夏熱冬冷地區(qū)雙層相變墻體與外保溫墻體對比分析

凌偉，張泉，陳曉明，馬小威

（湖南大學，湖南 長沙 410082）

0 引言

合理利用相變材料能有效減少建筑能耗。相變材料在建筑領域的應用主要分為3個方面[1]：相變蓄能圍護結構[2-3]（如墻體、屋面、地板等），供暖儲能系統(tǒng)[4]和相變空調系統(tǒng)[5-6]。其中，相變墻體由于相變材料能與墻體材料有效結合，防止泄漏而得到學者們的廣泛關注。李麗莎等[7]對定形相變墻體的制備方法及傳熱性能進行了研究，得出相變材料的加入能使墻體的蓄熱性能得到顯著提高。李百戰(zhàn)等[8]則提出相變墻體可以顯著增強圍護結構的熱惰性，與夜間通風結合可有效提高室內熱舒適。

然而，單層相變墻體一般僅能在某特定季節(jié)起到減少室內能耗和改善房間熱舒適性的作用，全年適用性較差[9]。為此，Diaconu[10]提出了一種雙層相變墻體系統(tǒng)，該墻體含有相變溫度不同的2種相變材料，分別適用于夏季和冬季，模擬結果表明，該系統(tǒng)能有效減少全年冷熱負荷和峰值負荷。劉福利等[11]研究了雙層相變墻體在中國五大典型氣候區(qū)的節(jié)能潛力，并給出了各氣候區(qū)適用的相變材料溫度和厚度范圍，且進一步研究[12]得出，雙層相變墻體與變頻空調結合使用，節(jié)能效果更加顯著。

保溫層與雙層相變墻體一樣，能夠全年適用，但目前卻鮮有將兩者進行系統(tǒng)對比分析的研究。為此，本文基于熱平衡法，建立了辦公建筑動態(tài)熱環(huán)境計算模型，并用能耗模擬軟件DeST對模型進行驗證。以長沙地區(qū)為例，分析了相變溫度、相變墻體厚度等參數(shù)變化對雙層相變墻體應用及節(jié)能效果的影響，并與外墻含保溫層的方案進行對比，在此基礎上探討夏熱冬冷地區(qū)雙層相變墻體的適用性，研究結果可為雙層相變墻體的推廣應用提供參考。

1 數(shù)理模型

1.1 物理模型

本文所建模型為位于長沙市的南向單層辦公建筑，其平面圖如圖1所示，房間幾何尺寸為4.0 m×6.0 m×3.4 m（高），北墻外門尺寸1.0 m×2.4 m，南窗1.5 m×1.8 m。窗框型材假設為PVC雙腔體構造。其中，窗玻璃面積為2.22 m2，窗框面積為0.48m2。窗框傳熱系數(shù)為2.2 W/（m2·K），表面太陽輻射吸收系數(shù)為0.4，太陽光總透射比為0.039。

圖1 房間模型

房間辦公人數(shù)為4人，照明功率密度為9 W/（m2·K），電器設備功率密度為15 W/（m2·K），人均新風量為30 m3/（h·人），人員顯熱和潛熱量分別為66、68W/人[13]。房間模型所用空調為日立中央空調，制冷功率2.5 kW，制熱功率2.8 kW。

模型建筑外墻采用頁巖多孔磚砌筑且與附加保溫層的房間進行對比，該房間采用厚度為40 mm的保溫砂漿，為夏熱冬冷地區(qū)長沙辦公建筑的最佳保溫層厚度[14]，各房間模型墻體結構如圖2所示。其中，相變材料熱物性參數(shù)[15]如表1所示，相變半徑取1℃；其他外墻主體材料的熱物性參數(shù)[14]如表2所示。

圖2 房間模型墻體結構示意

表1 相變材料的熱物性參數(shù)

表2 其他墻體材料的熱物性參數(shù)

1.2 數(shù)學模型

為簡化分析，作如下假設[16]：

（1）因圍護結構厚度遠小于表面的長寬尺度，通過地板、墻體、天花板等圍護結構的導熱看成是一維的。

（2）建筑材料的熱物性參數(shù)視為常數(shù)。

（3）忽略相變材料在融化和凝固過程中的自然對流和過冷效應。

（4）相鄰房間溫度相同，彼此之間不發(fā)生傳熱。

室內空氣溫度分布均勻，將室內空氣視為單一節(jié)點處理。

1.2.1 不透明圍護結構傳熱模型

屋面、外墻、內墻、樓板和門等不透明圍護結構的一維導熱方程如下：

式中：ρW——墻體密度，kg/m3；

cp，W——墻體比熱容，J/（kg·℃）；

TW——墻體溫度，℃；

λW——墻體導熱系數(shù)，W/（m·℃）；

x——空間坐標，m；

t——時間坐標，s。

邊界條件為：

式中，eW——墻體厚度，m；

Tinit、Ti、To——分別為初始溫度和室內外空氣溫度，℃；

hc，i、hc，o——分別為墻體內外表面與空氣之間的對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

qα，sol，o——墻體外表面吸收的太陽輻射熱量，W/m2；

qα，sol，i——墻體內表面所吸收的透過窗戶的太陽輻射熱量，W/m2；

qr，sc——其他室內熱源（設備、燈光、人員）通過輻射傳到表面的熱量，W/m2；

qLWX——其他表面與墻體內表面之間的凈長波輻射換

初始條件為：熱量，W/m2。

1.2.2 相變材料模型

相變材料采用有效熱容法模型[17]：

式中：ρp——相變材料密度，kg/m3；

cp，e——相變材料有效比熱容，J/（kg·℃）；

kp——相變材料導熱系數(shù)，W/（m·℃）。

有效比熱容 cp，e和導熱系數(shù) kp可由式（6）、式（7）確定：

式中：cp，s——固態(tài)相變材料平均比熱容，J/（kg·℃）；

kp，s——固態(tài)相變材料導熱系數(shù)，W/（m·℃）；

cp，l——液態(tài)相變材料平均比熱容，J/（kg·℃）；

kp，l——液態(tài)相變材料導熱系數(shù)，W/（m·℃）；

tm——相變材料的熔點，℃；

Δt——相變溫度范圍的一半（相變半徑），℃。

1.2.3 雙層外窗模型：

雙層玻璃熱平衡方程如下：

式中：g1、g2——外層玻璃和內層玻璃；

Tg——玻璃溫度，℃；

eg——玻璃厚度，m；

ρg——玻璃密度，kg/m3；

cp，g——玻璃比熱容，J/（kg·℃）；

Kg1，g2——2層玻璃之間的綜合傳熱系數(shù)，W/（m2·℃），其值由2層玻璃之間的長波輻射換熱系數(shù)和空氣層對流換熱系數(shù)綜合確定。

1.2.4 空氣熱平衡方程

式中：VR——房間體積，m3；

Qc，surf，k——圍護結構內表面與室內空氣之間的對流換熱量，W；

Qc，sc——室內熱源與室內空氣之間的對流換熱量，W；

Qf——窗框傳熱量，W；

QAC——為空調系統(tǒng)提供的熱量，W；

Qvent——通風帶入的熱量，W。

2 模型驗證

模型采用的氣象數(shù)據(jù)來源于中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[18]，長沙地區(qū)的空調期設定為6月6日～9月15日，采暖期設定為11月16日～次年3月20日[19]。辦公時間設定為8∶00～18∶00，夏季室內設定溫度 26℃，冬季室內設定溫度 18℃，空調啟動溫差為1℃。夜間通風夏季設定為12次/h，通風時間18∶00～次日 8∶00，通風啟動溫差為 3℃，冬季夜間不通風。

建筑模型采用清華大學開發(fā)的建筑模擬軟件DeST-c進行驗證，驗證了保溫房間7月的室內溫度，模擬結果符合良好（見圖3），逐時室溫偏差最大值為3.8%，平均值為1.3%。

圖3 7月逐時室溫對比

3 結果與討論

3.1 相變墻體參數(shù)優(yōu)化及能耗分析

相變墻房間相變墻體內層放置含有適用于冬季的相變材料體，夏季基本不發(fā)生相變作用，與普通墻體無異，且夏熱冬冷地區(qū)雙層相變墻體內外層最佳厚度都在30～50 mm[11]，因此，保持內層相變墻體厚度（Dinternal）為30 mm，則外層相變墻體相變溫度和厚度的變化對房間夏季空調供冷量的影響如圖4所示。

由圖4可以看出，含保溫層房間的夏季總供冷量為1047.5 kW·h。對于相變墻房間，當外層相變材料相變溫度為29℃、厚度（Dexternal）為40mm時，夏季供冷量最小，為1033.5kW·h。由此表明，相對于含保溫層房間，相變墻房間可以減少1.34%的夏季空調供冷量。相對于保溫層，相變墻體夏季節(jié)能優(yōu)勢更加明顯，原因可能是保溫層導熱系數(shù)小，夜晚房間熱量不易散發(fā)，而相變墻體由于相變材料的蓄放冷作用，加上夜間通風對其的輔助作用，使得房間節(jié)能效果更佳。

圖4 相變墻體不同厚度時長沙地區(qū)夏季總供冷量隨相變溫度變化曲線

由以上可知，對于長沙地區(qū)典型辦公建筑，外層相變墻體最佳厚度為40 mm，故對于冬季，假定外層相變墻體厚度為40 mm，相變溫度29℃，對內層相變墻體厚度進行優(yōu)化，結果如圖5所示。

圖5 相變墻體不同厚度時長沙地區(qū)冬季總供熱量隨相變溫度變化曲線

由圖5可以看出，含保溫層房間的冬季總供熱量為432.7 kW·h。對于相變墻房間，當內層相變材料相變溫度為15℃，厚度為50 mm時，冬季總供熱量最小，為420.5 kW·h，相比含保溫層房間減少了2.8%。

3.2 空調啟動次數(shù)比較分析

空調啟動次數(shù)是評價空調性能的一個重要指標，對建筑的投資回收期有一定影響。各房間模型的夏季和冬季空調啟動次數(shù)計算結果如圖6和圖7所示。

圖6 夏季空調啟動次數(shù)

圖7 冬季空調啟動次數(shù)

由圖6可看出，含保溫層房間的夏季空調啟動次數(shù)為5964次。對于相變墻房間，當外層相變材料相變溫度為29℃、厚度為40 mm時，夏季空調啟動次數(shù)達到最少，為5806次，比含保溫層房間降低了2.65%。保溫房間和相變墻房間添加的保溫層和相變層在白天阻礙室外熱量進入室內的同時抑制了夜間散熱，但相變墻房間由于相變材料具有較大的導熱系數(shù)，加上相變材料的蓄放冷作用，能有效減緩了室內溫度波動，從而相比保溫房間在減小夏季空調啟動次數(shù)方面更具優(yōu)勢。

由圖7可看出，含保溫層房間的冬季空調啟動次數(shù)為2882次；對于相變墻房間，當內層相變材料相變溫度為15℃，厚度為50mm時，冬季空調啟動次數(shù)最少，為2770次，相比含保溫層房間減少了3.89%。

4 結論

以夏熱冬冷的長沙地區(qū)辦公建筑為例，分析了相變溫度和厚度變化對雙層相變墻體房間空調供冷量和空調啟動次數(shù)的影響，并與傳統(tǒng)外保溫房間進行對比，主要研究結果如下：

（1）當雙層相變墻體內層相變溫度為15℃、厚度為50mm，外層相變溫度29℃、厚40mm時，房間在夏季和冬季的能耗、空調啟動次數(shù)均達到最小。

（2）雙層相變墻體比保溫層在減少房間夏季供冷量和冬季供熱量，以及減少全年空調啟動次數(shù)方面，效果更佳。

雖然針對本文所建模型，雙層相變墻體較保溫層有較好節(jié)能效果，但針對長沙地區(qū)的圍護結構適用性還應該綜合考慮建筑類型、圍護結構朝向、相變墻體的相變材料含量以及經濟性等因素。