不同蓄熱墻體材料的吸放熱特性模擬研究

陳瀟囡，方廷勇，胡浩威，朱明俊

（1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué)，安徽省綠色建筑先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230601）

0 前言

針對建筑業(yè)發(fā)展而言，世界各地區(qū)都存在一種共同的目標(biāo)，即改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境、降低空調(diào)能耗。一方面，根據(jù)專家預(yù)估，按照當(dāng)今的消費能源的使用速率,枯竭性能源的消費時間也只能維持幾百年，因此能源問題將成為社會發(fā)展乃至人類生存所面臨的挑戰(zhàn)之一[1]。另一方面由于大氣污染加劇和太陽活動加強，導(dǎo)致厄爾尼諾現(xiàn)象頻發(fā)、大氣溫度屢創(chuàng)歷史新高，目前人類生活水平的提高，對室內(nèi)生活品質(zhì)的要求逐步提升，使得國家供電壓力陡升。因此關(guān)于建筑節(jié)能和提高生活品質(zhì)的研究成為國內(nèi)外所關(guān)注的焦點[2]。

近年來，國內(nèi)外對不同材料蓄熱墻體開展了大量的研究，表明不同蓄熱材料的吸放熱特性不同、對室內(nèi)溫差變化的影響程度不同[3]。如張春芳[4]的研究表明不同蓄熱材料的熱惰性不同，吸放熱特性不同，對室內(nèi)溫度的影響也不同——熱惰性與室內(nèi)晝夜溫差成負(fù)相關(guān)，且熱惰性達(dá)到一定值時溫差基本不變。

相變材料是一種高效的儲能材料，會隨環(huán)境溫度的變化而轉(zhuǎn)換相態(tài)，并伴隨著吸、放熱現(xiàn)象[5]。又有研究表明室內(nèi)溫度的變化是由于熱流直接影響，主要是因為延遲時間與衰減因子可以證明與室內(nèi)外溫度波存在一定相互聯(lián)系[3]。因此，相變材料應(yīng)用到現(xiàn)代建筑中，可以實現(xiàn)建筑節(jié)能減排、綠色環(huán)保[6]。大量的研究表明使用相變材料可有效降低室內(nèi)晝夜溫差（在肖偉團(tuán)隊的研究中，溫差降低達(dá)到了54%）[7]。

然而，與歐美等國家相比較而言，中國人均建筑能耗結(jié)構(gòu)處于較低水平[8]。因此，本文擬運用ANSYS軟件對常見的四種墻體材料（粉煤灰陶?；炷痢⒓託饣炷粒˙07）、紅磚砌塊和水泥砂漿）以及石蠟類相變材料進(jìn)行熱分析，得到常見材料在合肥地區(qū)應(yīng)用的適宜性分析；并分析對比石蠟類相變材料與普通墻體材料的吸、放熱性能，得到合肥地區(qū)最優(yōu)墻體材料，推動相變材料在建筑工程中的實際應(yīng)用、加速建筑低能耗進(jìn)程。

1 模擬方法

1.1 模型建立

本文模擬采用ANSYS軟件對不同材料墻體的蓄熱性能進(jìn)行分析與建模。ANSYS軟件對普通墻體和相變墻體的導(dǎo)熱模擬操作大致分為三個步驟。①前期的處理。在模塊Meshing中設(shè)置長方形形狀生成2D/3D網(wǎng)格。②運行求解器。輸入生成的網(wǎng)格和所用物理模型的參數(shù)，確定其邊界條件，然后運行求解。③結(jié)果的處理。將最終結(jié)果形象化表示出來，可以對墻體材料的內(nèi)壁面的溫度場變化和最小溫度差等來分析墻體的蓄熱性能。

本文利用ANSYS軟件對蓄熱墻體分析以下內(nèi)容。分析不同墻體材料的建筑物內(nèi)壁溫度場，對比得出最優(yōu)蓄熱性能材料；研究相變材料的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱物性、模擬及其內(nèi)壁溫度場的變化，并比較兩種材質(zhì)墻體的蓄熱特性。假設(shè)墻體材料之間為局部熱平衡、環(huán)境溫度為24℃。在普通材料和相變材料模擬過程中均假設(shè)：

①忽略相變材料由于發(fā)生相變而引起的速度變化以及表面張力的影響；

②流體與固體之間處于局部熱平衡；

③相變材料物理特性穩(wěn)定，物性不隨溫度變化而變化。

1.2 計算模型

本次模擬根據(jù)不同墻體材料熱物性，采用ANSYS軟件模擬出一個簡單的4層復(fù)合墻體，分別為外保溫層、抹灰層、主體層和內(nèi)保溫層等，設(shè)置的物理模型見圖1所示，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 物理模型

圖2 模型網(wǎng)格劃分

1.3 參數(shù)細(xì)節(jié)設(shè)置

物理模型中4層復(fù)合墻體的外保溫層、抹灰層、主體層和內(nèi)保溫層的厚度分別為 60mm、20mm、220mm及20mm，墻體主體厚度為240mm，內(nèi)外保溫用的是保溫隔熱型膨脹玻化微珠輕質(zhì)砂漿，為了分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱性能對建筑負(fù)荷的影響，本文選取主體結(jié)構(gòu)材料分別為粉煤灰陶?；炷?、加氣混凝土、紅磚砌塊等3種不同材料及其選取了石蠟類相變材料為主的蓄熱墻體。假設(shè)墻體材料之間為局部熱平衡，邊界條件如表1所示。邊界條件設(shè)置為根據(jù)經(jīng)驗公式近似計算，h=11.6+7×W^0.5，其中W是風(fēng)速，當(dāng)室外風(fēng)速為W=1.7m/s得到外墻對流傳熱系數(shù)為17.5W/m2℃，當(dāng)室內(nèi)風(fēng)速很小選取W=0.2m/s時，內(nèi)墻對流傳熱系數(shù)為12.3W/m2℃。

表1 邊界條件設(shè)置

1.4 模擬方案

本文分別研究兩種不同的方案模擬，分析不同材料的蓄熱墻體對室內(nèi)熱環(huán)境的影響情況。第一種主要研究分析普通蓄熱材料的影響，第二種主要研究相變材料的影響情況。用于建筑外墻主體結(jié)構(gòu)3種普通蓄熱級別材料的熱物性見表2，石蠟類相變材料的熱物性見表3和表4。

表2 普通蓄熱級別材料的熱物性

表3 復(fù)合相變材料熱物性能

表4 復(fù)合相變材料相變焓

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 室外溫度擬合結(jié)果

在模擬室外溫度時，其目的是模擬出溫度隨著時間的變化而變化的一種情況，根據(jù)24小時室外實測溫度輸入origin軟件，利用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合得到該室外溫度變化方程：

根據(jù)合肥夏季平均氣溫為29℃，最低可達(dá)到21℃。7月20日的氣溫符合夏季平均氣溫溫度，因此本文選取7月20日為模擬日，得到室外溫度和內(nèi)壁面溫度變化曲線見圖3所示。

2.2 普通蓄熱墻體的熱特性分析

在觀察3種材料的溫度場變化時分別選取在10000s、20000s、30000s、40000s四個時間節(jié)點并進(jìn)行墻體溫度場的比較，蓄熱材料依次為粉煤灰陶?；炷痢⒓託饣炷梁图t磚砌塊。用ANSYS軟件模擬出不同時間的3種材料的溫度分布圖，見圖4所示。

圖3 室內(nèi)外環(huán)境溫度變化

圖4 三種材料的溫度分布圖（從左至右依次為：粉煤灰陶?；炷?、加氣混凝土、紅磚砌塊）

如圖可知，當(dāng)在T=10000s到T=30000s都呈上升趨勢，體現(xiàn)了蓄熱墻體的吸熱特性。粉煤灰陶粒混凝土、加氣混凝土和磚切塊的溫度直線上升趨勢，在T=10000s三種材料的溫度場變化幾乎一致，但是從T=20000s加氣混凝土的溫度場變化有異于其他兩種材料，此時分辨率比較清晰，其上升趨勢緩慢與其他兩種材料。當(dāng)T=30000s時3種材料的溫度都達(dá)到了最高值，此時紅磚砌體的溫度最高在23℃。當(dāng)時間從30000s至40000s時，3種材料的溫度隨著室外溫度的降低而降低，體現(xiàn)了蓄熱墻體的放熱特性，此時加氣混凝土、粉煤灰陶?；炷梁痛u切塊的溫度在19.6℃左右。因此其蓄熱性能比較好，不易使熱量的流失，適宜北方墻體和晝夜溫度差大的地區(qū)的使用。

將3種材料在0到40000s的墻體內(nèi)壁溫度值進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同普通材料墻體內(nèi)壁溫度對比圖

從圖中3種材料墻體內(nèi)壁溫度模擬結(jié)果對比分析得出，墻體溫度隨室外溫度降低而降低，加氣混凝土、粉煤灰陶?；炷梁图t磚切塊的溫度基本在19.6℃，展現(xiàn)墻體的蓄熱性能較好。加氣混凝土從0點開始到40000s的時溫度波動變化平緩，其內(nèi)壁溫度差值最小，即內(nèi)壁最小溫度差在5℃左右，比較適宜，凸顯加氣混凝土作為墻體的材料能改善室內(nèi)溫度波動的作用，建議加氣混凝用于主體結(jié)構(gòu)，可較好儲存?zhèn)魅胧覂?nèi)的熱量，有效防止熱量的流失。

2.3 相變蓄熱墻體的熱特性分析

利用這個相變墻體作為加氣混凝土墻體的對照組，室內(nèi)外溫度變化曲線的擬合、環(huán)境溫度、內(nèi)外對流仍保持一致。并在觀察相變料的溫度場變化時分別選取在 10000s、20000s、30000s、40000s四個時間節(jié)點并進(jìn)行墻體溫度場的比較，見圖6所示。

圖6 不同時間節(jié)點的相變材料的溫度分布圖

2.4 最優(yōu)普通材料與相變材料模擬結(jié)果對比分析

根據(jù)以上分析將相變材料和加氣混凝土材料在0到40000s的房屋墻體內(nèi)壁溫度的數(shù)值變化進(jìn)行對比，見圖7所示。

圖7 為相變材料墻體與普通材料的對比圖，相變材料日照時間在0至30000s吸收太陽光所產(chǎn)生的熱量使得室內(nèi)溫度的升高，升高溫度在20℃左右，而上述的加氣混凝土溫度的峰值在2.5℃左右，因此其升高的速度要低于加氣混凝土材料，體現(xiàn)了相變材料墻體的吸熱特性。當(dāng)時間從30000s至40000s室外太陽光變?nèi)跫词覂?nèi)熱源逐漸消失，使得室內(nèi)溫度降低至16℃，降幅為2.5℃左右。墻體內(nèi)壁面的溫度受室內(nèi)的影響表現(xiàn)出延遲，當(dāng)室外溫度降低時，相變墻體使得室內(nèi)溫度儲存，體現(xiàn)了相變材料蓄熱能力較好。

圖7 相變和加氣混凝土材料墻體內(nèi)壁溫度模擬結(jié)果對比

合肥位于夏熱冬冷氣候區(qū)，其氣候特征為四季分明，晝夜溫差大，年平均氣溫為16℃。通過相變材料和加氣混凝土材料墻體內(nèi)壁溫度模擬結(jié)果對比分析得出，加氣混凝土隨著室外溫度升高，墻體內(nèi)壁溫度變化升高的速度大于相變材料的墻體，體現(xiàn)了相變材料蓄熱能力較好，因此相變材料對于溫度的改變具有延時作用。從圖7看出相變材料的墻體比普通材料的墻體室內(nèi)溫度降低了8℃。室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量的高低，對供暖能耗有著明顯的影響，對于夏熱冬冷地區(qū)冬季降低1℃，建筑能耗降低約10%[9]。彰顯了加入相變材料的墻體在改善室內(nèi)溫度波動的作用，并優(yōu)化了室內(nèi)熱環(huán)境。在白天可以吸收太陽光產(chǎn)生的熱量防止溫度過高，在相變的過程中把吸收的熱量儲存在相變材料的內(nèi)部，在夜晚溫度較低的時候又可以通過相變釋放白天所儲存的熱量提供給室內(nèi)，這樣可以有效地調(diào)節(jié)室內(nèi)的晝夜溫度并改善人居住環(huán)境及提高能源的利用率。

3 結(jié)論

通過用ANSYS軟件對普通材料和相變材料的墻體進(jìn)行模擬分析，主要結(jié)論如下。

通過兩種材料的內(nèi)壁溫度進(jìn)行對比分析，得出加入相變材料的墻體內(nèi)部溫度波動平緩，降幅為2.5℃左右，溫度降低8℃左右。說明相變材料的使用明顯提高了墻體蓄熱能力，對于溫度的改變具有延時作用，更適宜用于合肥地區(qū)作為墻體蓄熱材料。

本文研究內(nèi)容存在尚有待發(fā)掘的方向，模擬過程中未考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)對蓄熱性能的影響，作者擬從不同類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面著手，進(jìn)一步開展相變材料適宜性研究。