夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能墻體熱工性能分析

李維孝，張?jiān)?，葛鳳華，吳志偉，秦浩

（江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

近年來，建筑能耗居高不下。據(jù)調(diào)查顯示，目前我國建筑能耗約占能源消耗總量的24%，而采暖空調(diào)能耗高達(dá)建筑能耗的50%[1]。但我國傳統(tǒng)建筑的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻較小，蓄熱性能較差，難以滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。為提高建筑的節(jié)能水平，目前已有諸多學(xué)者與研究人員進(jìn)行了深入研究。

黃吳畏等[2]研究了在夏季典型氣候條件下，北京和南京地區(qū)空心砌塊外墻孔內(nèi)自然對(duì)流的換熱過程，發(fā)現(xiàn)北京地區(qū)通風(fēng)墻體的熱阻較不通風(fēng)墻體可提高28.4%～43.4%；在南京地區(qū)可提高13.7%～23.2%；通風(fēng)墻體在北京地區(qū)更適用于中高層民用建筑，在南京地區(qū)則更適用于多層民用建筑。何嘉鵬等[3]研究了不同空心率下三排孔混凝土墻體砌塊的傳熱特性，指出當(dāng)空心率為42.36%～47.25%時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)態(tài)熱性能才能達(dá)到節(jié)能墻體的要求，熱阻才能基本滿足節(jié)能需求。Zhang等[4]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)墻體材料的導(dǎo)熱系數(shù)小于1.0 W/（m·K）時(shí)，空心砌塊墻體具有良好的熱工性能；當(dāng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量分別大于1.0 W/（m·K）和1.0MJ/（m3·K）時(shí)，增加材料熱容量比減小導(dǎo)熱系數(shù)能更好的提高墻體的熱工性能。Liu和Awbi[5]通過蓄放熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蓄熱階段，相變墻體能夠降低內(nèi)表面的溫度，放熱階段，相變墻體內(nèi)表面溫度卻要高于普通墻體。同時(shí)發(fā)現(xiàn)PCM融化區(qū)的熱流密度幾乎是普通墻體的2倍。Wang等[6]對(duì)外墻使用PCM砌塊的全尺寸房間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來評(píng)估復(fù)合相變墻體的全年適用性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PCM墻體全年都表現(xiàn)出很出色的熱性能；Zhu等[7]對(duì)含雙層定型相變材料（SSPCM）墻體在夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑中的應(yīng)用效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，夏季和冬季工況下在室內(nèi)裝設(shè)變頻空調(diào)系統(tǒng)，含SSPCM墻體房間比參照房間的運(yùn)行能耗分別低6.4%和17.8%；David等[8]研究含PCM墻體表面的自然對(duì)流熱傳遞發(fā)現(xiàn)，PCM完全處于固體或液體形態(tài)時(shí)壁面和空氣之間的溫差與通過墻體的熱流量是一個(gè)常數(shù)。在相變過程中，墻體內(nèi)壁面溫度處于一個(gè)緩慢下降的過程，但溫度降低的過程卻是無法預(yù)知的。Li等[9]對(duì)72種不同孔數(shù)和排列方式的空心黏土磚進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)孔表面之間的輻射可使空心磚的等效導(dǎo)熱系數(shù)提高4.6%～25.8%，當(dāng)室內(nèi)外溫度在20～50℃變化時(shí)，空心磚等效導(dǎo)熱系數(shù)的變化通常在5%以內(nèi)。

目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)節(jié)能墻體熱性能的研究主要集中在對(duì)某一種墻體的分析與優(yōu)化，缺乏對(duì)多種節(jié)能墻體形式之間的優(yōu)缺點(diǎn)以及對(duì)比分析；而工程實(shí)踐中人們往往要根據(jù)自己的實(shí)際需要選擇最合適的節(jié)能墻體形式，因地制宜地做好建筑節(jié)能工作。因此，本文將空心砌塊、含XPS空心砌塊和含PCM空心砌塊這3種具有代表性的節(jié)能墻體形式進(jìn)行對(duì)比分析，研究相同工況下不同節(jié)能墻體形式的熱工特性，以期為工程實(shí)踐中建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式的選擇提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 假設(shè)條件

為使計(jì)算過程簡單易行，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，根據(jù)GB50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)墻體模型提出以下幾點(diǎn)合理的假設(shè)：（1）將計(jì)算域內(nèi)的傳熱過程簡化為二維傳熱，即認(rèn)為墻體豎直方向的邊界為絕熱條件，總熱流沿墻體厚度方向傳遞；（2）所有材料各向同性且均勻分布；（3）忽略砌塊之間的接觸熱阻；（4）砌塊墻體水平方向的邊界為絕熱條件；（5）空氣間層的傳熱過程作當(dāng)量化處理；（6）忽略相變材料的過冷現(xiàn)象。

1.2 控制方程

傳熱過程的控制方程如式（1）所示：

式中：ρ——材料密度，kg/m3；

c——比熱，J/（kg·K）；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

T——溫度，K；

τ——時(shí)刻；

x——墻體厚度方向；

y——墻體寬度方向。

焓法模型如式（2）所示：

式中：H——PCM的焓，J/kg；

相應(yīng)PCM的焓如式（3）所示：

式中：cp，s——PCM處于固態(tài)時(shí)的比熱，J/（kg·K）；

cp，l——PCM處于液態(tài)時(shí)的比熱，J/（kg·K）；

Tm——相變溫度區(qū)間的中心溫度，K；

ε——相變溫度區(qū)間的一半，K；

L——PCM的相變潛熱，J/kg。

Tm-ε≤T≤Tm+ε為PCM的相變溫度范圍，當(dāng)T＜Tm-ε或者T＞Tm+ε時(shí)，cp，s與 cp，l相等；當(dāng) Tm-ε≤T≤Tm+ε時(shí)cp，equ為相變溫度區(qū)間內(nèi)PCM的當(dāng)量比熱，J/（kg·K）。

1.3 初始條件和邊界條件

（1）初始條件

初始溫度為：

式中：T（x，y，τ）——τ時(shí)刻（x，y）坐標(biāo)上的溫度值，K；

Tinit——初始時(shí)刻的溫度值，K。

（2）邊界條件

左右表面的邊界條件為：

由GB 50176—2016和GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》查知：

式中：hw，in、hw，out——分別為墻體內(nèi)、外表面的對(duì)流換熱系數(shù)，分別取8.7、19.0W/（m2·K）；

Tw，in、Tw，out——分別為墻體內(nèi)、外表面溫度，K；

Tin——室內(nèi)空氣溫度，取26℃；

Tz——室外空氣綜合溫度，Tz=f（τ），綜合溫度取南京地區(qū)夏季室外空氣綜合溫度為代表，如圖1所示。

圖1 夏熱冬冷地區(qū)夏季室外空氣綜合溫度

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 FLUENT計(jì)算準(zhǔn)確性驗(yàn)證

利用FLUENT模擬軟件、有限體積法對(duì)不同形式砌塊的熱工性能進(jìn)行模擬計(jì)算。為確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用圖2所示模型的混凝土空心砌塊墻體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所有實(shí)驗(yàn)過程均在變溫?zé)嵯渲羞M(jìn)行，實(shí)驗(yàn)所用墻體是由該模型所示混凝土空心砌塊砌筑而成，面積為1 m×1 m。實(shí)驗(yàn)過程中，由貼于墻體表面的銅-康銅熱電偶與熱流計(jì)將實(shí)時(shí)溫度與熱流傳送到34970A安捷倫數(shù)據(jù)巡回檢測儀進(jìn)行保存?；炷量招钠鰤K中填充的PCM為癸酸，物性參數(shù)見表1，實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果曲線見圖3，相應(yīng)數(shù)據(jù)見表2。

圖2 數(shù)值模擬準(zhǔn)確性驗(yàn)證模

表1 材料的物理性能

由表2可知，左右表面空氣溫度相同的條件下，空心砌塊墻體和含PCM砌塊墻體外表面溫度實(shí)驗(yàn)值與模擬值的最大絕對(duì)誤差分別為0.77℃和1.11℃，相對(duì)誤差分別為1.83%和2.57%；內(nèi)表面實(shí)驗(yàn)值和模擬值的最大絕對(duì)誤差分別為0.25℃和0.36℃，相對(duì)誤差分別為0.75%和1.16%。實(shí)驗(yàn)值和模擬值之間的最大相對(duì)誤差僅為2.57%，符合工程計(jì)算精度的要求。因此，用FLUENT模擬軟件、有限體積法對(duì)節(jié)能墻體熱工性能的模擬計(jì)算結(jié)果可以滿足分析問題的需要。

圖3 砌塊墻體表面溫度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證曲線

表2 砌塊墻體表面溫度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相關(guān)數(shù)據(jù)

2.2 空氣間層當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)簡化的可行性驗(yàn)證

為簡化計(jì)算，將砌塊中空氣間層的傳熱過程作當(dāng)量化處理，此種簡化方法是一種典型的近似理論方法。由GB 50176—2016可知，不同厚度空氣間層熱阻及當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)如表3所示。

表3 不同厚度空氣間層熱阻及當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

利用有限體積法對(duì)該種近似進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證，驗(yàn)證所用物理模型見圖4，相關(guān)材料的物性參數(shù)見表1，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

圖4 當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)驗(yàn)證模型

表4 不同工況下砌塊的總熱阻 m2·K/W

由表4可見，考慮砌塊內(nèi)空氣間層的導(dǎo)熱、自然對(duì)流及空氣間層內(nèi)壁面之間的輻射換熱等3種基本換熱過程時(shí)，空心砌塊的熱阻為0.731 m2·K/W；空心砌塊的靠室外側(cè)孔中填充30 mm厚XPS保溫材料時(shí)，砌塊的熱阻為0.855m2·K/W。在對(duì)空氣間層導(dǎo)熱系數(shù)作當(dāng)量化處理后，空心砌塊的熱阻分別為0.72 m2·K/W（夏季工況），0.759 m2·K/W（冬季工況）；填充 XPS砌塊的熱阻分別為0.851m2·K/W（夏季工況），0.879m2·K/W（冬季工況）。經(jīng)過計(jì)算，在對(duì)空心砌塊孔中空氣層的導(dǎo)熱系數(shù)作了當(dāng)量化處理后，計(jì)算結(jié)果的最大誤差在夏季工況為1.5%，冬季工況為3.83%。因此，此種簡化所帶來的誤差是可以接受的，并且在夏季工況下采用此種簡化方式所得結(jié)果的精確性要優(yōu)于冬季工況。

3 結(jié)果與分析

本文在夏熱冬冷地區(qū)夏季室外典型氣候條件下對(duì)空心砌塊、含XPS空心砌塊和含PCM空心砌塊等3種節(jié)能墻體的熱工性能進(jìn)行分析研究。以圖5所示的砌塊物理模型為研究對(duì)象，模型尺寸為390 mm×190 mm×190 mm。相關(guān)材料的物性參數(shù)如表1所示。

圖5 砌塊物理模型

對(duì)不同形式砌塊進(jìn)行編號(hào)：1#～7#分別為空心砌塊，XPS分別位于外側(cè)、中間、內(nèi)側(cè)孔中的空心砌塊，PCM位于外側(cè)、中間和內(nèi)側(cè)孔中的空心砌塊。對(duì)處于相同初始及邊界條件下的不同形式砌塊進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 不同砌塊的熱工性能參數(shù)

從表5可以看出，空心砌塊的熱阻最小，含XPS砌塊的熱阻最大，而含PCM砌塊的熱阻介于兩者之間，這是由于在其它條件均相同的前提下，砌塊中XPS導(dǎo)熱系數(shù)＜PCM導(dǎo)熱系數(shù)＜空氣間層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。空心砌塊中加入XPS和PCM之后最大熱阻分別提高了32.27%和5%，因此，相對(duì)于PCM，加入XPS保溫材料能更好地提高砌塊的熱阻值。因此，若只考慮砌塊的熱阻而對(duì)室內(nèi)熱舒適環(huán)境要求不高時(shí)，砌塊中加入XPS保溫材料是最合適的選擇。同時(shí)還可得出，將XPS保溫材料加入空心砌塊不同空氣間層時(shí)，最大和最小熱阻值相差不大于0.73%。

從延遲時(shí)間和衰減倍數(shù)可以看出，含PCM砌塊的延遲時(shí)間和衰減倍數(shù)要明顯優(yōu)于其它2種形式的砌塊，這是因?yàn)镻CM具有很高的相變潛熱，PCM的相變潛熱在溫度的周期變化過程中被合理利用，從而增大了砌塊墻體熱容量，大幅提升了墻體的非穩(wěn)態(tài)熱性能。單獨(dú)對(duì)含XPS砌塊進(jìn)行分析，由穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)熱工性能均可得到相同結(jié)論，即XPS在砌塊中所處的厚度位置對(duì)砌塊總體熱工性能的影響可以忽略。

在室外綜合溫度不變的情況下，墻體內(nèi)表面溫度波幅越小，衰減倍數(shù)就越大。砌塊中填充PCM后，PCM的相變潛熱被充分利用，使得墻體內(nèi)表面溫度波幅很小，相應(yīng)的衰減倍數(shù)很大。當(dāng)PCM填充在靠室外側(cè)空氣間層時(shí)，溫度衰減絕對(duì)量為18.178℃、填充在中間為18.256℃、加在靠室內(nèi)側(cè)為18.251℃，最大值比最小值僅提升了0.43%，可近似認(rèn)為三者是相等的。其中外側(cè)衰減倍數(shù)、延遲時(shí)間、溫度衰減絕對(duì)量較空心砌塊分別提高756.2%、40%、10.17%，因此，綜合延遲時(shí)間，衰減倍數(shù)和溫度衰減絕對(duì)量等非穩(wěn)態(tài)熱工性能指標(biāo)，夏熱冬冷地區(qū)夏季室外典型氣候條件下采用添加PCM改善室內(nèi)熱環(huán)境時(shí)，將PCM添加在靠室外側(cè)孔中可以獲得最佳的室內(nèi)熱舒適度。

從進(jìn)入室內(nèi)的總熱流量及墻體內(nèi)表面熱流波幅的變化情況可知，含XPS砌塊墻體進(jìn)入室內(nèi)的熱流量最小。這是因?yàn)閄PS的導(dǎo)熱系數(shù)很低，可直接減少進(jìn)入室內(nèi)的熱流量；然而，對(duì)含PCM砌塊墻體而言，白天墻體溫度高于PCM融化溫度時(shí)，PCM吸熱融化，將部分熱量以相變潛熱的形式儲(chǔ)存起來，晚上墻體溫度低于PCM凝固溫度時(shí)，PCM凝固放熱，放出的熱量不僅向室外傳遞，還有一部分傳入室內(nèi)。

雖然含PCM砌塊墻體傳入室內(nèi)的總熱流大于含XPS砌塊墻體，但其內(nèi)表面熱流波幅及其他非穩(wěn)態(tài)熱性能卻是最優(yōu)的，即在砌塊中加入PCM后，室內(nèi)空氣溫度及熱流波動(dòng)減小，能夠有效地改善室內(nèi)熱舒適性。因此，含PCM砌塊墻體適用于室內(nèi)熱舒適度要求較高的場合。

4 結(jié)論

采用有限體積法，對(duì)處于典型夏熱冬冷地區(qū)夏季室外氣象條件下的空心砌塊、含XPS保溫材料砌塊及含PCM砌塊等3種形式節(jié)能墻體的熱工性能及墻體的氣候適應(yīng)性進(jìn)行了對(duì)比分析。

（1）利用FLUENT數(shù)值模擬軟件、用有限體積法對(duì)節(jié)能墻體的熱工性能進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差在2.57%以內(nèi)，滿足工程實(shí)踐的需要。

（2）在計(jì)算和分析砌塊的熱工性能時(shí)，砌塊內(nèi)部空氣間層傳熱過程的當(dāng)量化處理是可行的，且在夏季工況下采用此簡化方式所得結(jié)果的準(zhǔn)確性優(yōu)于冬季工況。

（3）空心砌塊中填充XPS保溫材料后，可使砌塊熱阻提高32.27%，進(jìn)入室內(nèi)的熱流量減少23.87%。XPS在空心砌塊中所處的厚度位置對(duì)砌塊墻體熱性能的影響可以忽略。

（4）空心砌塊的非穩(wěn)態(tài)熱工性能在填充PCM之后得到了大幅度提升，其中，外側(cè)衰減倍數(shù)、延遲時(shí)間、溫度衰減絕對(duì)量較空心砌塊分別提高756.2%、40%、10.17%，室內(nèi)熱流振幅減小88.24%。

（5）在夏熱冬冷地區(qū)夏季典型氣候條件下，將PCM填充在空心砌塊靠近室外側(cè)的孔中可以顯著提高含PCM空心砌塊墻體的熱工性能。

（6）實(shí)際工程應(yīng)用中，若對(duì)節(jié)能性能有較高要求而對(duì)室內(nèi)溫度波動(dòng)的控制要求不高時(shí)，應(yīng)采用含保溫材料墻體；對(duì)室內(nèi)溫度波動(dòng)的控制要求較高時(shí)，應(yīng)采用含PCM墻體。