的得分，k1，tl，B表示因素B的最优水平所对应的延迟时间指标平均值，k1，tl，B＝(7.5+3.6+3.9+8.8+6.4+3.6)/6＝33.8/6＝5.63h；
墙体对因素B的得分SB按式(5)计算，将式中的SA、SA，df和SA，tl换成SB、SB，df和SB，tl；
步骤三，对因素C评分
采用拟合法得出特定水平对应的指标平均值与墙体材料导热系数值λ的关系表达式，针对墙体衰减倍数指标的拟合关系式为
kdf＝23.48714-7.76905λ-2.69048λ2 (10)
针对墙体延迟时间指标的拟合关系式为
ktl＝6.78714-1.15238λ-0.52381λ2 (11)
因素C中针对墙体衰减倍数与延迟时间的得分分别按式(3)、式(4)计算，将式中的SA，df、k1，df，A、SA，tl和k1，tl，A换成SC，df、k1，df，C、SC，tl和k1，tl，C；
SC，df表示因素C中针对衰减倍数的得分，k1，df，C表示因素C的最优水平所对应的衰减倍数指标平均值，k1，df，C＝(20.63+25.43+8.32+39.61+11.31+8.26)/6＝113.56/6＝18.93；SC，tl表示因素C中针对延迟时间的得分，k1，tl，C表示因素C的最优水平所对应的延迟时间指标平均值，k1，tl，C＝(6.8+5.4+4.6+8.8+6.4+4.5)/6＝36.5/6＝6.08h；
墙体对因素C的得分按式(5)计算，将式中的SA、SA，df和SA，tl换成SC、SC，df和SC，tl；
步骤四，对因素D评分
采用拟合法得出特定水平对应的指标平均值与PCM所处的厚度位置P即厚度方向上PCM中心坐标值与墙体厚度的比值的关系表达式；针对墙体衰减倍数指标的拟合关系式为
kdf＝-7.12882+96.63683P-86.47838P2 (12)
针对墙体延迟时间指标的拟合关系式为
ktl＝5.99298-4.38816e-5.41315P (13)
因素D中针对墙体衰减倍数与延迟时间的得分分别按式(3)、式(4)计算，将式中的SA，df、k1，df，A、SA，tl和k1，tl，A换成SD，df、k1，df，D、SD，tl和k1，tl，D；
SD，df表示因素D中针对衰减倍数的得分，k1，df，D表示因素D的最优水平所对应的衰减倍数指标平均值，k1，df，D＝(29.19+25.43+5.35+39.61+11.26+6.57)/6＝117.41/6＝19.57；SD，tl表示因素D中针对延迟时间的得分，k1，tl，D表示因素D的最优水平所对应的延迟时间指标平均值，k1，tl，D＝(7.2+6.0+4.6+7.8+6.4+3.6)/6＝35.6/6＝5.93h；
墙体对因素D的得分按式(5)计算，将式中的SA、SA，df和SA，tl换成SD、SD，df和SD，tl；
步骤五，计算PCM墙体热性能综合得分S
PCM墙体热性能的综合得分S按下式计算
S＝SA·WA+SB·WB+SC·WC+SD·WD (14)
式中，S表示PCM墙体的综合得分，SA、SB、SC、SD分别表示墙体在因素A、因素B、因素C、因素D的得分，而WA、WB、WC、WD分别表示因素A、因素B、因素C、因素D的权重大小；任一因素的权重大小可由下式得到
Figure FDA0002744459500000041
式中，Wx表示任一因素的权重，RA，df和RA，tl分别表示因素A中衰减倍数和延迟时间指标的极差值，RA，df＝26.08-6.70＝19.38，RA，tl＝7.20-4.05＝3.15h；RB，df和RB，tl分别表示因素B中衰减倍数和延迟时间指标的极差值，RB，df＝17.75-10.60＝7.15，RB，tl＝5.63-5.23＝0.40h；RC，df和RC，tl分别表示因素C中衰减倍数和延迟时间指标的极差值，RC，df＝18.93-10.29＝8.64，RC，tl＝6.08-4.65＝1.43h；RD，df和RD，tl分别表示因素D中衰减倍数和延迟时间指标的极差值，RD，df＝19.57-9.71＝9.86，RD，tl＝5.93-4.63＝1.30h；avg(RA，df，RA，tl)、avg(RB，df，RB，tl)、avg(RC，df，RC，tl)、avg(RD，df，RD，tl)分别表示因素A、因素B、因素C、因素D的平均极差值；
根据公式(15)，因素A、因素B、因素C、因素D的权重为各因素的平均极差值与所有因素的平均极差值之和的比；各因素的权重依次计算如下：
Figure FDA0002744459500000042
Figure FDA0002744459500000043
Figure FDA0002744459500000044
Figure FDA0002744459500000045
步骤六，根据PCM墙体的综合得分S评估墙体的热性能水平
根据PCM墙体的综合得分S，对PCM墙体的热性能水平进行评估：
当S＜60时，评估墙体的热性能水平为很差；
当60≤S＜70时，评估墙体的热性能水平为差；
当70≤S＜80时，评估墙体的热性能水平为合格；
当80≤S＜90时，评估墙体的热性能水平良好；
当90≤S≤100时，评估墙体的热性能水平为优秀；
能被采用的相变墙体热性能水平至少要达到合格。
2.根据权利要求1所述的一种相变材料墙体热性能快速评估法，其特征在于：所述的相变材料墙体为多层平壁墙体、多层墙板、空心砖墙体、空心砌块墙体中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种相变材料墙体热性能快速评估法，其特征在于：所述的相变材料为石蜡、脂肪酸、水合盐、多元醇中的任意一种。
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