建筑儲能墻體傳熱模擬的研究綜述

魏 楊 張 裕 萬法林 顧逸飛

宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院（223800）

0 前言

隨著城市化進程的推進， 建筑能耗在迅速增長。 據(jù)文獻報道，全球范圍內(nèi)的建筑運行能耗約占全社會終端能耗平均比例的1/3[1]。 同時，隨著生活水平的提高，人們對室內(nèi)環(huán)境的舒適度有了更高的追求，我國北方地區(qū)的冬季取暖及中部、南方地區(qū)的制冷所導(dǎo)致的能耗在建筑能耗中也占有很大的比重。因此，建筑墻體在滿足結(jié)構(gòu)、安全及功能的條件下，應(yīng)同時具有節(jié)能作用。 為改善墻體結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，提高其絕熱性是建筑墻體節(jié)能設(shè)計的一項重要內(nèi)容。

由于室內(nèi)外存在溫差，熱量會通過墻體產(chǎn)生轉(zhuǎn)移，其傳熱過程主要是在熱傳導(dǎo)、熱輻射及熱對流三種方式的作用下完成的[2]。 儲能墻體的傳熱研究始于20 世紀80 年代， 將儲能材料與傳統(tǒng)墻體材料結(jié)合作為圍護結(jié)構(gòu)的主要建筑材料。利用儲能材料自身在特定溫度范圍內(nèi)的蓄放熱特性，不僅減少了室內(nèi)溫度的波動和制冷制熱設(shè)備開啟的次數(shù)，而且使得室內(nèi)溫度能夠維持在一定的范圍內(nèi)，從而提高了人體的舒適度。

1 ANSYS 熱分析原理

1.1 ANASY 傳熱模塊

在實際生產(chǎn)過程中，常常會遇到多種多樣的熱量傳遞問題。 ANSYS 在能源、化工、冶金、建筑、電子、航空航天等行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。 以建筑墻體傳熱為例，需要通過ANSYS 中熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射三大基本方式來分析不同的墻體材料的保溫效果，從而根據(jù)當?shù)氐臍夂蛱卣鬟x擇相應(yīng)的墻體材料。

ANSYS 熱分析的基本原理是：先將所處理的對象劃分成有限個單元（包含若干節(jié)點），然后根據(jù)能量守恒原理求解一定邊界條件和初始條件下每一節(jié)點處的熱平衡方程， 由此計算出各節(jié)點溫度，繼而進一步求解出其他相關(guān)量[3]。 隨著軟件的不斷完善，ANSYS 已經(jīng)實現(xiàn)了19.0 版本的發(fā)布。 首先需要進行單元的選擇、模型的建立以及網(wǎng)格劃分；其次需要設(shè)置傳熱分析中的邊界條件，選擇熱荷載的加載方式；最后實現(xiàn)ANSYS 在計算機上的傳熱模擬。

1.2 數(shù)值模擬應(yīng)用的意義

為了保證科研結(jié)果的嚴謹性、真實性、全面性，在研究過程中需要進行大量的試驗。 有了數(shù)值模擬的應(yīng)用，可以同時進行平行試驗，減少了原材料的購買量，降低了經(jīng)濟成本，同時減少了勞動成本，并且可以在短時間內(nèi)得到模擬的結(jié)果，大大提高了工作效率。 在復(fù)雜的工程研究中，ANSYS 可以根據(jù)外界影響因素設(shè)定相應(yīng)的環(huán)境條件，通過特定的條件，實現(xiàn)多元化的問題分析。 采用數(shù)字模擬方式得到的研究數(shù)據(jù)更加具有真實性，也是數(shù)值模擬應(yīng)用的價值所在。

2 建筑儲能墻體傳熱模擬

2.1 建筑儲能墻體的研究

相變材料（PCMs）是利用物質(zhì)的相變過程吸收或放出大量熱量，與此同時溫度基本無變化。 因此，相變過程中可以將多余的能量存儲起來，在需要時再釋放出來[4]。這種材料比一般的材料更加節(jié)能、環(huán)保。 另外，不僅僅是材料的種類會影響墻體的傳熱，同樣的材質(zhì)， 厚度不同其傳熱性能也會有所差異。通常，相變材料與建筑材料通常有三種結(jié)合方法：浸泡法、摻入法和定型相變材料法[5]。由于相變材料在相變過程中會出現(xiàn)液體流淌現(xiàn)象，因此，國內(nèi)外學(xué)者通常會尋求不同的載體對其定型。 近年來定型相變材料的制備得到了更多研究人員的關(guān)注。 然而由于定型相變材料種類繁多，摻入量及摻入方式也有所不同。 同時，儲能材料與傳統(tǒng)材料的相容性也是不容忽視的問題。

2.2 傳熱過程的數(shù)值模擬研究

由于儲能墻體傳熱過程較為復(fù)雜，很多科研人員利用ANSYS 分析建筑儲能墻體傳熱過程。 在建筑儲能墻體的傳熱過程中應(yīng)用ANSYS 數(shù)值模擬得到的相關(guān)溫度分布及數(shù)據(jù)與設(shè)計的試驗數(shù)據(jù)進行比對，最終確定最優(yōu)方案。

林坤平[6]利用焓法對采用儲能相變墻的房間的傳熱過程進行了數(shù)值模擬，并分析了不同氣候條件下儲能墻體的使用效果。 柴國榮[7]基于ANSYS 軟件建立數(shù)學(xué)模型，對兩種不同厚度混凝土墻體進行研究，發(fā)現(xiàn)增加定形相變材料起到了很好的節(jié)能效果。吳輝琴[8]通過對EPS 混凝土砌塊墻體的ANSYS 模擬，研究出EPS 混凝土砌塊與砌筑砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)不同，因此導(dǎo)致墻體傳熱過程中二者的阻熱能力有所不同。并分別設(shè)計3 類不同的EPS 混凝土砌塊墻體，利用ANSYS 軟件模擬墻體傳熱，分析其傳熱過程。將模擬值與試驗測量數(shù)值比較，發(fā)現(xiàn)軟件模擬值與試驗值的誤差約為5%，表明軟件模擬可以取代傳統(tǒng)的試驗法。 由此可見，原本通過原料進行的試驗可以通過軟件模擬來實現(xiàn)，不僅降低研究成本，還減少了試驗的次數(shù)，從而減少了原材料的浪費。 孫瀟[9]制備了以石蠟為儲能材料的石膏復(fù)合建筑墻體，并利用ANSYS 軟件建模， 模擬了墻體的溫度變化過程。 樊建新[10]基于ANSYS 有限元分析法模擬了EPS 和EPS+PCM 兩種模型的相變過程，證實了模擬結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的一致性。

3 結(jié)語

綜上，有效改善儲能基材與傳統(tǒng)建材的相容性和穩(wěn)定性是目前儲能墻體研制中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。 同時，在滿足上述性能要求的基礎(chǔ)上降低成本也是儲能材料研究的一個重要方向。

目前，將不同種類的儲能材料與不同構(gòu)造的墻體相結(jié)合的傳熱數(shù)值模擬分析較少，且相變材料本身具有明顯的非線性特點，因此儲能建筑墻體的傳熱分析也較為復(fù)雜。 針對不同工況的建筑，需建立適合的傳熱模型進行分析，從而對不同氣候條件下的儲能墻體的應(yīng)用提供一定的技術(shù)支持。