相變墻體構(gòu)造對(duì)室內(nèi)熱穩(wěn)定性影響分析

張麗娟，魏 通，田國華，王曉玲

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑智能學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 徐州 221116)

1 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，建筑能耗愈來愈多。相變材料在適宜的相變溫度下，能夠吸收或釋放潛熱[1]。將相變材料合理地應(yīng)用于墻體，對(duì)提高建筑的室內(nèi)熱穩(wěn)定性起到有利的作用，從而降低建筑能耗[2，3]。Kuznik等通過實(shí)地監(jiān)測(cè)一年中室內(nèi)空氣溫度，并對(duì)相變墻體建筑和普通墻體建筑進(jìn)行了對(duì)比，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，相變材料應(yīng)用于建筑墻體，可以提高室內(nèi)熱穩(wěn)定性，熱舒適性提升明顯[4]。呂石磊等測(cè)試了相變建筑的熱環(huán)境，同時(shí)對(duì)比了普通建筑內(nèi)熱環(huán)境，測(cè)試數(shù)據(jù)表明，相變材料的合理應(yīng)用，可以有效降低室外環(huán)境的熱擾，提高室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定性[5]。然而，不同的相變墻體構(gòu)造，效果是不同的。鑒于此，學(xué)者們對(duì)相變構(gòu)造對(duì)墻體室內(nèi)熱穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了廣泛研究[6]。喬宇豪等基于模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了相變墻體不同材料層順序?qū)ζ錈峁ば阅艿挠绊?。結(jié)果表明，外側(cè)保溫材料-中間基層墻體-內(nèi)側(cè)相變材料的墻體構(gòu)造，可以有效地減小室內(nèi)溫度波動(dòng)，降低峰值[7]。史靜毅以吐魯番地區(qū)為例，分析對(duì)比了3種墻體在夏季工況下的能耗，與普通對(duì)照建筑相比，外側(cè)相變砂漿可降低空調(diào)能耗11.6%，優(yōu)于內(nèi)側(cè)相變砂漿的3.6%[8]。Jin等根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比墻體熱流的減少情況，研究了相變墻體構(gòu)造對(duì)墻體熱性能的影響，結(jié)果表明，相變材料置于墻體內(nèi)表1/5L處時(shí)，墻體熱性能最好[9]。華旭明等通過仿真模擬，分析了相變墻體構(gòu)造對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，研究結(jié)果表明，相變材料置于夾心位置時(shí)，室內(nèi)夏季冷負(fù)荷最低，室內(nèi)熱穩(wěn)定性最好[10]。然而，多數(shù)的研究更關(guān)注相變墻體構(gòu)造對(duì)夏季隔熱性能的影響分析，而對(duì)冬季工況分析較少。

本文基于徐州地區(qū)冬季工況，通過ANSYS workbench軟件，針對(duì)3種不同構(gòu)造的相變墻體，模擬其傳熱過程，并對(duì)室內(nèi)熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確定冬季工況下適宜的相變墻體構(gòu)造，為相變材料的墻體應(yīng)用提供參考。

2 物理模型

傳統(tǒng)的建筑墻體一般由基層墻體和內(nèi)外表面砂漿組成。本研究擬將其中一面普通砂漿用相變砂漿代替，根據(jù)傳統(tǒng)的墻體構(gòu)造，設(shè)計(jì)了3種不同的相變墻體，如圖1所示。

圖1 相變墻體構(gòu)造

(1)外側(cè)相變墻體構(gòu)造如圖1(a)所示。外側(cè)相變砂漿、內(nèi)側(cè)普通砂漿的厚度均為0.02 m，中間基層磚墻的厚度為0.24 m。

(2)夾心相變墻體墻體構(gòu)造如圖1(b)所示。內(nèi)側(cè)、外側(cè)普通砂漿厚度為0.01 m，中間相變砂漿厚度為0.02 m，內(nèi)外兩側(cè)普通砂漿和相變砂漿之間的基層磚墻厚度均為0.12 m。

(3)內(nèi)側(cè)相變墻體構(gòu)造如圖1(c)所示。內(nèi)側(cè)相變砂漿、外側(cè)普通砂漿厚度均為0.02 m，中間基層磚墻厚度為0.24 m。

參考文獻(xiàn)，獲得各材料物性參數(shù)見表1[11]。

表1 材料物性參數(shù)

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 控制方程

相變墻體的傳熱，主要由基層墻體、普通砂漿、相變砂漿層的傳熱，以及相變砂漿層的相變蓄熱放熱組成[12]。各層模擬解析控制方程如下。

采用導(dǎo)熱方程，對(duì)基層墻體以及普通砂漿層的傳熱過程進(jìn)行分析，控制方程為[13]：

(1)

采用焓法方程，對(duì)相變砂漿層的傳熱過程進(jìn)行分析，控制方程為[4～6]：

(2)

相變材料的焓值H，與溫度T有關(guān)，兩者之間的關(guān)系為[17,18]：

(3)

3.2 初始與邊界條件

室外側(cè)參數(shù)設(shè)定：加載溫度為南向墻體室外綜合溫度，如圖2所示，對(duì)流換熱系數(shù)取23W/(m2·K)[19]。

圖2 室外側(cè)加載溫度

室內(nèi)側(cè)參數(shù)設(shè)定：參考規(guī)范要求，溫度選取恒定18 ℃，對(duì)流換熱系數(shù)取8.7 W/(m2·K)。

3.3 網(wǎng)格劃分與時(shí)間步長

3.3.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格精度，對(duì)提高模擬的精確性非常關(guān)鍵[20]。本研究設(shè)定網(wǎng)格精度為0.01。

3.3.2 時(shí)間步長

本研究選取徐州地區(qū)1月24～27日，共4 d時(shí)間進(jìn)行模擬，總時(shí)長345600 s，時(shí)間步長設(shè)為600 s。

4 結(jié)果分析

圖3～圖5所示分別為：外側(cè)相變、夾心相變、內(nèi)側(cè)相變墻體的各節(jié)點(diǎn)的溫度分布。其中，外側(cè)和內(nèi)側(cè)相變墻體中，WALL-1代表外表面溫度、WALL-2代表外側(cè)砂漿與砌塊交界處溫度、WALL-3代表墻體中心處溫度、WALL-4代表內(nèi)側(cè)砂漿與砌塊交界處溫度、WALL-5代表內(nèi)表面溫度；夾心相變墻體中，WALL-1代表外表面溫度、WALL-2代表外側(cè)砂漿與砌塊交界處溫度、WALL-3、WALL-4分別代表中部砂漿與外、內(nèi)兩層砌塊交界面溫度、WALL-5代表內(nèi)側(cè)砂漿與砌塊交界處溫度、WALL-6代表內(nèi)表面溫度。

日期圖3 外側(cè)相變墻體各界面溫度

日期圖4 夾心相變墻體各界面溫度

日期圖5 內(nèi)側(cè)相變墻體各界面溫度

表2展示了不同構(gòu)造墻體內(nèi)、外表面溫度的峰值。圖6和圖7分別對(duì)比了不同構(gòu)造墻體內(nèi)表面和外表面溫度。

日期圖6 墻體內(nèi)表面溫度對(duì)比

日期圖7 墻體外表面溫度對(duì)比

表2 各墻體表面溫度 ℃

表3對(duì)比了不同構(gòu)造墻體內(nèi)外表面溫差平均值以及內(nèi)表面熱流密度的平均值。墻體圖8所示為不同構(gòu)造墻體內(nèi)表面熱流密度對(duì)比圖。

日期圖8 各墻體內(nèi)表面熱流密度

表3 各墻體熱流密度

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，墻體外表面最高溫度在14.11～14.24 ℃之間，最低溫度為-5.02～-4.96 ℃之間；墻體內(nèi)表面的最高溫度范圍為14.93～15.82 ℃，最低溫度范圍為14.05～14.40 ℃；墻體內(nèi)表面熱流密度平均值波動(dòng)范圍為27.83～29.36 W/m2。

計(jì)算結(jié)果表明，墻體的構(gòu)造對(duì)其內(nèi)表面溫度具有較大影響，不同的墻體構(gòu)造，室內(nèi)熱穩(wěn)定性是不同的。

(1)外側(cè)相變墻體。

普通墻體的外表面溫度波動(dòng)范圍為-4.96～14.14 ℃，而相變墻體為-5.02～14.17 ℃；普通墻體內(nèi)表面溫度波動(dòng)范圍為14.05～15.81 ℃，而相變墻體為14.09～15.82 ℃，最低溫度升高了0.04 ℃。通過對(duì)外側(cè)相變墻體各界面的溫度對(duì)比，溫度峰谷值雖有波動(dòng)，但幅度很小，說明外側(cè)相變墻體對(duì)于墻體內(nèi)表面溫度的調(diào)控作用很小，室內(nèi)熱穩(wěn)定性并未顯著提升。

(2)夾心相變墻體。普通墻體外表面溫度波動(dòng)范圍為-4.99～14.24 ℃，而夾心相變墻體為-5.01～14.24 ℃；普通墻體內(nèi)側(cè)表面溫度波動(dòng)范圍為14.07～15.79 ℃，而夾心相變墻體為14.10～15.81 ℃，最低溫度升高了約0.03 ℃。通過對(duì)夾心相變墻體各界面的溫度對(duì)比，溫度峰谷值雖有波動(dòng)，但幅度很小，說明夾心相變墻體對(duì)于墻體內(nèi)表面溫度的調(diào)控作用較外側(cè)相變墻體要好，但室內(nèi)熱穩(wěn)定性也并未顯著提升。

(3)內(nèi)側(cè)相變墻體。普通墻體外表面溫度波動(dòng)范圍為-4.96～14.14 ℃，而內(nèi)側(cè)相變墻體為-4.99～14.11 ℃；普通墻體內(nèi)側(cè)表面溫度波動(dòng)范圍為14.05～15.81 ℃，而相變墻體為14.40～14.93 ℃，特別是最低溫度升高了0.35 ℃，相較于外側(cè)和夾心相變墻體，墻體內(nèi)表面最低溫度提升明顯，同時(shí)，內(nèi)側(cè)相變墻體內(nèi)表面溫度的波幅也明顯降低，說明內(nèi)側(cè)相變墻體對(duì)室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)作用明顯，室內(nèi)熱穩(wěn)定性最優(yōu)。

5 結(jié)論與討論

相變材料的合理利用，能夠有效提高建筑的室內(nèi)熱穩(wěn)定性，降低建筑物的能源消耗。不同的相變墻體的構(gòu)造，其室內(nèi)熱穩(wěn)定性也不同。本文基于徐州地區(qū)冬季工況，通過ANSYS workbench軟件，針對(duì)3種不同構(gòu)造的相變墻體，模擬了其傳熱過程，分析了不同構(gòu)造相變墻體的室內(nèi)熱穩(wěn)定性。

(1)相變材料置于墻體外側(cè)和中間位置時(shí)，墻體各界面的溫度較普通墻體雖有變化，但幅度均較小，其中外側(cè)相變墻體內(nèi)表面最低溫度較普通墻體僅升高了0.04 ℃，而夾心相變墻體內(nèi)表面最低溫度較普通墻體僅升高了0.03 ℃，說明外側(cè)相變墻體和夾心相變墻體對(duì)于墻體內(nèi)表面溫度的調(diào)控作用很小，冬季工況下室內(nèi)熱穩(wěn)定性并未顯著提升。

(2)相變材料置于墻體內(nèi)側(cè)時(shí)，墻體各界面溫度波動(dòng)較普通墻體有明顯變化，內(nèi)表面最低溫度升高了0.35 ℃，相較于外側(cè)和夾心相變墻體，墻體內(nèi)表面最低溫度提升明顯，同時(shí)，內(nèi)側(cè)相變墻體內(nèi)表面溫度的波幅也明顯降低，說明內(nèi)側(cè)相變墻體對(duì)室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)作用明顯，冬季工況下室內(nèi)熱穩(wěn)定性最優(yōu)。

究其原因，徐州冬季工況下，相變材料位于外側(cè)和夾心位置時(shí)，由于該兩處位置的墻體溫度均較低，相變材料在大多數(shù)時(shí)間都未能發(fā)生相變，不能有效發(fā)揮相變材料蓄放熱特性，因此對(duì)室內(nèi)熱穩(wěn)定的調(diào)控作用不明顯。而相變材料位于內(nèi)側(cè)時(shí)，內(nèi)側(cè)墻體溫度較高，相變材料能充分相變，蓄放熱特性能有效發(fā)揮，從而能更好地調(diào)節(jié)室內(nèi)熱穩(wěn)定性。