內蒙古西部超低能耗草原民居相變墻體調溫節能性研究

金國輝， 李威風， 張東杰， 尚 琪， 魏 雪

(1.內蒙古科技大學土木工程學院，包頭 014010；2.西部綠色建筑國家重點實驗室，西安建筑科技大學，西安 710055； 3.哈爾濱工業大學建筑學院，哈爾濱 150001)

隨著生活條件的改善，人民對高質量居住環境的需求越來越迫切，使得建筑能耗不斷上升。在建筑圍護結構中加入相變材料形成相變墻體，具有調溫、儲能的作用，可以減小墻體日夜間溫差，緩解能源供求時序不匹配的狀況，達到降低建筑耗能、提升室內熱環境的效果[1-2]。

錢利姣等[3]研究了相變砂漿對室內溫度的調節性，結果表明砂漿內相變材料摻量越多，溫度延遲時間越長，調溫效果越明顯。李鴻錦等[4]基于夏熱冬冷氣候下，分析了相變石膏板的相變性能，認為適宜相變溫度是27 ℃，節能性比普通墻體高27.6%。方學旺等[5]利用數學模型分析了外墻覆蓋相變石膏板時對室內溫度的影響，認為在考慮經濟性的條件下，房間的舒適度最佳時，相變石膏板的相變溫度為28 ℃，相變潛熱為80 kJ/kg。莊孫歧[6]通過編程分析了南京地區相變通風墻的相變石膏不同放置方式的傳熱過程，結果表，明當風速相同時，相變石膏處于內置方式時墻體內側表面溫度波幅更小。張維維等[7]利用焓法模型和有效熱容法模型對相變墻板的傳熱進行了模擬，結果表明，相變蓄能石膏板蓄放熱能力更強，相變墻體在冬夏季時房間節能效果最好的相變溫度分別為7 ℃和26 ℃。張維維等[8]利用控溫熱箱裝置研究了相變墻體的傳熱性能，表明當外界溫度的波動幅度越大，相變墻體的節能效果越佳。孫曉雨等[9]將青藏高原地區豐富的太陽能資源與相變集熱蓄熱墻相結合，分析不同因素對集熱蓄熱墻的集熱效率與供暖穩定性的影響，表明定形相變材料可調節單日供熱量的分布以改善供暖穩定性。

通過梳理相關文獻發現，相變材料在應用中均具有優異的熱工特性。內蒙古西部草原民居冬季室內熱環境質量普遍較差，采暖能耗高。為降低草原民居冬季采暖能耗，提升室內熱環境，探究相變材料應用在位于寒冷地區的內蒙古西部草原民居中的調溫節能作用機理，利用ANSYS數值模擬求解的方法，建立草原民居相變墻體非穩態傳熱模型，探究不同墻體材料、相變層厚度、對流換熱系數和相變潛熱下的墻體內壁面溫度對外壁面溫度的響應規律，為通過相變材料改善草原民居冬季室內熱環境提供理論支撐，為內蒙古西部草原民居非透明圍護結構的節能設計提供參考。

1 實地調研

內蒙古西部地區地處中國北部邊疆，大部分屬于嚴寒地區，是典型的大陸性氣候，包括包頭、鄂爾多斯、烏海、巴彥淖爾、阿拉善5個盟市，草原類型主要為荒漠草原。由于相關原因，當地經濟發展相對落后，居民收入普遍偏低。

通過對磴口縣、鄂托克旗和烏拉特前旗等地進行實地調研發現，現有草原民居多數為進入新世紀之后所建造，單層磚混結構，層高3.3 m，外墻墻體主要為370 mm紅磚墻，另有少數240 mm紅磚墻及400 mm磚包土墻，無保溫構造，導熱系數大，保溫性能差。草原民居實地調研情況如圖1和2所示。

圖1 草原民居外觀Fig.1 The appearance of grassland dwellings

圖2 草原民居墻體節點Fig.2 Wall node diagram of grassland dwellings

2 模型構建

2.1 物理模型

選擇當地草原民居中常見的紅磚作為基礎墻體材料，用石蠟基相變材料作為墻體相變層，具有較好的技術經濟價值。相變墻體模型如圖3所示，紅磚墻體層為O～X1，相變材料層為X1～X2，墻體材料層面向室外，相變材料層面向室內。

圖3 相變墻體模型Fig.3 Model diagram of phase change wall

2.2 計算模型

為簡化計算，將相變墻體的傳熱過程視為二維非穩態過程，并假定材料均勻一致、各向同性。墻體室內一側無熱擾，只考慮室外太陽輻射與空氣溫度影響，不計地面輻射換熱對相變墻體的影響。對墻體相變層采用焓法，計算模型為

(1)

式(1)中：H為相變材料熱焓值，J/m3；ρ為相變材料密度，kg/m3；k為相變材料導熱系數，W/(m·℃)；T為相變材料溫度，℃。其中焓值H的計算方法為

(2)

式(2)中:cp,s為固相比熱，J/(kg·K)；cp,m為等效比熱，J/(kg·K)；cp,l為液相比熱，J/(kg·K)；T0為0時刻溫度，℃，T1～T2為相變溫度區間。

墻體材料層計算模型為

(3)

式(3)中:a為墻體材料的熱擴散系數，a=kw/(ρw·cpw)，其中kw為墻體材料的導熱系數，W/(m·℃)；ρw為墻體材料的密度，kg/m3；cpw為墻體材料的比熱容，J/(kg·K)。對于相變墻體內外側邊界條件，均按第三類邊界條件計算[10]，給定環境溫度和空氣對流換熱系數，如式(4)和式(5)所示。

(4)

(5)

式中：hw,in、hw,out為相變墻體內外表面對流換熱系數，W/(m2·℃)；tin、tout為室內外空氣環境溫度，℃；tw,in、tw,out和tinit為相變墻體內外表面和初始溫度，℃。初始條件為

t(x,t)|t=0=tinit

(6)

3 參數設置

選擇當地常用的紅磚作為基礎墻體材料，厚度為370 mm，用20 mm厚石蠟基相變材料作為墻體相變層，熱物性參數如表1所示。相變材料在-30、-20、-10、0、10 ℃的焓值分別為-3.697×107、-2.465×107、-1.232×107、0、1.232×107J/m3。模型單元取四節點二維平面單元PLANE55，采取自由網格劃分方式，如圖4所示。

墻體在內外側溫差影響下，墻體內部溫度傳遞主要沿厚度方向，求解時的邊界條件及載荷為墻體內外壁面的對流換熱系數和室外空氣溫度[11]。墻體外壁加載建筑熱環境標準氣象數據中臨河最冷月某日溫度，初始溫度T0=-20.2 ℃。取冬季墻體內壁面的對流換熱系數為5 W/(m2·℃)，外壁面的對流換熱系數為19 W/(m2·℃)。

表1 墻體和相變材料熱物性參數Table 1 Thermal properties of wall and phase change materials

圖4 相變墻體網格劃分Fig.4 Mesh division of phase change wall

4 計算分析

為探究不同影響因素對石蠟基相變墻體調溫節能性的影響，選取不同墻體材料、相變層厚度、對流換熱強度和相變潛熱4個因素分別進行數值模擬，并對結果進行探究分析。

4.1 墻體材料對調溫性的影響

選取多孔磚和混凝土砌塊分別與石蠟基相變材料組成相變墻體和紅磚與石蠟基相變材料組成的相變墻體進行比較。多孔磚、混凝土砌塊與石蠟基組成的相變墻體材料密度為1 400、700 kg/m3，比熱容為1 106、1 050 J/(kg·K)，導熱系數為0.43、0.74 W/(m·℃)。計算3種墻體內壁溫度變化與加載溫度關系，如圖5所示。

圖5 不同墻體材料內壁面溫度變化曲線Fig.5 Temperature change curve of inner wall surface of different wall materials

由圖5可知，3種墻體的內壁面溫度與加載溫度明顯不同，加載溫度波幅為9.3 ℃，混凝土砌塊、紅黏土磚和多孔磚相變墻體內壁面溫度波幅分別為3.77、3.01、2.47 ℃，溫度衰減倍數分別為2.49、3.10和3.77。加載溫度峰值在15時左右，多孔磚和紅磚的溫度峰值約在18時，混凝土砌塊約在17時，多孔磚和紅磚峰值延遲3 h，混凝土砌塊延遲2 h。內壁均溫高于外壁0.90、0.78、0.71 ℃，溫度峰值差為3.04、2.68、2.16 ℃。

究其原因可知，內壁面溫度波幅和衰減倍數不同，說明墻體材料導熱系數的大小影響墻體的熱穩定性能。導熱系數越小，墻體內壁面溫度衰減倍數越大，溫度波動越小，從而熱穩定性越好。加載溫度峰值時間不同，說明混凝土砌塊的導熱系數較大，對溫度的敏感性較強，從而使墻體加熱速度較快峰值提前。內壁面與外壁面的均溫及峰值差說明相變墻體具有良好的調溫、保溫作用。因此，在內蒙古西部草原民居墻體中加入相變材料有利于改善室內熱環境，增加墻體保溫性能，減少溫度波動和散熱量，有利于節省冬季采暖能耗。

4.2 相變層厚度對調溫性的影響

計算墻體相變層厚度分別為20、40、60 mm時的墻體內壁面溫度，并與未設置相變層的普通墻體內壁溫度進行對比，墻體內壁溫度曲線如圖6所示。

圖6 不同相變層厚度內壁面溫度變化曲線Fig.6 Temperature change curve of inner wall with different thickness of phase change layer

圖6可較為直觀地反映出墻體內壁面對外側加載溫度的響應特性，相變墻體與普通墻體熱性能有較為明顯的差異，普通墻體內壁面溫度隨加載溫度的變化波動比相變墻體明顯。3種厚度的相變層和普通墻體均存在峰值延遲和溫度衰減現象。普通墻體內壁面溫度峰值在16時，20 mm相變墻體峰值在17時，40 mm和60 mm的則在18時，分別延遲1 h、2 h和3 h。普通墻體溫度波幅為5.08 ℃，相變墻體波幅為3.38、3.01、2.64 ℃，其溫度衰減倍數為1.83、2.75、3.01和3.52。

分析可知，隨著相變層厚度增加，墻體保溫性能增大，從而使內壁面溫度峰值延遲時間越來越長。而隨著相變層厚度的增加，相變墻體內壁面溫度波幅越來越小，衰減倍數增大，墻體的熱阻和儲熱性能增強，也說明冬季通過草原民居圍護結構的散熱量隨相變層厚度的增加而減少。因此，相變墻體的冬季保溫性能優于普通墻體，其節能性也隨相變層厚度的提升逐步增加。

4.3 對流換熱強度對相變墻體調溫性的影響

計算當相變墻體內壁的對流換熱系數分別為5、10、15、20、25 W/(m2·℃)時的墻體調溫性能，墻體內壁溫度變化如圖7所示。

圖7 不同對流換熱的內壁面溫度變化曲線Fig.7 Internal wall temperature curves of different convection heat transfer

由圖7可知，內壁面對流換熱系數對壁面溫度有一定影響，溫度波動在5 W/(m2·℃)最小，25 W/(m2·℃)最大。5種對流換熱系數的內壁面溫度峰值均在17 ℃時左右，比加載溫度延遲約2 h，溫度波幅分別為3.01、4.01、4.48、4.75、4.93 ℃，其溫度衰減倍數分別為3.01、2.32、2.08、1.96、1.89。

不同對流換熱系數下內壁面溫度峰值相同說明內壁面溫度峰值不受對流換熱系數影響；而相變墻體內壁面對流換熱系數的增大，衰減倍數逐漸減小，溫度波動越來越大。對流換熱系數的增加使墻體內壁面附近空氣流速加快，壁面與空氣換熱量變大，不利于冬季室內熱環境的穩定，容易增加熱損失使冬季耗能量增加。

4.4 相變潛熱對調溫性的影響

計算相變層厚度20 mm時，相變潛熱在30、60、100、130 kJ/kg時的墻體內壁面溫度響應規律，計算結果如圖8所示。

圖8 不同相變潛熱的內壁面溫度變化曲線Fig.8 The curve of inner wall temperature under different latent heat of phase change

由圖8可知，墻體內壁溫度波動在30 kJ/kg時最大，130 kJ/kg時最小，其波幅分別為3.24、3.14、3.01、2.92 ℃，溫度衰減倍數為2.87、2.96、3.10、3.19，溫度波幅變小，衰減倍數越來越大；內壁均溫比加載均溫高0.89、0.90、0.92、0.93 ℃。

分析可知，隨著相變潛熱的增大，溫度波動越來越小，衰減倍數逐漸增大，說明相變潛熱越大，儲存熱量越多；但不同相變潛熱下溫度波幅相差不大，說明相變墻體在提升冬季室內熱環境和減少采暖能耗方面有積極作用，但隨相變潛熱的不斷增加，其提升室內熱環境的效果有限。

5 結論

采用ANSYS數值分析方法，對影響內蒙古西部草原民居相變墻體傳熱特性的4個因素進行分析，得出以下結論：

(1)不同墻體材質的導熱系數影響墻體熱性能，隨著導熱系數減小，溫度衰減倍數增加，內壁面熱穩定性提升；隨著相變層厚度的增加，墻體保溫性能不斷增強。

(2)冬季墻體內壁面溫度波幅隨對流換熱系數的增大而增加，在較高的對流換熱情形下，不利于冬季室內熱環境的穩定和節能；隨著相變潛熱的增大，對提升冬季室內熱環境和減少采暖能耗方面有一定作用，但其效果有限。

(3)通過分析可知，在建造內蒙古西部草原民居時，墻體宜選用導熱系數較小的相變材料并增加相變層厚度，降低對流換熱系數并選取合適的相變潛熱，從而提升冬季墻體自身的保溫性能，減少室內溫度波動，改善室內熱環境，降低建筑物冬季采暖能耗。