新型相變坡屋頂隔熱結(jié)構(gòu)傳熱分析

吳國忠， 趙 巖， 李 棟,2

( 1. 東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001 )

0 引言

我國建筑能耗占國民經(jīng)濟總能耗的比例接近28%.按照目前建筑能耗發(fā)展水平，到2020年我國建筑能耗將達到10.89億t標準煤，是2000年的3倍[1].建筑節(jié)能成為我國建設(shè)節(jié)約型社會，實現(xiàn)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，提高人民群眾生活質(zhì)量面臨的緊迫問題[2-5].

相變材料可以在很小的溫度范圍內(nèi)儲存或釋放大量的相變潛熱，具有良好的蓄能能力和調(diào)溫性能，因此人們不斷研究相變材料在建筑隔熱結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[6-11].Zhou G[12]等對以相變材料為內(nèi)襯天花板和墻體的房間進行數(shù)值模擬，研究這種結(jié)構(gòu)對夏季室內(nèi)溫度的影響，指出對于六月夜間最低溫度為20 ℃的北京，使用相變材料可以將室內(nèi)空氣溫度降低2 K.Turnpenny J R[13]等研究潛熱蓄能的嵌入式相變材料熱管，并且測試它對低能耗建筑物的降溫作用，該種材料傳熱率提高、相變時間縮短，且重新設(shè)計細化熱管內(nèi)的相變材料. Vakilaltojjar S M[14]等提出一種應(yīng)用在空調(diào)系統(tǒng)中的相變儲能材料，該種材料被用作超薄的平板，空氣需要穿過其中的空隙.陳超[15]等采用實驗分析的方法研究復(fù)合相變材料的蓄放熱特性，并將該種材料應(yīng)用到溫室大棚中，結(jié)果表明應(yīng)用適宜的相變材料可以使其空氣溫度及墻體內(nèi)表面溫度明顯提高，降低耗電量.

大多數(shù)建筑屋頂沒有遮擋，直接接受太陽輻射，其傳熱量往往大于任何一面外墻.因此，將相變材料應(yīng)用于屋頂結(jié)構(gòu)，能夠獲得更為顯著的節(jié)能降耗效果，但是相變材料引入屋頂結(jié)構(gòu)對室內(nèi)環(huán)境的影響有待于檢驗.由于相變傳熱具有強非線性，解的疊加原理不能使用，筆者利用FLUENT軟件，對不含相變材料和含相變材料的2種坡屋頂結(jié)構(gòu)的傳熱過程進行數(shù)值模擬.

1 物理模型

坡屋頂結(jié)構(gòu)物理模型見圖1，其中：屋頂長為3 000 mm，寬為3 000 mm，高為713 mm，坡度為33.3%.坡屋頂自上而下分為4層：最上層為鋁合金保護層，厚度為2 mm；第二層為水泥砂漿找平層，厚度為20 mm；第三層對于不含相變材料的坡屋頂為混凝土層，對于含相變材料的坡屋頂為相變材料層，厚度為100 mm；最下層為混凝土層，厚度為80 mm.坡屋頂結(jié)構(gòu)各層材料的物性參數(shù)見表1.對于不含相變材料的坡屋頂，室外空氣與鋁合金保護層的上表面發(fā)生對流換熱，熱量通過坡屋頂多層結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)傳遞到最下混凝土層的下表面；該表面再與室內(nèi)空氣發(fā)生對流換熱，將熱量傳遞到室內(nèi)環(huán)境.對于含相變材料的坡屋頂，其熱量傳遞與不含相變材料坡屋頂?shù)臒崃總鬟f過程相似，區(qū)別是當熱量傳遞到相變材料層時，相變材料發(fā)生相變，在該層中熱量的傳遞包括固相區(qū)的導(dǎo)熱和液相區(qū)的自然對流換熱2種方式.

圖1 坡屋頂結(jié)構(gòu)物理模型

基本假設(shè)：(1)忽略各層材料間接觸熱阻對傳熱過程的影響.(2)由于主要研究室外空氣通過屋頂結(jié)構(gòu)向室內(nèi)環(huán)境的傳熱情況，忽略屋面結(jié)構(gòu)各鉛直外表面(即法線與重力方向垂直的外表面)的傳熱量，即各鉛直外表面絕熱.(3)由于液相區(qū)溫度相差較小，相變材料層內(nèi)對流換熱相對于導(dǎo)熱作用較弱，相變材料中熱量傳遞以導(dǎo)熱為主，忽略自然對流影響.(4)各層材料各向同性，且物性參數(shù)為常數(shù).(5)相變溫度恒定，固、液相物性參數(shù)一致.

表1 坡屋頂結(jié)構(gòu)材料物性參數(shù)

2 數(shù)學模型

2.1 傳熱控制方程

根據(jù)基本假設(shè)，以比焓為待求變量，建立整個區(qū)域的三維導(dǎo)熱方程：

(1)

H=h+ΔH,

(2)

(3)

ΔH=βL.

(4)

式中：ρ為密度；t為時間；H為任意時刻的比焓；ΔH為潛熱比焓；k為導(dǎo)熱系數(shù)；cp為定壓比熱；h為顯熱比焓；href為參考比焓；Tref為參考溫度；T為任意時刻溫度；β為液相率；L為相變潛熱.

2.2 邊界條件

(1)屋頂上、下表面采用第三類邊界條件：

對于上表面

(5)

對于下表面

(6)

對于室外空氣溫度，采用北京地區(qū)夏季某一天室外綜合溫度循環(huán)作用；對于室外綜合溫度，采用夏季空氣調(diào)節(jié)設(shè)計用室外氣象參數(shù)及室外空氣綜合溫度方法計算[16].對流換熱系數(shù)設(shè)為18.6 W·(m2·K)-1；空調(diào)房間室內(nèi)恒溫，室內(nèi)空氣溫度為20 ℃，對流換熱系數(shù)設(shè)為8.7 W·(m2·K)-1.

(2)材料層間的接觸面為耦合邊界：

對于溫度連續(xù)

Tw|1=Tw|2;

(7)

對于熱流密度連續(xù)

(8)

(3)其余各面為絕熱，即：

(9)

對2種坡屋頂結(jié)構(gòu)模型進行區(qū)域初始化，初始溫度取為306 K，即T(x,y,z,t)|t=0 s=306 K.迭代的時間步長選為30 min.

3 結(jié)果分析

3.1 相變材料對坡屋頂熱惰性的影響

熱惰性表征圍護結(jié)構(gòu)抵抗外界溫度波動能力，其數(shù)值越大，發(fā)生溫度變化相對越難，說明房屋內(nèi)的溫度相對穩(wěn)定，受晝夜溫差影響較小，而晝夜溫差變化不大的熱環(huán)境對人們居住而言是有利的.不含相變材料的坡屋頂結(jié)構(gòu)在迭代開始后5 d內(nèi)上、下表面平均溫度的逐時分布曲線見圖2.含相變材料的坡屋頂結(jié)構(gòu)在迭代開始后從第5～21 d內(nèi)上、下表面平均溫度的逐時分布曲線見圖3.

圖2 不含相變材料的坡屋頂結(jié)構(gòu)在迭代開始后5 d內(nèi)上、下表面平均溫度逐時分布曲線

圖3 含相變材料的坡屋頂結(jié)構(gòu)在迭代開始后從第5～21 d內(nèi)上、下表面平均溫度逐時分布曲線

由圖2可以看出，不含相變材料的坡屋頂結(jié)構(gòu)在迭代開始后擺脫初始溫度場影響的速度很快，在迭代1 d后，即進入穩(wěn)定階段，坡屋頂上、下表面的平均溫度逐時分布曲線呈現(xiàn)周期性(周期為1 d).由圖3可以看出，含相變材料的坡屋頂結(jié)構(gòu)在迭代開始后擺脫初始溫度場影響的速度相對較慢，在迭代開始19 d后，上、下表面的平均溫度逐時分布曲線呈現(xiàn)周期性(周期為1 d)，即進入穩(wěn)定階段.相變材料與混凝土相比，不僅具有較小的導(dǎo)熱系數(shù)，更主要的是其可在等溫或近似等溫的相變過程中吸收或釋放大量熱量的特性，使其相變溫度段的等效比熱容很大，造成相變材料的導(dǎo)溫系數(shù)較混凝土低很多，進而添加相變材料的坡屋頂結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度趨向平衡的能力和溫度傳播的速度降低很多.

為了分析相變材料對坡屋頂結(jié)構(gòu)熱惰性的提升作用，選取穩(wěn)定階段2種坡屋頂結(jié)構(gòu)下表面平均溫度及室外綜合溫度的24 h逐時分布曲線作為對比(見圖4)，其中：不含相變材料的坡屋頂結(jié)構(gòu)選取迭代開始后第5天的數(shù)據(jù)，含相變材料的坡屋頂結(jié)構(gòu)選取迭代開始后第21天的數(shù)據(jù).

圖4 穩(wěn)定階段2種坡屋頂結(jié)構(gòu)下表面平均溫度24 h逐時分布曲線

由圖4可以看出，室外綜合溫度在20.66～67.82 ℃之間波動；在空調(diào)房間穩(wěn)定階段下，不含相變材料的坡屋頂結(jié)構(gòu)下表面平均溫度在23.74～26.39 ℃之間波動，含相變材料的坡屋頂結(jié)構(gòu)下表面平均溫度在24.09～24.30 ℃之間波動；不含相變材料的坡屋頂結(jié)構(gòu)對室外溫度波動的延遲相位角為0.46π，含相變材料的坡屋頂結(jié)構(gòu)延遲相位角為0.54π.2種坡屋頂結(jié)構(gòu)具有一定對室外綜合溫度波動的衰減能力，添加相變材料的坡屋頂能力更強，坡屋頂下表面平均溫度波動的幅值較不含相變材料的降低92.2%，且下表面平均溫度始終保持在相對較低的水平，只有在每天的3:30～9:45略高于該段時間內(nèi)不含相變材料屋頂?shù)?

此外，2種坡屋頂結(jié)構(gòu)具有一定對室外綜合溫度波動的延時作用，含相變材料坡屋頂?shù)难訒r作用更強，其下表面平均溫度的峰谷值到來的時刻比不含相變材料的要晚1 h左右.相變材料較低的導(dǎo)熱系數(shù)和很大的等效比熱容在穩(wěn)定階段繼續(xù)發(fā)揮作用，坡屋頂下表面平均溫度的逐時分布更加平緩，并維持在相對較低的水平，從而有效提高室內(nèi)的熱舒適度；也使坡屋頂結(jié)構(gòu)對室外溫度波動的延時作用有所加強.

3.2 相變材料對空調(diào)制冷能耗的影響

在空調(diào)恒溫模式下，空調(diào)制冷能耗與通過房屋圍護結(jié)構(gòu)傳入室內(nèi)的熱流密度密切相關(guān)，在其他因素相同的情況下，傳入室內(nèi)的熱流密度越大，空調(diào)的制冷能耗也越大.在穩(wěn)定階段2種坡屋頂結(jié)構(gòu)下表面平均熱流密度24 h逐時分布曲線(取向室內(nèi)傳熱為正)見圖5.

由圖5可以看出，2種坡屋頂結(jié)構(gòu)下表面平均熱流密度的24 h逐時分布曲線與下表面平均溫度的分布曲線趨勢相符.在空調(diào)房間穩(wěn)定階段下，不含相變材料的坡屋頂下表面平均熱流密度在32.28～55.14 W/m2之間波動；含相變材料的坡屋頂下表面平均熱流密度在35.28～37.04 W/m2之間波動.由此可見，添加相變材料的坡屋頂下表面平均熱流密度波動的幅值較不含相變材料的降低92.3%，且熱流密度保持在相對較低的水平，只有在每天的3:30～9:45略高于該段時間內(nèi)不含相變材料的.相變材料較低的導(dǎo)熱系數(shù)和很大的等效比熱容提升坡屋頂結(jié)構(gòu)的隔熱能力，坡屋頂下表面平均熱流密度的逐時分布更加平緩，并維持在相對較低的水平，從而有效地減少空調(diào)制冷能耗.

圖5 穩(wěn)定階段2種坡屋頂結(jié)構(gòu)下表面平均熱流密度24 h逐時分布曲線

3.3 相變材料利用率

相變材料的利用率表征相變材料的相變潛熱被充分利用的程度，在達到相同的隔熱及節(jié)能效果的前提下，同一種相變材料，其利用率越高，表明相變材料的相變潛熱發(fā)揮越大的作用，圍護結(jié)構(gòu)所需添加的相變材料越少，即越節(jié)省成本投入.通常情況下，相變材料的利用率與其相變溫度及添加量有關(guān)，可以通過相變材料循環(huán)工作過程中的液相率體現(xiàn).含相變材料的坡屋頂結(jié)構(gòu)模型在穩(wěn)定階段相變材料層液相率24 h逐時分布曲線見圖6.

圖6 穩(wěn)定階段相變材料層液相率24 h逐時分布曲線

由圖6可以看出，相變材料層的液相率在0.04～0.13之間波動，說明在穩(wěn)定階段的1個周期(1 d)內(nèi)相變材料層的整體并沒有完成一次融化和凝固過程，該層內(nèi)的相變材料始終保持一種固液共存的混合狀態(tài)，只有大約8.45%的相變材料的相變潛熱得到充分利用.原因：一是所用模型的相變材料層較厚，達到100 mm，造成相變材料過剩；二是材料的相變溫度為30.35 ℃，相對于室內(nèi)外溫度較高，使相變材料在室內(nèi)外溫度聯(lián)合作用下較難發(fā)生相變.由此可見，選擇合適的相變材料量及合適的相變溫度是提高相變材料利用率的關(guān)鍵.

4 結(jié)論

(1)建立含相變材料與不含相變材料2種坡屋頂結(jié)構(gòu)的三維物理模型及數(shù)學模型，分析其在夏季室外綜合溫度作用下的熱工特性，得到從初始階段過渡到穩(wěn)定階段的時間內(nèi)上、下表面平均溫度的逐時分布，以及穩(wěn)定階段下表面的平均溫度及平均熱流密度24 h逐時分布.

(2)添加相變材料可以提高坡屋頂結(jié)構(gòu)的熱惰性，坡屋頂下表面平均溫度波動的幅值降低92.2%，并使平均溫度維持在相對較低的水平，能夠有效提高室內(nèi)熱舒適度.

(3)添加相變材料可以提高坡屋頂結(jié)構(gòu)的隔熱性能，坡屋頂下表面平均熱流密度波動的幅值降低92.3%，并使平均熱流密度維持在相對較低的水平，能夠有效降低空調(diào)恒溫模式下的制冷能耗.

(4)應(yīng)該盡量提高相變材料的利用率，以節(jié)約工程成本投入；選擇合適的相變材料量及相變溫度是提高相變材料的利用率關(guān)鍵.