定型相變通風屋面隔熱性能影響因素分析

于靖華 陶俊威 葉虹 楊清晨 田利偉

1 華中科技大學環(huán)境科學與工程學院2 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司

0 引言

將相變材料應(yīng)用在建筑圍護結(jié)構(gòu)中，利用相變可以阻隔大量室外熱量進入室內(nèi)。將通風措施結(jié)合到建筑圍護結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中，可以利用風壓和熱壓的作用起到隔熱的效果。目前國內(nèi)外學者對這兩方面的研究有很多，而關(guān)于相變與通風相結(jié)合應(yīng)用到建筑圍護結(jié)構(gòu)的研究較少，H .B.Gunay[1]對裝有空心樓板房間的熱響應(yīng)做了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)空心板內(nèi)加入相變材料后，房間內(nèi)的峰值負荷顯著減少。Ahmed Faheem[2]將微封裝相變材料（mPCM）結(jié)合到預制通風空心樓板中，采用CFD 數(shù)值模擬軟件模擬計算了相變溫度和通風速度對該相變通風樓板冷卻性能的影響，結(jié)果表明通風速度對樓板冷卻潛力的影響較大。康艷兵[3]將相變板放置在房間吊頂和樓板之間，同時在夜間對相變板進行機械通風，實驗結(jié)果表明，利用相變板可以提高屋面的蓄冷能力，室內(nèi)溫度明顯下降。

本文提出了一種定型相變通風屋面結(jié)構(gòu)，主要由相變材料和混凝土空心板組成，夜間空心樓板內(nèi)通入室外涼風，可以帶走相變材料釋放的熱量，解決相變屋面中相變材料散熱困難這一問題，對建筑節(jié)能具有重要的意義。本文利用CFD 數(shù)值模擬軟件研究了該定型相變通風屋面最優(yōu)的相變材料厚度，相變溫度，空腔通風策略和空腔大小，對該結(jié)構(gòu)的設(shè)計和推廣應(yīng)用起到一定的指導和推動作用。

1 物理模型

本文研究的定型相變通風屋面為一種中間層定型相變通風屋面，其主體結(jié)構(gòu)主要由預制混凝土空心板和定型相變材料構(gòu)成，從外至內(nèi)分別為保護層，防水層，找平層，找坡層，相變材料層和空心樓板，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由于空心樓板各空腔之間的傳熱具有對稱性，取預制混凝土空心樓板中間的一個空腔作為研究對象，即取整個屋面結(jié)構(gòu)中的一部分來進行模擬研究，這一部分的寬度為 104 mm，其左右兩側(cè)的邊界可以設(shè)定為絕熱邊界條件。中間層定型相變通風屋面模型各層材料的厚度和熱物性參數(shù)如表1 所示，整個屋面縱向的長度為4200 mm。本文選取的定型相變材料是由石蠟類相變材料與高密度聚乙烯、膨脹石墨熔融共混而成的，其中石蠟占比 85%，石蠟的溶解熱為189 kJ/kg[4]，根據(jù)文獻[5]可計算出定型相變材料的溶解熱，為 160.65 kJ/kg。

圖1 中間層定型相變通風屋面結(jié)構(gòu)

表1 定型相變通風屋面模型各層材料的厚度和熱物性參數(shù)

本文采用 CFD 數(shù)值模擬方法進行計算，根據(jù)圖 2所示的結(jié)構(gòu)示意圖，利用 ICEM CFD 軟件建立三維幾何模型并劃分網(wǎng)格。在Fluent 軟件中利用壓力求解器和非穩(wěn)態(tài)算法來進行求解計算，同時采用標準k-ε模型，能量方程，DTRM 輻射模型和 Solidification &Melting 的模型來進行傳熱計算。

圖2 中間層定型相變通風屋面結(jié)構(gòu)三維模型

2 邊界條件設(shè)置

由于空腔傳熱的對稱性，將相鄰兩空腔中間界面設(shè)置為絕熱面，即將圖1 中模型的左右兩側(cè)邊界設(shè)置為絕熱邊界條件。空腔入口設(shè)為速度進口，速度由UDF 程序控制，空腔出口為自由出流，出入口截面的其他邊界面設(shè)為絕熱邊界條件。空腔內(nèi)采用實時監(jiān)測通風策略來控制通風時間，該通風策略是通過實時監(jiān)測沿管長方向中心空腔斷面最低點的溫度，并與室外空氣干球溫度做對比，當室外空氣干球溫度高于該點溫度時，空腔內(nèi)不通風，當室外空氣干球溫度低于該點溫度時，空腔內(nèi)通風。將屋面內(nèi)外表面設(shè)置為第三類邊界條件，屋面內(nèi)表面與室內(nèi)空氣的對流換熱系數(shù)取 8.72 W/(m2· K)[6]，室內(nèi)溫度設(shè)置為恒溫 26 ℃，屋面外表面與室外空氣對流換熱系數(shù)取23.26 W/(m2· K)[6]，室外溫度設(shè)置為武漢市夏季典型日室外空氣綜合溫度tz。武漢市夏季典型日室外空氣綜合溫度和室外空氣干球逐時溫度如圖3 所示。

圖3 武漢市夏季典型日室外空氣溫度條件

3 影響因素分析

3.1 相變材料厚度和相變溫度

本節(jié)在通風速度為 1.0 m/s 的實時監(jiān)測通風策略的前提條件下，模擬研究了不同相變材料厚度（20 mm、25 mm、30 mm）和相變溫度（32～34 ℃、33～35 ℃、34～36 ℃、35～37 ℃）對中間層定型相變通風屋面內(nèi)表面逐時溫度，屋面熱工性能以及相變材料潛熱利用率的影響，其變化趨勢如圖4 和表2 所示。其中非相變通風屋面是一種將相變材料層替換為 30 mm 厚的混凝土層，同時空腔內(nèi)不通風的屋面模型。

圖4 不同相變材料厚度和溫度下中間層定型相變通風屋面內(nèi)表面逐時溫度

表2 不同相變材料厚度和溫度下中間層定型相變通風屋面熱工性能

隨著相變材料厚度的增加，屋面內(nèi)表面平均溫度逐漸降低，不同相變材料厚度下的最適宜相變溫度為33～35 ℃或34～36 ℃，這兩種相變溫度下屋面內(nèi)表面的平均溫度較低，溫度波幅較小，衰減系數(shù)也較小。當相變材料厚度為20 mm 時，相變材料的平均潛熱利用率達到了 100%，厚度過低無法有效降低屋面內(nèi)表面溫度。當相變材料厚度為30 mm 時，相變材料的平均潛熱利用率只有75.32%，有大部分相變材料沒有得到有效利用，經(jīng)濟性差。綜合對比屋面熱工性能和相變材料潛熱利用率，在 1.0m/s 的實時監(jiān)測通風策略下，對于中間層定型相變通風屋面，最適宜的相變材料厚度為 25 mm，同時最佳的相變溫度為 33～35 ℃或34～36 ℃，在最佳相變材料厚度和相變溫度的工況下，相比于非相變通風屋面，屋面內(nèi)表面最高溫度降低了3.15 ℃、3.27 ℃，平均溫度降低了1.49 ℃、1.50 ℃，衰減系數(shù)降低了0.164、0.166，延遲時間增長了3～4 小時。

3.2 空腔通風策略

選定相變材料厚度為 25 mm，相變的溫度為33～35 ℃或 34～36 ℃兩種工況，研究不同通風速度下（0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s）的通風策略對定型相變通風屋面熱工性能以及相變材料潛熱利用率的影響。

不同通風速度下中間層定型相變通風屋面內(nèi)表面逐時溫度和空腔通風時間如圖5 和圖6 所示，屋面熱工性能和潛熱利用率如表 3 所示。當相變溫度為33～35 ℃時，隨著通風速度從0.5 m/s 增大到2.5 m/s，屋面內(nèi)表面平均溫度降低了0.35 ℃，而且降低的幅度逐漸變小，衰減系數(shù)隨風速的增大逐漸降低，趨于0.029，延遲時間增長了 2 小時，相變材料的潛熱利用率則上升的較為明顯，增幅達14.40%。在通風時間方面，從 8 小時逐漸降低到 6 小時。而當相變溫度為34～36 ℃時，隨著通風速度的增大，屋面內(nèi)表面平均溫度在逐漸降低，而屋面內(nèi)表面溫度波幅、衰減系數(shù)在逐漸升高，相變材料的潛熱利用率不升反降，是因為在該情況下當通風速度增大后，相變材料在夜間儲存的顯熱冷量逐漸增多，導致相變材料在白天吸收的熱量減少，影響了相變材料的融化效果。

表3 不同通風速度下屋面熱工性能

圖5 相變溫度為33～35 ℃時不同通風速度下中間層定型相變通風屋面逐時溫度和空腔通風時間

圖6 相變溫度為34～36 ℃時不同通風速度下中間層定型相變通風屋面逐時溫度和空腔通風時間

故對于中間層定型相變通風屋面，當相變材料厚度為25 mm、相變溫度為33～35 ℃時，隨著空腔內(nèi)通風速度的增大，屋面的隔熱性能越來越好。將該工況下屋面平均溫度與通風速度的關(guān)系進行擬合，得到的擬合曲線如下圖7 所示。從該擬合曲線可以看出，隨著通風速度的增大，屋面內(nèi)表面平均溫度降低速度逐漸變小，根據(jù)擬合公式可知，當通風速度為2.5 m/s 時，中間層定型相變通風屋面內(nèi)表面平均溫度的降低速度接近于0。故中間層定型相變通風屋面最佳的通風速度為2.5 m/s。

圖7 中間層定型相變通風屋面內(nèi)表面平均溫度隨通風速度變化曲線

3.3 空腔大小

根據(jù)前兩節(jié)的研究結(jié)果，選擇相變層的厚度則為25 mm、相變溫度為 33～35 ℃的模型作為研究對象，空腔內(nèi)通風速度為2.5 m/s。保持空腔內(nèi)風量不變，改變空腔半徑，空腔半徑為35 mm 時風速為 3.265 m/s，空腔半徑為45 mm 時風速為 1.975 m/s。定風量不同空腔大小下中間層定型相變通風屋面內(nèi)表面的逐時溫度如圖8 所示，屋面的熱工性能如表4 所示。

圖8 定風量不同空腔大小下屋面內(nèi)表面逐時溫度

表4 定風量不同空腔大小下屋面熱工性能

隨著空腔大小的增加，風量不變，空腔內(nèi)風速變小，屋面內(nèi)表面的最高溫度、最低溫度和平均溫度均在變小，溫度波幅逐漸變大，衰減系數(shù)也在變大。這是因為當空腔大小變大時，在空腔內(nèi)不通風時，屋面的隔熱性能更好一些，使得屋面內(nèi)表面的溫度逐漸變小。當空腔半徑為40 mm 時，相變材料的平均潛熱利用率最大，為 89.72%。根據(jù)《中南地區(qū)工程建設(shè)標準設(shè)計結(jié)構(gòu)圖集》[7]，在預制混凝土空心樓板厚度為120 mm 時，為了滿足樓板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、強度要求，適宜的空腔半徑為 40 mm。故當相變材料厚度為25 mm、相變溫度為 33～35 ℃時，同時采用通風速度為2.5 m/s 的實時監(jiān)測通風策略，中間層定型相變通風屋面最佳的空腔半徑大小為40 mm。

4 小結(jié)

本文在武漢市夏季典型日室外氣候條件下，選取相變潛熱為 160.65 kJ/kg 的復合定型相變材料，模擬研究了不同相變溫度，相變材料厚度，空腔通風速度和空腔大小對中間層定型相變通風屋面熱工性能和相變材料潛熱利用率的影響，模擬結(jié)果表明：對于中間層定型相變通風屋面，最優(yōu)的屋面結(jié)構(gòu)為相變材料厚度為 25 mm、相變溫度為 33～35 ℃、通風速度為 2.5 m/s，空腔半徑為 40 mm，此工況下屋面內(nèi)表面平均溫度最低，為 29.53 ℃，相變材料潛熱利用率最高，為89.72%。相比于非相變通風屋面，屋面內(nèi)表面最高溫度降低了3.38 ℃，內(nèi)表面平均溫度降低了 1.68 ℃，衰減系數(shù)降低了0.167，延遲時間增長了4 小時。