相變墻體構造對室內熱穩定性影響分析

張麗娟，魏 通，田國華，王曉玲

(1.江蘇建筑職業技術學院 建筑智能學院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇建筑職業技術學院 江蘇建筑節能與建造技術協同創新中心，江蘇 徐州 221116)

1 引言

隨著時代的發展，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用于墻體，對提高建筑的室內熱穩定性起到有利的作用，從而降低建筑能耗[2，3]。Kuznik等通過實地監測一年中室內空氣溫度，并對相變墻體建筑和普通墻體建筑進行了對比，監測數據分析表明，相變材料應用于建筑墻體，可以提高室內熱穩定性，熱舒適性提升明顯[4]。呂石磊等測試了相變建筑的熱環境，同時對比了普通建筑內熱環境，測試數據表明，相變材料的合理應用，可以有效降低室外環境的熱擾，提高室內熱環境的穩定性[5]。然而，不同的相變墻體構造，效果是不同的。鑒于此，學者們對相變構造對墻體室內熱穩定性的影響進行了廣泛研究[6]。喬宇豪等基于模型實驗，對比分析了相變墻體不同材料層順序對其熱工性能的影響。結果表明，外側保溫材料-中間基層墻體-內側相變材料的墻體構造，可以有效地減小室內溫度波動，降低峰值[7]。史靜毅以吐魯番地區為例，分析對比了3種墻體在夏季工況下的能耗，與普通對照建筑相比，外側相變砂漿可降低空調能耗11.6%，優于內側相變砂漿的3.6%[8]。Jin等根據實驗結果分析對比墻體熱流的減少情況，研究了相變墻體構造對墻體熱性能的影響，結果表明，相變材料置于墻體內表1/5L處時，墻體熱性能最好[9]。華旭明等通過仿真模擬，分析了相變墻體構造對室內熱環境的影響，研究結果表明，相變材料置于夾心位置時，室內夏季冷負荷最低，室內熱穩定性最好[10]。然而，多數的研究更關注相變墻體構造對夏季隔熱性能的影響分析，而對冬季工況分析較少。

本文基于徐州地區冬季工況，通過ANSYS workbench軟件，針對3種不同構造的相變墻體，模擬其傳熱過程，并對室內熱穩定性進行分析，確定冬季工況下適宜的相變墻體構造，為相變材料的墻體應用提供參考。

2 物理模型

傳統的建筑墻體一般由基層墻體和內外表面砂漿組成。本研究擬將其中一面普通砂漿用相變砂漿代替，根據傳統的墻體構造，設計了3種不同的相變墻體，如圖1所示。

圖1 相變墻體構造

(1)外側相變墻體構造如圖1(a)所示。外側相變砂漿、內側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造如圖1(b)所示。內側、外側普通砂漿厚度為0.01 m，中間相變砂漿厚度為0.02 m，內外兩側普通砂漿和相變砂漿之間的基層磚墻厚度均為0.12 m。

(3)內側相變墻體構造如圖1(c)所示。內側相變砂漿、外側普通砂漿厚度均為0.02 m，中間基層磚墻厚度為0.24 m。

參考文獻，獲得各材料物性參數見表1[11]。

表1 材料物性參數

3 數學模型

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。

采用導熱方程，對基層墻體以及普通砂漿層的傳熱過程進行分析，控制方程為[13]：

(1)

采用焓法方程，對相變砂漿層的傳熱過程進行分析，控制方程為[4～6]：

(2)

相變材料的焓值H，與溫度T有關，兩者之間的關系為[17,18]：

(3)

3.2 初始與邊界條件

室外側參數設定：加載溫度為南向墻體室外綜合溫度，如圖2所示，對流換熱系數取23W/(m2·K)[19]。

圖2 室外側加載溫度

室內側參數設定：參考規范要求，溫度選取恒定18 ℃，對流換熱系數取8.7 W/(m2·K)。

3.3 網格劃分與時間步長

3.3.1 網格劃分

網格精度，對提高模擬的精確性非常關鍵[20]。本研究設定網格精度為0.01。

3.3.2 時間步長

本研究選取徐州地區1月24～27日，共4 d時間進行模擬，總時長345600 s，時間步長設為600 s。

4 結果分析

圖3～圖5所示分別為：外側相變、夾心相變、內側相變墻體的各節點的溫度分布。其中，外側和內側相變墻體中，WALL-1代表外表面溫度、WALL-2代表外側砂漿與砌塊交界處溫度、WALL-3代表墻體中心處溫度、WALL-4代表內側砂漿與砌塊交界處溫度、WALL-5代表內表面溫度；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、內兩層砌塊交界面溫度、WALL-5代表內側砂漿與砌塊交界處溫度、WALL-6代表內表面溫度。

日期圖3 外側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 內側相變墻體各界面溫度

表2展示了不同構造墻體內、外表面溫度的峰值。圖6和圖7分別對比了不同構造墻體內表面和外表面溫度。

日期圖6 墻體內表面溫度對比

日期圖7 墻體外表面溫度對比

表2 各墻體表面溫度 ℃

表3對比了不同構造墻體內外表面溫差平均值以及內表面熱流密度的平均值。墻體圖8所示為不同構造墻體內表面熱流密度對比圖。

日期圖8 各墻體內表面熱流密度

表3 各墻體熱流密度

根據模擬計算結果，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 ℃；墻體內表面熱流密度平均值波動范圍為27.83～29.36 W/m2。

計算結果表明，墻體的構造對其內表面溫度具有較大影響，不同的墻體構造，室內熱穩定性是不同的。

(1)外側相變墻體。

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

(2)夾心相變墻體。普通墻體外表面溫度波動范圍為-4.99～14.24 ℃，而夾心相變墻體為-5.01～14.24 ℃；普通墻體內側表面溫度波動范圍為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 ℃。通過對夾心相變墻體各界面的溫度對比，溫度峰谷值雖有波動，但幅度很小，說明夾心相變墻體對于墻體內表面溫度的調控作用較外側相變墻體要好，但室內熱穩定性也并未顯著提升。

(3)內側相變墻體。普通墻體外表面溫度波動范圍為-4.96～14.14 ℃，而內側相變墻體為-4.99～14.11 ℃；普通墻體內側表面溫度波動范圍為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 ℃，相較于外側和夾心相變墻體，墻體內表面最低溫度提升明顯，同時，內側相變墻體內表面溫度的波幅也明顯降低，說明內側相變墻體對室內溫度的調節作用明顯，室內熱穩定性最優。

5 結論與討論

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

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

(2)相變材料置于墻體內側時，墻體各界面溫度波動較普通墻體有明顯變化，內表面最低溫度升高了0.35 ℃，相較于外側和夾心相變墻體，墻體內表面最低溫度提升明顯，同時，內側相變墻體內表面溫度的波幅也明顯降低，說明內側相變墻體對室內溫度的調節作用明顯，冬季工況下室內熱穩定性最優。

究其原因，徐州冬季工況下，相變材料位于外側和夾心位置時，由于該兩處位置的墻體溫度均較低，相變材料在大多數時間都未能發生相變，不能有效發揮相變材料蓄放熱特性，因此對室內熱穩定的調控作用不明顯。而相變材料位于內側時，內側墻體溫度較高，相變材料能充分相變，蓄放熱特性能有效發揮，從而能更好地調節室內熱穩定性。