相變墻體的熱性能及傳熱數值模擬研究進展

董菁菁 王漢青 郭韻恬

1 湖南工業大學土木工程學院

2 建筑環境控制技術湖南省工程實驗室

3 裝配式建筑節能技術湖南省重點實驗室

4 南華大學土木工程學院

隨著人們對于室內熱舒適度要求的不斷提升，由建筑物產生的能耗和溫室氣體的排放量也相應的增加。有數據顯示，30%～40%的溫室氣體排放可歸因于建筑能耗[1-2]，而供暖通風和空調能耗可占到建筑能耗的50%以上[3-4]。因此采用合理的節能方式是降低墻體能耗、提高室內熱舒適度的重要措施之一。相變材料（PCM）能在物質相變過程中吸收或釋放潛熱[5]，且儲熱密度大，可以根據氣候條件和實際應用需求在特定的溫度范圍進行高效的熱量存儲，因而研究者通過在墻體加入相變材料來優化墻體蓄熱性能。相變材料與建筑材料結合成相變儲能墻體是利用相變材料的熱特性改善墻體的蓄放熱性能，有效減小室內溫度峰值，降低室內供暖和空調負荷，進而達到降低建筑能耗的目的。本論文對國內外相變墻體蓄熱性能的研究進展進行了歸納總結，并首次從數值模擬的角度全面概述了常用求解相變墻體傳熱過程的方法和軟件模擬研究現狀。

1 相變墻體的熱工性能研究

墻體的蓄熱能力強弱是建筑能否抵抗外界溫度波動、維持室內環境舒適度的重要因素之一。不同相變材料熱物性的差異化導致其在墻體中應用時的蓄熱能力有差別，因此相變材料的熱物性好壞是相變墻體的實際蓄熱性能優劣的基礎。現有的研究表明，材料的復合應用，相變層在墻體中的位置，厚度以及不同室外的氣候條件等均對墻體應用時實際蓄熱能力有較大的影響，因此其成為眾多學者的研究熱點。

1.1 墻體用相變材料的熱物性研究

相變材料的選擇對于其在應用中的蓄熱能力至關重要，理想的相變材料應具有合適的相變溫度、最佳的相變潛熱和導熱率等熱物性。因此測量相變材料的熱物性非常重要，現有的測量方法有示差掃描量熱法（DSC），差熱分析法（DTA）以及T-history 等方法。

DSC 和DTA 都是通過測量相變材料與參照品之間加入的熱流差異，獲得融化/凝固溫度、熱容量、相變潛熱等相變材料的熱物性，但DSC 還可以測量相變墻體的熱性能[6]（如圖1 所示）。T-history 是一種參比溫度曲線的測量方法，張寅平[7]通過分析了DSC 和DTA等常規方法的局限性，提出了T-history 方法，而Hong[8]對T-history 方法進行改進。相比較于其他兩種測量方法，T-history 方法實驗簡單、測試時間短且可用于多種相變材料的熱物性同時測量（如圖2[7]）。

圖1 DSC 測量相變墻體的熱性能

圖2 T-history 方法測量相變材料熱物性

目前常見的相變材料大多有導熱率低的缺陷，在一定程度上限制了相變材料的實際應用。Irsyad[9]研究證明以椰子油作為相變材料所制備的磚導熱性相比于空心磚更低。因此增強相變材料的導熱率成為了改善相變墻體熱物性的研究熱點，常用方法是使用翅片、蜂窩、多孔介質、纖維材料、金屬泡沫等高導熱性物質與相變材料結合增強相變墻體的傳熱性能。Hussain 等人[1]將活性炭納米片添加到相變材料中，顯著提升了該相變材料的導熱性。而Fukai 等[10]將碳纖維刷用于石蠟中，實驗得出石蠟的熱導率得到增強。Tian 和Zhao[11-12]對金屬泡沫增強的相變材料中的傳熱進行了研究表明金屬泡沫在抑制自然對流的同時顯著促進了熱傳導，材料總傳熱率高于純相變材料。

相變材料的導熱率低導致其在墻體應用中產生熱滯后現象從而增加相變過程的蓄放熱時間，因此增強導熱率強化相變墻體傳熱使相變材料得到了廣泛應用。

1.2 相變層在墻體中最佳位置熱工性能研究

目前的研究中關于相變材料在建筑墻體中的分布一般有兩種，一種是只含單層相變材料其余為建筑結構層的墻體，另一種為具有雙層定型相變材料的相變墻體。

圖3 相變材料位置與熱流減少百分比

單層相變材料墻體熱工性能在應用時一般受相變層的厚度、位置等因素的影響。相變層太厚則會造成材料浪費，而相變層太薄又使墻體的蓄熱性能大大降低，因此相變層在墻體中存在厚度的臨界值[13]。相變材料的安裝位置不同使得相變材料出現部分融化或凝固的現象。Jin 等[14]實驗研究相變材料位置對墻體熱性能影響，通過對比墻體熱流減少百分比表明最佳位置位于距內表面1/5L 處（如圖3 位置c）。Lee 等[15]研究有相變材料層的南面和西面墻體的熱性能，研究得出南墻和西墻的最佳位置分別為位置3 和位置2（如圖4）。華旭明[16]運用Matlab 對多層相變墻體中相變材料的分布位置對其溫度場及熱流密度的影響，研究得出相變材料位于中間位置時能顯著降低夏季最大冷負荷。

圖4 相變材料在南墻和西墻中的最佳位置

單層相變墻體的相變溫度在一定范圍內，一般僅能在特定季節起到減少室內能耗的作用，對于溫度變化大的地區全年適用性較差。對此國外學者Diaconu[17]提出了一種適用于全年的雙層相變墻體，相變材料層位于墻體內、外表面，外層的相變溫度高用于夏季而內層的相變溫度低用于冬季，全年模擬結果表明該墻體能降低全年冷/熱負荷以達到節能的目的。而國內朱娜等人[18-22]研究了雙層定型相變墻體在我國五個典型氣候區應用的節能潛力及適用性，根據節能率性及經濟性因素得出內、外層相變材料最優相變溫度范圍，對各地區應用效果對比表明冬季日較差較小的地區較適合使用相變墻體。

綜上所述，相變墻體中相變層不同厚度和位置對其熱工性能有一定影響，目前的研究表明單層相變墻體的相變層位置一般位于墻體中間時墻體的實際熱工性能達到最佳。雙層定型相變墻體的內外表面相變材料不同使得其節能效果具有全年適用性，但它在不同氣候區的節能潛力有差異，因此實際應用適用性還需進一步考慮。

1.3 不同室外條件下的相變墻體熱工性能

相變材料用于建筑墻體中的實際蓄能量受諸多因素影響，國內外學者對此展開研究發現室外氣象參數的不斷變化對相變墻體的實際應用蓄熱性能有所影響。Gassar 等[23]探究了未來氣候變化對不同氣候區的影響，研究得出在未來的氣候條件下相變墻體的使用節電率最高可達1.94%～5.15%。同一種相變墻體在不同氣候區應用時對室內的溫度和能耗有不同的影響，具體的節能效果與室外氣象參數有關。Zwanzig 等人[24]模擬了美國所有季節性條件下相變材料在墻體應用的熱性能性能，結果表明相變墻體性能高度依賴于天氣條件，強調了在不同的氣候區選擇不同的相變材料的必要性。Soares 等人[25]發現，在輕質鋼框架建筑中，將相變材料應用于干式墻可以將能效提高10%～60%，具體能效則取決于氣候區。

室外氣象條件是相變材料選擇的決定性因素也是相變墻體應用時實際蓄放熱的主要影響因素。綜上所述相變墻體可適用于多種氣候類型條件下建筑墻體，但在不同氣候區應用時的熱工性能和節能效果有所差異，因此需根據地區氣候特點和經濟性條件選擇合適的相變材料及其封裝方式。

2 復合相變材料在墻體中的研究

2.1 復合相變材料對相變墻體性能的影響

復合相變材料通過材料的復合彌補純相變材料導熱率低，融化時的自然對流和凝固時的過冷效應等缺陷。復合相變材料在墻體中應用時不同材料配比對復合相變材料是有影響的，如Lai[26]、li[27]將相變材料與建筑材料按不同的重量百分比制備的復合相變材料，其相變溫度沒有明顯變化但相變潛熱和比熱隨著相變材料重量百分比的增加而增加。Karaipekli[28]通過TG 分析表明復合相變材料具有良好的熱穩定性和相容性，而Sari[29-30]復合相變材料在其工作溫度范圍之上具有高耐熱性，通過添加一定質量分數的膨脹石墨可以提高相變材料的導熱率。范兆榮[31]采用石蠟和硬脂酸作為原料按不同的混合比配制復合相變材料，通過實驗表明液體石蠟含量越多相變溫度越低但在加熱后其滲出率越高。

綜上所述，復合相變材料在不考慮經濟性的情況下有一定的熱穩定性，防止熔化時泄露和耐熱性。復合相變墻體的蓄熱量隨著相變材料的百分比增加而增多，但對于液態相變材料其質量分數越高滲出程度越高，極大地影響了相變墻體的熱工性能。

2.2 復合相變材料在墻體中的經濟性研究

目前復合相變材料已被廣泛應用與建筑墻體中，眾多研究人員對其在墻體中的應用的實際性能和經濟性進行了大量研究。國內學者張東[32]通過建筑實驗模型，分析得出相變儲能復合材料可明顯降低室內溫度和空調的電力負荷，在電力調峰方面大有潛力。Castell[33]也同樣通過實驗研究證明復合相變墻體使電能消耗降低了約15%，減少了大約1-1.5 千克/年/平方米的二氧化碳排放量。Ramakrishnan 等[34]將石蠟和膨脹珍珠巖制備成復合相變材料通過實驗和模擬研究，結果表明每年可節省16%～25%的能源。Zwanzig[24]在美國不同氣候帶的典型住宅建筑中使用復合相變墻板使整個季節降低35%的冷卻負荷，而另一氣候帶年降溫量減少了45%。Tian 等[35]將復合相變材料用于夏季墻體，通過實驗表明，相變儲能墻體相比于普通墻體儲能能力提高了50%。與含保溫材料的墻體相比復合相變墻體的熱工性能也是更優[36]。Shi[37]等將相變材料結合混凝土用于香港的建筑，在經濟上發現相變材料在香港公屋單位的應用是顯而易見的，投資回收期為11 年。

經濟評估是評估相變材料在建筑物中的適用性的重要過程，從經濟回收期考慮，相變材料節約的電費和資本成本是影響相變材料集成到墻體中的成功應用的關鍵因素。從復合相變材料的應用經濟性來說，復合相變材料應該具有全年全壽命周期的節能效果才能獲得更高的經濟效益。

3 相變墻體傳熱的數值模擬研究方法

3.1 相變傳熱數值模擬方法

相變墻體在相變過程中是非穩態傳熱且過程較為復雜，因此其傳熱研究與所采用的數值模擬方法有關。相變材料傳熱過程數值求解的方法有焓法、有效熱容法、等效熱容法、集中參數法、有限元法等諸多建立數學模型進行模擬的方法。其中焓法和有效熱容法是國內外研究人員最常用的數值模擬方法。

焓法最先由Eyres[38]提出來用來處理材料的熱性能隨著溫度的變化，是以焓作為因變函數，將其帶入傳熱微分方程對溫度場進行求解的一種計算方法。Biswas 等人[6]利用該方法建立了添加納米的相變材料增強墻板蓄熱性能的二維模型。李利民等[39]采用焓法模型對相變墻體傳熱特性進行分析，通過與實驗數據對比證明了焓法模型的有效性。高翔翔等[40]總結了建立相變墻房間的傳熱一維傳熱的焓法模型的數學建模方法。

有效熱容法是控制方程和相關的離散方程具有非線性熱容量熱傳導方程的一般形式，即有效熱容量[41]，而得到精確模擬結果的方法是選擇正確的非線性熱容曲線[42]。如zhou[43]利用該方法模擬一個相變材料板的一維傳熱模型，通過文獻結果進行驗證模型的有效性。陳超等[44]采用有效熱容法模擬分析了新型相變墻體的傳熱性能。

3.2 基于數值模擬的相變傳熱研究

相變過程是非線性變化過程，而數值模擬軟件是可以處理相變瞬態過程中非線性問題，求得近似解析解的數值解的一種工具。目前用于相變墻體的數值模擬軟件多為商業軟件，例如Ansys、EnergyPlus、Comsol等，不僅可以得到數值解還可得到相變過程的溫度場和熱流密度。

Ansys 是基于有限體積法的數值模擬軟件，可以對相變材料和相變墻體在周期性室外氣象條件下的動態傳熱過程進行模擬。Ye 等[45]用Ansys-Fluent 軟件對復合材料的相變板進行模擬和實驗，模擬與實驗結果吻合度良好。劉朋[46]運用Ansys 對夏熱冬冷地區不同朝向的墻體溫度進行數值模擬，確定了各朝向墻體的最適宜相變溫度。閆全英[47]則用Ansys 研究了典型氣象年室外氣象參數波動情況下普通房間和相變房間內壁溫度和熱流的變化規律。

EnergyPlus 是動態建筑能耗模擬軟件，使用有限差分熱傳導（condfd）求解算法來模擬相變材料。該算法將建筑墻體離散為不同的節點，并使用有限差分法（fdm） 對傳熱方程進行數值求解。陳喜明[48]使用EnergyPlus 軟件對相變材料的應用效果進行模擬，可以得到在空調季節里室內溫度變化情況和空調節能效果。Chernousov[49]用該軟件模擬結果表明相變材料可優化亞熱帶氣候的圍護結構并有效地調節峰值電。Nghana 和Laaouatni[50-51]利用EnergyPlus 及實驗研究復合相變材料在建筑中的節能潛力，且實驗結果與數值模擬結果一致。

COMSOL 軟件是基于有限元方法來求解非線性傳熱，可以在相變墻體的傳熱研究使用傳熱與流體模塊進行數值計算，模擬出周期性室外溫度條件下的相變墻體和室內的溫度變化，便于研究動態相變過程。Laaouatni[52]通過實驗和Comsol 的三維模擬研究一種基于相變材料與通風管的結合的墻體的熱慣性，實驗和數值結果之間有良好一致性。Kant[53]用Comsol 對含有相變材料的磚進行二維數值模擬研究相變材料中的傳熱傳質。張洋洋[54]用Comsol 模擬周期性室外變化時不同相變材料對內墻表面溫度波動和導入室內熱通量的變化，研究結果對相變墻體的應用與推廣有指導意義。

軟件模擬是目前研究相變墻體熱性能及其對建筑室內環境，節能效果的一種有效方式。通過模擬可以得到室內溫度分布和空調能耗情況，從而分析相變材料應用時蓄放熱性能優劣，通常是將模擬結果與實驗結果結合進行相互驗證得到相變墻體應用效果。

4 結語

相變材料結合到建筑墻體是改善墻體熱工性能的有效途徑，眾多國內外研究表明相變墻體在實現熱舒適和建筑節能方面有重要作用。但目前相變墻體的研究多處于理論和實驗階段沒有大范圍的在實際工程中使用，在以下方面值得進一步深入研究：

1）目前的國內外相變材料的相變溫度范圍較窄，僅適用于單一的季節不適用于全年，因此需要提高相變材料的可適用相變溫度范圍。雙層相變墻體可適用于全年，但目前的研究多存在于理論階段，且較少將雙層相變墻體與其他保溫措施在經濟性，節能效果以及熱舒適性等方面進行對比分析。

2）復合相變材料在技術上存在材料的相容性問題，且無法保障復合相變材料的熱穩定性以及在墻體中應用時的力學性能。因此在保證經濟性的條件下，選用具有良好的熱物理性能和力學性能的復合相變材料應用于建筑墻體中對推動相變材料在建筑中進一步應用具有實際價值。

3）目前已有很多數值模擬方法和模擬軟件運用于相變墻體傳熱數值模擬研究中且眾多研究表明數值模擬與實驗有良好的一致性，但對于三維相變墻體動態傳熱過程模擬精度有待提高。國內外研究的數值模擬模型通常是單面墻體或單一的房間，很少有對含相變材料的整個建筑物在全壽命周期內的模擬。