復(fù)合相變蓄冷通風(fēng)屋頂?shù)闹饕獏?shù)優(yōu)化研究

楊華　李曉菲　孔祥飛　陳萬(wàn)河

摘要 為了提高夏季室內(nèi)熱舒適度，降低供冷能耗，將相變材料與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合是有效手段之一。將相變材料的吸放熱特性應(yīng)用于建筑的屋頂，為利用自然對(duì)流散熱，將相變屋頂加入通風(fēng)層，再聯(lián)合主動(dòng)供冷為室內(nèi)提供一定的冷量。利用顯比熱容法對(duì)屋頂進(jìn)行數(shù)值模擬，從屋頂外側(cè)和屋頂內(nèi)側(cè)相變材料的相變溫度、通風(fēng)層厚度及供冷水管間距4個(gè)方面對(duì)復(fù)合相變蓄冷通風(fēng)屋頂進(jìn)行優(yōu)化分析。結(jié)果表明：當(dāng)室外、室內(nèi)側(cè)相變材料相變溫度分別為32 ℃、24 ℃，通風(fēng)層厚度為20 cm，供冷水管間距為10 cm時(shí)效果最好，即可將室內(nèi)峰值溫度降低5 ℃左右，將室內(nèi)溫度波動(dòng)控制在10 ℃以內(nèi)。

關(guān) 鍵 詞 相變材料;蓄冷技術(shù);夜間通風(fēng);數(shù)值模擬;顯比熱容法

中圖分類號(hào) TB61? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Optimization analysis of dominant influential parameters of ventilation roof with phase change material in cold storage

YANG Hua，LI Xiaofei，KONG Xiangfei，CHEN Wanhe

Abstract In order to improve indoor thermal comfort and reduce cooling energy consumption in summer， the combination of phase change materials with building envelopes is one of the effective means. In this study， the heat absorption and exothermic properties of phase change materials are applied to the roof of a building. In order to take advantage of natural convection heat dissipation， the phase change roof is added to the ventilation layer and then combined with active cooling to provide a certain amount of cooling to the interior. Numerical simulations of the roof were carried out by using the specific heat capacitance method to optimize the analysis of the composite phase change cooling and ventilation roof in terms of the phase change temperature of the outer and inner phase change materials， the thickness of the ventilation layer and the spacing of the cooling water supply pipes. The results show that when the phase change temperature of the phase change material is 32 ℃ and 24 ℃， the thickness of the ventilation layer is 20 cm and the distance between the cold water supply pipes is 10 cm. In other words， the best effect can be achieved when the peak indoor temperature is reduced by about 5 ℃ and the indoor temperature fluctuation is controlled within 10 ℃.

Key words phase change material; energy storage; night ventilation; numerical simulation; capacitance method

引言

2018年，全球能源需求增長(zhǎng)約2.3%，為10年來(lái)最大增幅，其原因是全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致取暖和制冷需求增加[1-2]。近些年來(lái)建筑能耗的比重日益增加，可占世界能源總能耗的40%，我國(guó)各級(jí)政府和科研機(jī)構(gòu)在建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下在建筑節(jié)能方面取得了舉世矚目的成就，特別是降低公共建筑能耗等方面。將過剩的熱量存儲(chǔ)起來(lái)是降低建筑能耗的重要手段，相變材料會(huì)根據(jù)周圍溫度的變化發(fā)生相變，儲(chǔ)存或釋放能量[3-4]。研究表明，將相變材料（PCM）與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻板、地板、屋面、門窗等）相結(jié)合可以提高能源利用率，減少建筑能耗[5-6]。例如張愛軍等[7]將PCM與建筑外窗結(jié)合，用熔融共混法制備十四酸-十六醇二元有機(jī)復(fù)合相變材料，進(jìn)行雙層窗與相變窗對(duì)比研究，結(jié)果表明，相變窗外表面溫度峰值較雙層窗降低5.9 ℃，測(cè)試過程中相變窗控溫效果明顯，相變窗具有良好的負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力。鐘志鵬[8]對(duì)含有PCM墻板的房間進(jìn)行夜間通風(fēng)使其自然降溫，并基于焓法模擬分析了相變墻板的傳熱特性，對(duì)相變蓄能墻板的設(shè)計(jì)提供了有意義的參考價(jià)值。Plytaria等[9]在地板輻射系統(tǒng)上使用PCM層，對(duì)雅典一棟100 m2的建筑在冬季進(jìn)行了模擬和評(píng)估，結(jié)果表明可以減少40%左右的熱負(fù)荷。本文將相變材料與建筑屋面相結(jié)合，設(shè)計(jì)雙層相變屋頂。雙層屋頂間的通風(fēng)層可以增大屋頂熱阻，王海濤等[10]對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)雙層通風(fēng)屋頂進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明雙層通風(fēng)屋頂可以減少糧倉(cāng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度，減少屋頂保溫隔熱層投資回收年限。

為降低夏季室內(nèi)溫度，本文將建筑屋面與相變材料相結(jié)合并增加通風(fēng)層利用其自然對(duì)流降溫，增加屋頂熱阻，降低室內(nèi)冷負(fù)荷，以求達(dá)到降低負(fù)荷的目的。ANSYS-Fluent軟件具有豐富的數(shù)值計(jì)算方法和強(qiáng)大的前后處理功能，可以用于對(duì)相變問題的模擬計(jì)算[11]。本文利用ANSYS-Fluent軟件采用顯比熱容法，對(duì)復(fù)合相變通風(fēng)屋頂傳熱問題進(jìn)行數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型方法的可靠性，之后對(duì)復(fù)合相變通風(fēng)屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)（相變材料的相變溫度、空氣層厚度及供冷水管數(shù)量）進(jìn)行優(yōu)化。

1 相變通風(fēng)屋頂?shù)哪Ｐ徒?/p>

1.1 屋頂?shù)奈锢砟Ｐ?/p>

屋頂外側(cè)相變材料相變溫度較高，白天受太陽(yáng)輻射的影響融化吸熱，將熱量?jī)?chǔ)存在屋頂外側(cè)，減少向室內(nèi)側(cè)的傳遞;夜間室外溫度低于材料的相變溫度時(shí)會(huì)使其凝固，熱量通過自然對(duì)流又被釋放到外界。為提高室內(nèi)熱舒適度，屋頂內(nèi)側(cè)的相變材料層的相變溫度的選取接近人體熱舒適溫度，當(dāng)室內(nèi)溫度高于（或低于）這個(gè)溫度時(shí)，相變材料融化吸收（或凝固釋放）熱量，維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。供冷水管的存在既可以充當(dāng)室內(nèi)冷源，又可以使屋頂內(nèi)側(cè)相變材料在白天溫度較高時(shí)儲(chǔ)存冷量并凝固。通風(fēng)層的存在可以增加整個(gè)屋頂?shù)膫鳠釤嶙?，減少熱量向室內(nèi)的傳遞，使其在夜間定時(shí)開啟也可以通過自然對(duì)流使屋頂內(nèi)側(cè)相變材料向室內(nèi)環(huán)境釋放冷量。

圖1所示為屋頂?shù)娜S模型，房間相變屋頂?shù)某叽鐬?.7 m×1.7 m，屋頂上側(cè)為3 cm厚相變材料層;屋頂下方南北兩側(cè)設(shè)有通風(fēng)層開口，尺寸為1 m×0.2 m;通風(fēng)層與室內(nèi)環(huán)境由3 cm厚的相變材料層（內(nèi)含供冷水管）隔開。建立雙層相變屋頂?shù)哪Ｐ筒澐志W(wǎng)格，檢查網(wǎng)格質(zhì)量良好，導(dǎo)入Fluent軟件以備后續(xù)模擬計(jì)算。

1.2 屋頂?shù)臄?shù)學(xué)模型

解決相變問題的數(shù)值解法通常有兩種方法，分別為熱焓法和顯比熱法，相較于熱焓法，顯比熱容法引入等價(jià)比熱容的概念，將相變過程中的相變潛熱轉(zhuǎn)化為等效的顯比熱，以單相的非線性問題來(lái)解決兩相的相變問題，相對(duì)更有優(yōu)勢(shì)[11-13]。目前常用的比熱容函數(shù)大概有3種，其中T型比熱容函數(shù)（如圖2所示）因其準(zhǔn)確度高、應(yīng)用簡(jiǎn)便而應(yīng)用更為廣泛[14]。因此本文將選用顯比熱法，以T型比熱容函數(shù)相變溫差取2 K進(jìn)行數(shù)值模擬。等價(jià)比熱容的計(jì)算公式見式（1），求解出溫度場(chǎng)分布后，根據(jù)式（2）液相分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式即可得出固液界面的位置。

式中：[ce]代表等價(jià)比熱容，J/（kg·K）;[cs]、[c1]代表相變材料凝固、融化狀態(tài)下比熱容，J/（kg·K）;[cp]代表相變材料融化與凝固狀態(tài)下的平均比熱容，[cp=（cs+c1）/2]，J/（kg·K）;[Ts]代表開始凝固溫度，K;[Tl]代表開始熔化溫度，K;L 代表相變材料相變潛熱，J/kg。

屋頂各層導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱方程見式（3）：

式中：ρ代表相變材料（或其他材料）的密度，kg/m3;[ce]代表相變材料（或其他材料）等效比熱容，J/（kg·K）;λ代表相變材料（或其他材料）導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

因選取顯比熱容法，相變材料與其他傳熱材料的區(qū)別為其比熱隨溫度變化呈階梯形變化。為簡(jiǎn)化計(jì)算忽略相變材料自身融化凝固時(shí)的自然對(duì)流，且假定其密度為常數(shù)，同時(shí)忽略各層材料間的接觸熱阻以及夜晚的天空輻射。

屋頂?shù)膫鳠徇^程分別受室內(nèi)空氣和室外氣象兩部分影響，本研究將室內(nèi)外對(duì)屋頂?shù)挠绊懢?jiǎn)化為導(dǎo)熱和對(duì)流兩種方式，采用第三類邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。室內(nèi)及室外溫度均根據(jù)實(shí)際測(cè)量溫度，結(jié)合天津市典型逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，選取較典型的溫度數(shù)據(jù)編寫為profile文件導(dǎo)入模擬軟件。室外側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)根據(jù)天津市夏季風(fēng)速，用線性插值法算出;室內(nèi)無(wú)強(qiáng)制通風(fēng)，故對(duì)流換熱系數(shù)在3～12 W/（m2·K）范圍內(nèi)選取[16]，具體取值見表1所示。材料的各項(xiàng)物性參數(shù)如表2所示。將邊界條件及各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始模擬，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬方法的準(zhǔn)確性。

2 相變通風(fēng)屋頂模型的驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，本實(shí)驗(yàn)位于中國(guó)天津市，根據(jù)當(dāng)?shù)叵募緦?shí)際天氣情況選取滿足條件的相變材料使其可以完全凝固和融化[17]。通過將相變材料吸附在多孔建材中形成復(fù)合相變材料是提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱存儲(chǔ)能力最直接有效的方法[18-21]。屋頂外側(cè)相變材料選擇以質(zhì)量比為69.65∶30.35的十四醇-十四酸的二元低共熔混合物，用真空吸附法將其與膨脹蛭石相結(jié)合，再定模壓制成相變材料板覆于屋頂外表面。膨脹蛭石相變板材的熔化、凝固溫度分別為32.55 ℃、31.24 ℃。屋頂內(nèi)側(cè)的相變材料選擇以質(zhì)量比為48.23∶51.77的十四醇-十二酸的二元低共熔混合物，其熔化、凝固溫度分別為24.12 ℃、24.01 ℃，將其填充在內(nèi)含間距為10 cm的供冷水管的方形鐵盒中，以隔絕通風(fēng)層與室內(nèi)空氣。

實(shí)驗(yàn)過程中將控制通風(fēng)層開啟時(shí)間及水管供冷時(shí)間，實(shí)驗(yàn)房間門窗緊閉。通風(fēng)層控制在夜間開啟，即18：00至第2天8：00開啟，其余時(shí)間關(guān)閉;8：00至18：00向水管提供20 ℃的恒溫冷源，其余時(shí)間停止供冷。另設(shè)對(duì)比房間進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以相同厚度的擠塑聚苯板代替實(shí)驗(yàn)房間中的相變蓄能板材。實(shí)驗(yàn)開始后，通過屋頂及房間內(nèi)安裝的熱電偶進(jìn)行定點(diǎn)溫度的測(cè)量，通過數(shù)據(jù)采集儀連接電腦進(jìn)行記錄溫度數(shù)據(jù)。

結(jié)合天津市典型逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，選取較典型的1 d（00：00～24：00）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，可以看出實(shí)驗(yàn)房間的1 d內(nèi)的室內(nèi)峰值溫度相較對(duì)比房間下降5 ℃，最低溫度上升2 ℃。另外，1 d內(nèi)對(duì)比房間的室內(nèi)溫差可達(dá)20 ℃，但實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)的溫度波動(dòng)較小，為10 ℃左右。且實(shí)驗(yàn)房間屋頂內(nèi)表面溫度在室內(nèi)側(cè)相變材料相變溫度上下浮動(dòng)，室溫可以維持在夏季人體舒適溫度范圍內(nèi);而對(duì)比房間內(nèi)的室內(nèi)空氣與屋頂內(nèi)表面溫度幾乎一致，原因是沒有相變材料的吸放熱作用，供冷水管提供的冷量直接傳遞到室內(nèi)側(cè)空氣中。由此可以看出定時(shí)供冷的通風(fēng)屋頂建筑可以有效地降低室內(nèi)的溫度，但增加相變材料后的制冷效果更強(qiáng)，使室內(nèi)溫度波動(dòng)范圍更小，熱舒適度更高。

2.2 數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證

模擬與實(shí)驗(yàn)為相同的工況，即1 d內(nèi)（00：00～24：00）8：00至18：00向水管內(nèi)提供冷水，通風(fēng)層關(guān)閉;0：00至8：00，18：00至24：00水管停止供冷，通風(fēng)層開啟。與將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的室內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)寫入profile文件，再導(dǎo)入Fluent軟件中，得出結(jié)果后與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。圖5所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)比，從圖中可以看出兩條曲線略有差異但大體趨勢(shì)相同。通過計(jì)算可以得出實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)的最大相對(duì)誤差為4.65%，平均相對(duì)誤差為1.96%，均未超過5%，在可接受的范圍內(nèi)。由此可以看出模擬較為準(zhǔn)確，可以用來(lái)對(duì)此屋頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3 相變通風(fēng)屋頂?shù)膬?yōu)化模擬及分析

相變蓄冷通風(fēng)屋頂可以有效地降低室內(nèi)溫度，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此本節(jié)從兩層相變材料的相變溫度、通風(fēng)層厚度及供冷水管數(shù)量四方面進(jìn)行優(yōu)化模擬。在進(jìn)行優(yōu)化模擬時(shí)，僅改變單一物理參數(shù)，其余統(tǒng)一保持不變。屋頂內(nèi)表面為屋頂結(jié)構(gòu)與室內(nèi)空氣接觸的表面，以屋頂內(nèi)表面溫度來(lái)代表室內(nèi)空氣溫度進(jìn)行分析。

3.1 屋頂內(nèi)側(cè)相變材料優(yōu)化

本階段進(jìn)行屋頂內(nèi)側(cè)相變材料的相變溫度優(yōu)化模擬，模擬過程中室外側(cè)相變材料的相變溫度為32 ℃，通風(fēng)層厚度為20 cm，全天關(guān)閉;水管間距10 cm，在8：00至18：00提供20 ℃恒溫冷源，其余時(shí)間不供。屋頂內(nèi)側(cè)相變材料的相變溫度分別選擇22 ℃、24 ℃、26 ℃，并對(duì)不同相變溫度情況下的屋頂內(nèi)表面溫度及屋頂內(nèi)側(cè)相變材料的液相分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖6所示。

由圖6a）可以看出，隨著相變溫度的降低，屋頂內(nèi)表面的溫度也有所降低，這是由于相變材料可以將溫度維持在自身的相變溫度左右。其中相變溫度為22 ℃時(shí)溫度波動(dòng)最大，內(nèi)表面溫度最低，這是由于環(huán)境溫度一直處于相變溫度之上，從圖6b）中也可以看出其在全天都為液相，導(dǎo)致其潛熱儲(chǔ)熱并沒有被利用，僅僅依靠顯熱儲(chǔ)熱。相變溫度為26 ℃時(shí)內(nèi)表面溫度較高，溫度波動(dòng)較大，由液相分?jǐn)?shù)可以看出在白天供冷的狀態(tài)下可以發(fā)生凝固。而相變溫度為24 ℃時(shí)，內(nèi)表面溫度均在融化區(qū)間內(nèi)，相變潛熱得到很好地利用，且屋頂內(nèi)表面溫度波動(dòng)小，有利于維持室內(nèi)溫度的恒定。由上述分析可知，屋頂內(nèi)側(cè)相變材料的相變材料選取24 ℃最為合適。

3.2 屋頂外側(cè)相變材料優(yōu)化

本階段進(jìn)行屋頂外側(cè)相變材料的相變溫度的優(yōu)化模擬，模擬過程中室內(nèi)側(cè)相變材料的相變溫度為24 ℃，通風(fēng)層厚度為20 cm，全天關(guān)閉;水管間距10 cm，在8：00至18：00提供20 ℃恒溫冷源，其余時(shí)間不供給。屋頂外側(cè)相變材料的溫度分別選擇30 ℃、32 ℃、34 ℃，并對(duì)不同相變溫度情況下的屋頂內(nèi)表面溫度及屋頂外側(cè)相變材料的液相分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7a）可以看出在本工況下僅改變屋頂外側(cè)相變材料的相變溫度對(duì)室內(nèi)側(cè)溫度影響不大，3種情況下的曲線基本一致。由圖7b）可以看出，在相變溫度為30 ℃時(shí)，夜間不能完全凝固，相變潛熱不能完全被利用。在相變溫度為32 ℃、34 ℃時(shí)在1 d內(nèi)可以完全凝固和融化，充分進(jìn)行放熱和儲(chǔ)熱的過程，但相變溫度為34 ℃時(shí)的凝固時(shí)間較長(zhǎng)，且溫度越高室內(nèi)得到的熱量也會(huì)隨之增加。因此，32 ℃為屋頂外側(cè)相變材料最適宜的相變溫度。

3.3 通風(fēng)層厚度優(yōu)化

本階段進(jìn)行屋頂通風(fēng)層厚度的優(yōu)化模擬，模擬過程中室外側(cè)相變材料的相變溫度為32 ℃，室內(nèi)側(cè)相變材料的相變溫度為24 ℃，通風(fēng)層夜間開啟，開啟時(shí)間為18：00到第2天8：00，其余時(shí)間關(guān)閉;屋頂內(nèi)側(cè)相變材料內(nèi)水管全天不進(jìn)行供冷。在此工況下分別對(duì)通風(fēng)層厚度為10 cm、20 cm、30 cm及40 cm進(jìn)行模擬，并對(duì)不同厚度下的屋頂內(nèi)表面溫度及屋頂內(nèi)側(cè)相變材料的液相分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖8所示。

由圖8a）可以看出，夜間由于通風(fēng)層開啟，各工況下的內(nèi)表面溫度曲線基本重合相差不大，可見在通風(fēng)層開啟時(shí)，厚度對(duì)內(nèi)表面的影響微乎其微。在白天通風(fēng)層關(guān)閉時(shí)，可以看出隨著通風(fēng)層厚度由10 cm增加至20 cm，內(nèi)表面溫度有所減小，增加至30 cm、40 cm時(shí)，內(nèi)表面溫度有所增加。發(fā)生此種現(xiàn)象的原因是室內(nèi)側(cè)的得熱主要分屋頂水平面和屋頂四周墻體傳遞的熱量，在空氣層厚度較小為10 cm時(shí)，空氣熱阻也較小，屋頂水平面的熱量占大部分;當(dāng)厚度增加至20 cm時(shí)，空氣熱阻增大，有效阻擋一部分屋頂水平面帶來(lái)的熱量，內(nèi)表面溫度有所降低;當(dāng)厚度增加至30 cm、40 cm時(shí)，雖然空氣熱阻有所增加，但屋頂四周墻體傳遞的熱量也隨之增加，因此內(nèi)表面溫度升高。由8b）圖看出，4種工況下由于夜間通風(fēng)層的開啟均可以使屋頂內(nèi)側(cè)相變材料完全凝固，白天均可發(fā)生融化吸熱過程。當(dāng)通風(fēng)層厚度為20 cm時(shí)白天的融化時(shí)間最長(zhǎng)，表明其隔熱效果最佳。因此，20 cm為通風(fēng)層的最適宜厚度。

3.4 供冷水管間距優(yōu)化

本階段進(jìn)行屋頂內(nèi)側(cè)相變材料供冷水管間距的優(yōu)化模擬，模擬過程中室外側(cè)相變材料的相變溫度為32 ℃，室內(nèi)側(cè)相變材料的相變溫度為24 ℃，通風(fēng)層厚度為20 cm，全天關(guān)閉;水管在8：00至18：00提供20 ℃恒溫冷源，其余時(shí)間不供。供冷水管間距分別選擇5 cm、10 cm、15 cm、20 cm，為保證各工況下供冷量相同，其分別對(duì)應(yīng)的水管直徑及數(shù)量為7 mm、10 mm、12 mm、13.6 mm和27根、13根、9根、7根。圖9所示為水管不同間距情況下的屋頂內(nèi)表面溫度及屋頂內(nèi)側(cè)相變材料液相分?jǐn)?shù)的對(duì)比分析。

由圖9a）可以看出，隨著供冷水管間距的增大，屋頂內(nèi)表面的溫度也隨之增大。當(dāng)水管距離較近時(shí)排布密集，水管直徑小，周圍相變材料可以很好地吸收冷量;當(dāng)水管間距增加，直徑也隨之增加，使相變材料受外界影響增大，水管自身的冷量向外界擴(kuò)散量增多。當(dāng)水管間距為5 cm時(shí)，室內(nèi)溫度波動(dòng)較小，且可維持在24 ℃上下;當(dāng)水管間距為20 cm時(shí)，水管直徑增大，水管與相變材料層的上下表面距離減小，因此對(duì)內(nèi)表面影響更為直接，在供冷開始后溫度迅速下降，水管間距大也導(dǎo)致停止供冷后內(nèi)表面溫度迅速上升。由圖9b）可以看出當(dāng)水管間距為5 cm時(shí)相變材料能更好地吸收冷量凝固，是液相分?jǐn)?shù)維持在較低值。隨著距離增大相變材料凝固量減少，吸收冷量較少。由上述分析可知，在這4種工況中，供冷水管間距為5 cm時(shí)為最優(yōu)工況。

4 結(jié)論

本研究將相變材料與建筑屋面相結(jié)合，并添加通風(fēng)層，可以在夏季有效隔絕室外熱量，得到更舒適的室內(nèi)環(huán)境。運(yùn)用ANSYS-Fluent軟件對(duì)相變蓄冷通風(fēng)屋頂在相變材料的相變溫度、通風(fēng)層厚度及供冷水管間距方面進(jìn)行了模擬優(yōu)化，得出以下結(jié)論：

1）通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，在夏季通過控制相變蓄冷通風(fēng)屋頂?shù)耐L(fēng)層及水管供冷的開關(guān)時(shí)間，可以有效地將室內(nèi)峰值溫度降低5 ℃，1 d內(nèi)室內(nèi)溫差控制在10 ℃上下。

2）從模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)控制單一變量的情況下，對(duì)于屋頂內(nèi)側(cè)相變材料，相變溫度為24 ℃時(shí)可以使內(nèi)表面溫度波動(dòng)幅度較小，且在融化區(qū)間內(nèi)可充分發(fā)揮相變潛熱;對(duì)于屋頂外側(cè)相變材料，相變溫度為32 ℃更為合適，外側(cè)材料相變溫度的改變對(duì)內(nèi)表面溫度影響并不明顯;當(dāng)通風(fēng)層厚度為20 cm時(shí)，在不主動(dòng)供冷的情況下可使內(nèi)表面溫度最低，且隔熱效果最好;當(dāng)冷量一定時(shí)，供冷水管間距為5 cm效果越好，內(nèi)表面溫度越低，相變材料可充分吸收冷量。

3）盡管相變蓄冷通風(fēng)屋頂對(duì)于降低室內(nèi)溫度及控制室溫波動(dòng)有著一定的效果，但雙層相變材料的使用必然會(huì)提高成本，如何提高相變材料的吸放熱效果使其在應(yīng)用時(shí)的節(jié)能性更高還有待進(jìn)一步研究。

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收稿日期：2020-06-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51978231）;河北省自然科學(xué)基金（E2020202196）;河北省引進(jìn)留學(xué)人員資助項(xiàng)目（C20190507）

第一作者：楊華（1970—），女，教授。通信作者：孔祥飛（1982—），男，教授，xfkong@hebut.edu.cn。